【文章內(nèi)容簡介】 線 由圖可知， 電流由 0逐漸上升至額定電流，當達到了額定電壓，再對其進行 恒 壓充電。恒壓時，可以看出，電流逐漸減小最后降為 0。因此該過程可以看 成恒流向恒壓轉(zhuǎn)換的過程。根據(jù)電容的原理，電容的端電壓與電流有如下關(guān)系： C Δ V = ∫ i dt (1) 式中， i 是通過超級電容的電流。 若 i 恒定為 I 時，上式變?yōu)? C Δ V = I T (2) 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 式中， I 可視為超級電容的充電電流， T 為電流持續(xù)的時間。 在充電過程中，若 C 不變 ，則超級電容端電壓就與時間 T就存在線性關(guān)系。 由圖 42，43可以看出 ，超級電容的電壓確實是近似線性變化的，這就說明超級電容具有線性充電特性。 從上圖 還可以看出， 充電時間隨著充電電流的增大而減小，并且通過計算可以得出 ，用 大電流 充入的電量會 比 用 小電流充入的電量多 [5]。 假設(shè) 電流取負值， 這就說明這時 超級電容放電 的過程 類似于充電過程，電 荷量 也 在 線性變化。 下圖 是北京集星公司生產(chǎn)的 SU2400P0027V1RA型超級電容在不同電流下的線性放電曲線。 圖 44 放電曲線 由圖 44可知 ，放電 伊始 ， 電壓值 有 一個突降 過程 ， 然后觀察 電容 的 端電壓 會發(fā)現(xiàn)：端電壓會隨著放電時間的增加近似的線性減小。當 達到放電 的 終止電壓后， 在 斷開放電負載的瞬間，端電壓 將會 回升， 進而進入放電弛緩狀態(tài) 。 放電的電流過大以及放電瞬間等效串聯(lián)電阻的反向壓降是 端電壓回落的 兩個重要 原因 ， 并且 隨著的 電流越大，這種電壓突降現(xiàn)象 會 越明顯。 5 超級電容充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計 恒流源設(shè)計 恒流源電路圖 為了能對超級電容進行充電，設(shè)計了一款簡易恒流源，其工作原理圖如圖 51所示， 電路所用的元器件列表 ， 見附錄一 。 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 R3R410R/5WR1200RR510R/5WVINVOUT104C3100uF/25VC1100uF/25VC22K2VR13 21LM3172N3055TIP32C8050C輸出電壓： 圖 51 恒流源的電路圖 恒流源又叫電流源、穩(wěn)流 源，是一種寬頻譜，高精度交流穩(wěn)流電源，具有響應(yīng)速度快，恒流精度高、能長期穩(wěn)定工作，適合各種性質(zhì)負載（阻性、感性、容性）等優(yōu)點，主要用于檢測熱繼電器、塑殼斷路器、小型短路器及需要設(shè)定額定電流、動作電流、短路保護電流等生產(chǎn)場合。恒流源的實質(zhì)是利用器件 LM317對電流進行反饋，動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的供電狀態(tài)，從而使得電流趨于穩(wěn)定 [6]。 恒流源實物圖 恒流源實物圖包含很多個部件，如 PCB 板，變壓器，散熱器以及四個電容器， 具體 實物圖如圖 52 所示 。 圖 52 恒流源 及超級電容照片 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 硬件 設(shè)計 PLC 的 I/O 分配表 根據(jù)控制要求，確定 PLC 輸入輸出點數(shù)， 并 明確輸入輸出的地址 ，地址分配如表 51所示 。 表 51 PLC 的 I/O 分配表 輸入 模擬量輸入 200~203 開始充電 停止充電 復(fù)位 輸出 過充指示燈 恒流源 充電器 KM 充電狀態(tài)指示燈 PLC 外部接線圖 根據(jù) I/O 分配表畫出 PLC 的外部接線圖 ， 如 圖 5３ 所示。 220V 圖 53 PLC 外部接線圖 P L C 24V COM HMI SB1 SB2 SB3 過充指示燈 充電指示燈 恒流源充電器 模擬量 輸入 KM 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 充電電路圖 外部接線圖中，具體的 恒流源的充電電路 ， 如 圖 54 所示 。 220V KM A B C D 至 PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)接口 圖 54 充電電路圖 實物連接圖 整個實驗需要用到電腦對 PLC 進行編程以及對人機界面的繪制，需要恒流源對超級電容供電，需要 PLC 軟件和人機界面供電的供電電源。