文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2014)06-0052-03
超級電容器與其他電化學蓄電池相比，在充放電過程中不發生化學反應，具有充放電速度快、功率密度大、工作溫度范圍寬、循環使用壽命長等特點，可應用于微電網、電動公交等領域[1]。由于超級電容器的單體額定電壓低于3 V，多數應用中需要串聯構成超級電容器組。受到容量偏差、漏電流及等效串聯電阻（ESR）等因素的影響，在循環使用中各個超級電容器單體電壓差會增大，如果不采取必要的均衡和管理措施，會導致超級電容器組的儲能效率降低，影響超級電容器的壽命[2]。因此，有必要研制一種高性能的超級電容器組管理系統，監測超級電容器組的單體電壓和溫度，并進行電壓均衡控制。目前的管理系統設計中常采用高精度A/D轉換器和多通道模擬開關或光耦繼電器等電路實現[3-4]。
LTC6803-4是凌力爾特（LTC）公司的第二代電池組監控芯片，內置一個12位高速A/D轉換器，能夠測量多達12節串聯電池組的電壓和溫度，可測量5 V以下單節電池電壓和溫度，最大總測量誤差小于5 mV[5]。通過運用一個可尋址的SPI串行總線接口，最多可以把16個LTC6803-4器件級聯起來，以監測多于12節的串聯電池組中每節電池的電壓。LTC6803-4自帶電壓均衡控制功能，可軟件設定均衡啟動電壓。
本文應用LTC6803-4設計了一種超級電容器組管理系統，系統以32位微處理器STM32F103為控制核心，實現對120節串聯超級電容器組單體電壓和溫度的監測及顯示，并對超級電容器組進行電壓均衡控制。實驗結果證明了該方法的有效性。
1 系統硬件設計
1.1 系統硬件總體框架
超級電容器組管理系統應具有對超級電容器組的單體電壓與溫度等信息的監測、電壓均衡、過壓與過流保護和數據通信等功能。超級電容器組管理系統的結構如圖1所示。
圖1 超級電容器組管理系統的結構框圖
每12節超級電容器構成一個超級電容器儲能單元，由一個監控單元負責監測超級電容器儲能單元中的單體電壓和溫度等信息，并對超級電容器組進行電壓均衡，10個監控單元（#1～#10）通過并行連接的數據總線與微處理器通信；微處理器從各監控單元依次讀取單體電壓、溫度數據，通過電流傳感器和電壓傳感器檢測超級電容器組的總電流和總電壓，經過數據處理后顯示在觸摸屏上，同時微處理器將采樣到的電壓、電流、溫度等信息與系統設定的報警值比較，通過控制充電開關和放電開關的吸合和關閉，防止超級電容器組過充電、過放電、過流、短路和溫度過高；可通過CAN總線與監控上位機通信，實現遠程監控。
微處理器選用ST公司基于Cotex-M3內核的32位微處理器STM32F103VET6，該微處理器具有片上外圍模塊豐富、功耗極低、開發方便等特點。STM32F103VET6具有80個獨立輸入/輸出引腳，3個通用異步串行通信接口（UART）和1個CAN總線接口，滿足本系統的設計需要。
1.2 監控單元電路
監控單元電路采用電池組監控芯片LTC6803-4。LTC6803-4與LTC6803-3的主要區別是通信接口方式不同。LTC6803-4采用可尋址的SPI串行接口總線方式，而LTC6803-3采用菊花鏈級聯方式[6]。監控單元電路的原理圖如圖2所示。
圖2 采用LTC6803-4的監控單元電路
LTC6803-4通過光電隔離器Si8441隔離的SPI總線與STM32微處理器通信，Si8441由5 V輸出的隔離DC/DC模塊供電，保證系統的安全性和抗干擾能力。
LTC6803-4的C0～C12為單體電壓檢測引腳，分別連接到12只超級電容器單體的兩端。C0接超級電容器單元的最低電壓端，C12接最高電壓端。
S1～S12引腳為電壓均衡控制引腳，分別控制與每個超級電容器并聯的均衡MOSFET VTn與均衡電阻Rn。當LTC6803-4檢測到某個超級電容器的單體電壓超過設定的上限值時，控制對應的MOSFET開通，通過均衡電阻放電，達到電壓均衡的目的。
