超級電容器與其他電化學(xué)蓄電池相比，在充放電過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有充放電速度快、功率密度大、工作溫度范圍寬、循環(huán)使用壽命長等特點(diǎn)，可應(yīng)用于微電網(wǎng)、電動公交等領(lǐng)域^[1]。由于超級電容器的單體額定電壓低于3 V，多數(shù)應(yīng)用中需要串聯(lián)構(gòu)成超級電容器組。受到容量偏差、漏電流及等效串聯(lián)電阻（ESR）等因素的影響，在循環(huán)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(dǎo)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(tǒng)，監(jiān)測超級電容器組的單體電壓和溫度，并進(jìn)行電壓均衡控制。目前的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器和多通道模擬開關(guān)或光耦繼電器等電路實(shí)現(xiàn)^[3-4]。

        LTC6803-4是凌力爾特（LTC）公司的第二代電池組監(jiān)控芯片，內(nèi)置一個12位高速A/D轉(zhuǎn)換器，能夠測量多達(dá)12節(jié)串聯(lián)電池組的電壓和溫度，可測量5 V以下單節(jié)電池電壓和溫度，最大總測量誤差小于5 mV^[5]。通過運(yùn)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(lián)起來，以監(jiān)測多于12節(jié)的串聯(lián)電池組中每節(jié)電池的電壓。LTC6803-4自帶電壓均衡控制功能，可軟件設(shè)定均衡啟動電壓。

        本文應(yīng)用LTC6803-4設(shè)計(jì)了一種超級電容器組管理系統(tǒng)，系統(tǒng)以32位微處理器STM32F103為控制核心，實(shí)現(xiàn)對120節(jié)串聯(lián)超級電容器組單體電壓和溫度的監(jiān)測及顯示，并對超級電容器組進(jìn)行電壓均衡控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件總體框架

        超級電容器組管理系統(tǒng)應(yīng)具有對超級電容器組的單體電壓與溫度等信息的監(jiān)測、電壓均衡、過壓與過流保護(hù)和數(shù)據(jù)通信等功能。超級電容器組管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

                                                            圖1  超級電容器組管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

        每12節(jié)超級電容器構(gòu)成一個超級電容器儲能單元，由一個監(jiān)控單元負(fù)責(zé)監(jiān)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(jìn)行電壓均衡，10個監(jiān)控單元（#1～#10）通過并行連接的數(shù)據(jù)總線與微處理器通信；微處理器從各監(jiān)控單元依次讀取單體電壓、溫度數(shù)據(jù)，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(jīng)過數(shù)據(jù)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(tǒng)設(shè)定的報警值比較，通過控制充電開關(guān)和放電開關(guān)的吸合和關(guān)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(jiān)控上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

        微處理器選用ST公司基于Cotex-M3內(nèi)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(fā)方便等特點(diǎn)。STM32F103VET6具有80個獨(dú)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(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

1.2 監(jiān)控單元電路

        監(jiān)控單元電路采用電池組監(jiān)控芯片LTC6803-4。LTC6803-4與LTC6803-3的主要區(qū)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(lián)方式[6]。監(jiān)控單元電路的原理圖如圖2所示。

                                                           圖2  采用LTC6803-4的監(jiān)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(tǒng)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(lián)的均衡MOSFET VT_n與均衡電阻R_n。當(dāng)LTC6803-4檢測到某個超級電容器的單體電壓超過設(shè)定的上限值時，控制對應(yīng)的MOSFET開通，通過均衡電阻放電，達(dá)到電壓均衡的目的。

        V+、V-引腳為LTC6803-4的正、負(fù)電源引腳，采用寄生供電方式時，可直接從該芯片監(jiān)控的12只串聯(lián)超級電容器單元取電。也可采用獨(dú)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(jī)模式下功耗降至12 μA，有利于管理系統(tǒng)效率的提高。

        V_TEMP1和V_TEMP2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V_REF引腳提供3.065 V的電壓基準(zhǔn)。

        A₀～A₃為LTC6803-4的4位地址輸入口，可通過4位地址撥碼開關(guān)設(shè)置LTC6803-4的地址，地址設(shè)置范圍為0000～1001（二進(jìn)制），以區(qū)分不同監(jiān)控單元。

1.3 總電流和總電壓采集電路

        根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對超級電容器組的技術(shù)要求，工作電壓為0~300 V，工作電流為-20 A~+20 A，設(shè)計(jì)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(dāng)測量電流為±20 A時，LA50-P的輸出I_o經(jīng)過200 Ω電阻轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(huán)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(nèi)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(nèi)。

1.4 觸摸屏模塊

        觸摸屏模塊設(shè)計(jì)中選用10.4英寸工業(yè)級觸摸屏模塊TFT8060RS104BN，顯示超級電容器組的狀態(tài)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(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)交換。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        超級電容器組管理系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

                                                                       圖4  系統(tǒng)軟件流程圖

        管理系統(tǒng)軟件的主要完成STM32F103與LTC6803-4的SPI口通信，發(fā)送命令代碼和PEC校驗(yàn)字節(jié)，實(shí)現(xiàn)寫入配置寄存器、讀出配置寄存器、啟動電壓轉(zhuǎn)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(jié)超級電容器電壓轉(zhuǎn)換僅需要13 ms，每次啟動轉(zhuǎn)換后都要延時13 ms后再讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。STM32F103按照各LTC6803-4監(jiān)控單元的地址順序（0～9）依次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

3 測試結(jié)果與分析

        選用120只360 F/2.7 V的超級電容器組進(jìn)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(tǒng)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(yīng)用系統(tǒng)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(shè)定為2.65 V，當(dāng)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(diào)直流穩(wěn)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(dá)到312 V時進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)。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(jī)選擇系統(tǒng)中一個監(jiān)控單元LTC6803-4的測量數(shù)據(jù)與FLUKE萬用表F17B的測量結(jié)果進(jìn)行比較，分析誤差。LTC6803-4和F17B測量的單體電壓數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)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(yīng)用LTC6803-4設(shè)計(jì)的超級電容器組管理系統(tǒng)，可監(jiān)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(jìn)行電壓均衡控制。系統(tǒng)已成功應(yīng)用于智能電網(wǎng)斷路器操作電源中。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測精度高、速度快、功耗低等特點(diǎn)，能夠滿足串聯(lián)超級電容器組監(jiān)控管理的技術(shù)要求。LTC6803-4芯片功能完整，擴(kuò)展靈活，適合于不同種類、不同總電壓的串聯(lián)電池組管理系統(tǒng)，可推廣應(yīng)用于電動公交、光伏發(fā)電等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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