具體連接圖如下： 圖 55 實物連接圖 恒流源充電器 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 PLC 的程序設(shè)計 對于該課題的研究，梯形圖的程序可以分為兩大段，即程序初始化階段和程序運行階段。或者分為九小段，具體如下： （ 1） 電容容量輸入 圖 56所示的程序 目的是將電容 容量 700F送至 D10通道便于后面的 算術(shù) 運算 。 圖 56 電容容量輸入程序 （ 2） 數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換關(guān)系設(shè)定 線性轉(zhuǎn)換指令 SCL指令需要用到 兩個坐標（ 0， 0），（ 0BB8， 50）， 圖 57所示 程序的目的就是將 4個數(shù)據(jù)傳送到 D20開始的 連續(xù) 4個通道 里 。傳送過程中需 要注意橫坐標和縱坐標 以及傳送數(shù)字的類型是十進制 BCD數(shù)還是十六進制數(shù)。 此外， 該 段程序 將 5V的電壓放大至 50V， 目的是 提高電壓的 精度。 圖 57 數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換關(guān)系設(shè)定程序 （ 3） 塊傳送 利用塊傳送指令將上面?zhèn)魉偷木€性轉(zhuǎn)換 4個數(shù)分別傳送到 W0， W5， W10和 W15開始的連續(xù) 4個通道里， 為下面的模擬量的線性轉(zhuǎn)換打下基礎(chǔ)，其程序如圖 58所示。 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 58 塊傳送 程序 （ 4） 模擬量的轉(zhuǎn)換 將 4個電容器的電壓分別傳送到 200通道開始的連續(xù)四個通道內(nèi)，并且通過線性轉(zhuǎn)換 SCL指令將采集過來的數(shù)據(jù)進行線性轉(zhuǎn)換，計算出 4個電容器的電壓（是實際電壓的十倍）， 然后 存放在以 D0開始的連續(xù) 4個通道內(nèi)，其程序如圖 59所示。 圖 59 模擬量的轉(zhuǎn)換 程序 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 （ 5） 電容 數(shù)值 縮小十倍 由于之前將電壓變成原來的 10倍，現(xiàn)在 則 將電容變?yōu)樵瓉淼?1/10，即該段程序的目的是保持計算的電荷量不發(fā)生變化 ， 具體 程序如圖 510所示。 圖 510 電容數(shù)值縮小 10 倍 （ 6） 電荷量的計算 根據(jù)電容電荷量的計算公式： Q=C*U，計算出參考電荷量以及 4個電容器的電荷量，其中 4個電容器的電荷量分別存放在 D41， D43， D45， D47 四個不連續(xù)的通道，目的是為了進行塊比較指令， 方便 與參考電荷量進行比較，其程序如圖 511所示。 圖 511 電荷 量的計算 程序 （ 7） 塊比較指令 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 512的 程序的目的是將 4個電容的電荷量分別與參考電荷量進行比較。 圖 512 塊比較 程序 （ 8） 指示燈 圖 513所示的程序 中若 一個電容器的電荷量超過參考電荷， H0的 0到 3位必然會輸出 1， 則燈 ，達到報警的目的， 當電壓低于額定電壓按下 。 圖 513 過充指示 程序 （ 9） 電容充電的控制 按下 ， 按下 器 停止充電，其程序如圖 514所示。 圖 514 電容充電控制 程序 HMI 的界面設(shè)計 通訊連接 圖 515 通 訊連接圖 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 地址分配 人機界面和 PLC 的通訊連接是通過地址的一致性 來 實現(xiàn)的，人機界面每個控件 與 PLC地址 的對應(yīng)關(guān)系， 詳見表 52。 表 52 人機界面的地址分配表 電壓 電容 電容器 A D0 電容器 A D41 電容器 B D1 電容器 B D43 電容器 C D2 電容器 C D45 電容器 D D3 電容器 D D47 參考電荷量 D30 啟動按鈕 停止按鈕 電源指示 燈 過充 指示燈 界面設(shè)計 圖 516 控制界面 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 517 曲線圖 本文的關(guān)鍵 對超級電容進行實時監(jiān)控 ，因此 需要 對于四個電容器分別進行電壓和充電電荷量的監(jiān)測 以及 繪制電荷量變化的曲線圖， 實時監(jiān)控畫面如圖 516， 圖 517 所示。 調(diào)試前注意事項 (1) 確保 HMI 正負接線柱接對，給 HMI 上 24V 的電壓； (2) 確保模擬量接入 PLC 的 A/D 接口； (3) 確保實驗前 PLC 和 HMI 均上電。 