V+、V-引腳為LTC6803-4的正、負電源引腳，采用寄生供電方式時，可直接從該芯片監控的12只串聯超級電容器單元取電。也可采用獨立供電方式，但要求電源電壓不低于被測超級電容器儲能單元的電壓。LTC6803-4的正常工作電流小于1 mA，在待機模式下功耗降至12 μA，有利于管理系統效率的提高。
VTEMP1和VTEMP2是兩路溫度檢測A/D接口，使用兩個100 kΩ的熱敏電阻（NTC）作為溫度傳感器，由VREF引腳提供3.065 V的電壓基準。
A0～A3為LTC6803-4的4位地址輸入口，可通過4位地址撥碼開關設置LTC6803-4的地址，地址設置范圍為0000～1001（二進制），以區分不同監控單元。
1.3 總電流和總電壓采集電路
根據應用系統對超級電容器組的技術要求，工作電壓為0~300 V，工作電流為-20 A~+20 A，設計總電壓和總電流采集電路。
總電流采集電路采用霍爾電流傳感器LA50-P。當測量電流為±20 A時，LA50-P的輸出Io經過200 Ω電阻轉換為-1.5 V～+1.5 V的電壓。由于STM32F103的A/D輸入范圍是0~+3.3 V，設計了一個電平移位電路將-1.5 V～+1.5 V電壓提升至0～+3.0 V。電平移位電路如圖3所示。
圖3 電平移位電路
總電壓采集電路采用閉環霍爾電壓傳感器模塊CHV-50P/400A，額定測量電壓為400 V；在-600 V～+600 V范圍內的測量精度為±0.8%；輸出電壓為0～+3.0 V，在STM32F103的A/D輸入范圍內。
1.4 觸摸屏模塊
觸摸屏模塊設計中選用10.4英寸工業級觸摸屏模塊TFT8060RS104BN，顯示超級電容器組的狀態信息，同時可接收用戶查詢與控制指令。TFT8060RS104BN模塊與STM32F103通過UART接口連接，實現指令和數據交換。
2 系統軟件設計
超級電容器組管理系統軟件流程圖如圖4所示。
圖4 系統軟件流程圖
管理系統軟件的主要完成STM32F103與LTC6803-4的SPI口通信，發送命令代碼和PEC校驗字節，實現寫入配置寄存器、讀出配置寄存器、啟動電壓轉換、讀電壓、讀溫度信息等操作，并將信息顯示在觸摸屏上。
LTC6803-4完成一次12節超級電容器電壓轉換僅需要13 ms，每次啟動轉換后都要延時13 ms后再讀取轉換結果。STM32F103按照各LTC6803-4監控單元的地址順序（0～9）依次讀取轉換結果。
3 測試結果與分析
選用120只360 F/2.7 V的超級電容器組進行充放電測試。STM32F103與LTC6803-4的SPI總線的通信速率為1 Mb/s，管理系統對120只超級電容器單體電壓巡檢的周期約為45 ms，能夠滿足應用系統對超級電容器組快速充、放電過程中電壓檢測速度的需要。
超級電容器單體的均衡電壓上限值設定為2.65 V，當單體電壓超過2.65 V時均衡MOSFET打開，開始電壓均衡，均衡電流為5 A。在充電測試中，采用1 000 V/50 A可調直流穩壓電源，充電模式為恒流-恒壓模式，充電電流限制在10.1 A，充電至總電壓達到312 V時進入恒壓充電狀態。整個充電過程中，均衡電路動作偏差小于20 mV。
在超級電容器組充電并均衡后，隨機選擇系統中一個監控單元LTC6803-4的測量數據與FLUKE萬用表F17B的測量結果進行比較，分析誤差。LTC6803-4和F17B測量的單體電壓數據如表1所示。經分析，單體電壓測量平均誤差為5.08 mV(0.19%)，最大誤差為6 mV(0.23%)，精度滿足對超級電容器組的單體電壓測量的要求。
本文提出的應用LTC6803-4設計的超級電容器組管理系統，可監測超級電容器組的單體電壓、溫度等信息，并對超級電容器組進行電壓均衡控制。系統已成功應用于智能電網斷路器操作電源中。本系統具有結構簡單、檢測精度高、速度快、功耗低等特點，能夠滿足串聯超級電容器組監控管理的技術要求。LTC6803-4芯片功能完整，擴展靈活，適合于不同種類、不同總電壓的串聯電池組管理系統，可推廣應用于電動公交、光伏發電等領域，具有廣闊的應用前景。
參考文獻
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