PLC 程序調(diào)試 在 PLC 程序編寫和調(diào)試的過程中遇到了一些問題，其具體的問題以及解決方 案如下： (1) 關(guān)于 SCL 指令 實驗過程中需要將 SCL 指令用到的兩個點，這兩個點確定了一條直線，但是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要注意的是橫坐標必須是十六進制數(shù)，而縱坐標必須是 BCD 數(shù)，用數(shù)字 15來舉例，十六進制的表示形式為 1111， BCD 數(shù)表示為 amp。15。由于沒注意這個細節(jié)導(dǎo)致，SCL 指令運行出錯。 (2) 關(guān)于 塊比較指令 用通道 41， 43， 45， 47 分別存放電容 A、 B、 C、 D 的電荷量，而 4 4 46 存放數(shù)字 0， 比較結(jié)果放在保持繼電區(qū)，如表 53 所示。 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 表 53 塊比較 下限值 上限值 結(jié)果通道 40 通道： 0 41 通道：電容器 A 的電荷量 H00 42 通道： 0 43 通道：電容器 B 的電荷量 H01 44 通道： 0 45 通道：電容器 C 的電荷量 H02 46 通道： 0 47 通道：電容器 D 的電荷量 H03 如果參考電荷量在 0~實際的電荷量 之間，即實際電荷量超過了額定電荷量，對應(yīng)的H 的某一位為 1，從而指示燈亮，也就達到了警示目的。 (3) 關(guān)于計算 通過計算可知，電容的最大電荷量不超過 2022 庫倫， 采用電壓放大 10 倍，來提高電壓的精度，而電容降低 10 倍，最終根據(jù)電荷量的公式： Q=C * U ，計算出的電荷 量不變，同時也避免了雙字除法的運算，簡化了程序。 HMI 界面 (1) 人機界面的主界面 下圖是人機界面的主界面，由圖 59 可知，原來很抽象的電壓，電荷量，通過界面可以直觀地看出目前的電荷狀況，達到了實時監(jiān)控的目的。 圖 518 運行人機界面圖 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 (2)充電 、放電曲線圖 圖 519 充電放電曲線圖 上圖是超級電容的充放電曲線， 由 曲線可知， 電容的電荷量與時間呈現(xiàn)線性的關(guān)系，而且放電瞬間電荷量先有個突降，然后再緩慢變小。曲線與所包圍的面積是電容的電荷量，也就是說，充電時間越長，所充的電荷量就越多。 左圖是每個超級電容的曲線圖，右圖是超級電容分別在 1A、 2A、 3A 的充電電流下的充電曲線圖，由圖可知，電流越大，斜率越大，充電 也 越快。 6 總結(jié) 經(jīng)過 一 個多月 的努力，從論文的選題，到具體的內(nèi)容的構(gòu)思， 再 到現(xiàn)在論文的最終完成， 每個階段都 凝聚著老師的心血和 我 的辛勤 汗水。 本文研究的 主題 是超級電容充放電控制系統(tǒng)， 超級電容的 電荷量 是能量管理的重要環(huán)節(jié)， 能夠 為 今后的控制提供 重要的數(shù)據(jù)參考。本文在前人的基礎(chǔ)上，結(jié)合超級電容本身的特性，利用 HMI和 PLC相結(jié)合的方法， 實現(xiàn) 了 對超級電容的充放電狀態(tài) 的 實時監(jiān)控。結(jié)合本文， 所做的工作和主要成果如下： ，為超級電容的充電提供了方便。 HMI和 PLC兩個軟件，搭建了能夠?qū)Τ夒娙莸某浞烹娺M行實時監(jiān)控的系統(tǒng)。通過 PLC將電容的模擬量采集過來然后傳給 HMI，在 HMI上 可 以看到超級電容的電壓電荷變化狀態(tài)，并且也可以在 HMI上對電容進行充電的控制。 超級電容充放電特性的研究有著很大的應(yīng)用前景，但是能量監(jiān)控卻不是一個簡單的系統(tǒng)，有著很多難點技術(shù)，壁壘也很高，如超級電容單體的電壓均衡技術(shù)，容量檢測技術(shù)等。由于研究時間和本人 的研究水平的限制，仍然有許多的研究工作沒有完成。 希望日后能夠?qū)ζ渥龀錾钊氲奶骄浚?并且 在未知領(lǐng)域中取得一定的成果。 鹽城師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 參考文獻 [1] 郝國亮 . 超級電容荷電狀態(tài)計算方法的研究 .電力大學(xué) 電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)學(xué)位論文 .. 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