文献标识码： B
文章编号： 0258-7998(2014)06-0052-03
超级电容器与其他电化学蓄电池相比，在充放电过程中不发生化学反应，具有充放电速度快、功率密度大、工作温度范围宽、循环使用寿命长等特点，可应用于微电网、电动公交等领域[1]。由于超级电容器的单体额定电压低于3 V，多数应用中需要串联构成超级电容器组。受到容量偏差、漏电流及等效串联电阻（ESR）等因素的影响，在循环使用中各个超级电容器单体电压差会增大，如果不采取必要的均衡和管理措施，会导致超级电容器组的储能效率降低，影响超级电容器的寿命[2]。因此，有必要研制一种高性能的超级电容器组管理系统，监测超级电容器组的单体电压和温度，并进行电压均衡控制。目前的管理系统设计中常采用高精度A/D转换器和多通道模拟开关或光耦继电器等电路实现[3-4]。
LTC6803-4是凌力尔特（LTC）公司的第二代电池组监控芯片，内置一个12位高速A/D转换器，能够测量多达12节串联电池组的电压和温度，可测量5 V以下单节电池电压和温度，最大总测量误差小于5 mV[5]。通过运用一个可寻址的SPI串行总线接口，最多可以把16个LTC6803-4器件级联起来，以监测多于12节的串联电池组中每节电池的电压。LTC6803-4自带电压均衡控制功能，可软件设定均衡启动电压。
本文应用LTC6803-4设计了一种超级电容器组管理系统，系统以32位微处理器STM32F103为控制核心，实现对120节串联超级电容器组单体电压和温度的监测及显示，并对超级电容器组进行电压均衡控制。实验结果证明了该方法的有效性。
1 系统硬件设计
1.1 系统硬件总体框架
超级电容器组管理系统应具有对超级电容器组的单体电压与温度等信息的监测、电压均衡、过压与过流保护和数据通信等功能。超级电容器组管理系统的结构如图1所示。
图1 超级电容器组管理系统的结构框图
每12节超级电容器构成一个超级电容器储能单元，由一个监控单元负责监测超级电容器储能单元中的单体电压和温度等信息，并对超级电容器组进行电压均衡，10个监控单元（#1～#10）通过并行连接的数据总线与微处理器通信；微处理器从各监控单元依次读取单体电压、温度数据，通过电流传感器和电压传感器检测超级电容器组的总电流和总电压，经过数据处理后显示在触摸屏上，同时微处理器将采样到的电压、电流、温度等信息与系统设定的报警值比较，通过控制充电开关和放电开关的吸合和关闭，防止超级电容器组过充电、过放电、过流、短路和温度过高；可通过CAN总线与监控上位机通信，实现远程监控。
微处理器选用ST公司基于Cotex-M3内核的32位微处理器STM32F103VET6，该微处理器具有片上外围模块丰富、功耗极低、开发方便等特点。STM32F103VET6具有80个独立输入/输出引脚，3个通用异步串行通信接口（UART）和1个CAN总线接口，满足本系统的设计需要。
1.2 监控单元电路
监控单元电路采用电池组监控芯片LTC6803-4。LTC6803-4与LTC6803-3的主要区别是通信接口方式不同。LTC6803-4采用可寻址的SPI串行接口总线方式，而LTC6803-3采用菊花链级联方式[6]。监控单元电路的原理图如图2所示。
图2 采用LTC6803-4的监控单元电路
LTC6803-4通过光电隔离器Si8441隔离的SPI总线与STM32微处理器通信，Si8441由5 V输出的隔离DC/DC模块供电，保证系统的安全性和抗干扰能力。
LTC6803-4的C0～C12为单体电压检测引脚，分别连接到12只超级电容器单体的两端。C0接超级电容器单元的最低电压端，C12接最高电压端。
S1～S12引脚为电压均衡控制引脚，分别控制与每个超级电容器并联的均衡MOSFET VTn与均衡电阻Rn。当LTC6803-4检测到某个超级电容器的单体电压超过设定的上限值时，控制对应的MOSFET开通，通过均衡电阻放电，达到电压均衡的目的。
V+、V-引脚为LTC6803-4的正、负电源引脚，采用寄生供电方式时，可直接从该芯片监控的12只串联超级电容器单元取电。也可采用独立供电方式，但要求电源电压不低于被测超级电容器储能单元的电压。LTC6803-4的正常工作电流小于1 mA，在待机模式下功耗降至12 μA，有利于管理系统效率的提高。
VTEMP1和VTEMP2是两路温度检测A/D接口，使用两个100 kΩ的热敏电阻（NTC）作为温度传感器，由VREF引脚提供3.065 V的电压基准。
A0～A3为LTC6803-4的4位地址输入口，可通过4位地址拨码开关设置LTC6803-4的地址，地址设置范围为0000～1001（二进制），以区分不同监控单元。
1.3 总电流和总电压采集电路
根据应用系统对超级电容器组的技术要求，工作电压为0~300 V，工作电流为-20 A~+20 A，设计总电压和总电流采集电路。
总电流采集电路采用霍尔电流传感器LA50-P。当测量电流为±20 A时，LA50-P的输出Io经过200 Ω电阻转换为-1.5 V～+1.5 V的电压。由于STM32F103的A/D输入范围是0~+3.3 V，设计了一个电平移位电路将-1.5 V～+1.5 V电压提升至0～+3.0 V。电平移位电路如图3所示。
图3 电平移位电路
总电压采集电路采用闭环霍尔电压传感器模块CHV-50P/400A，额定测量电压为400 V；在-600 V～+600 V范围内的测量精度为±0.8%；输出电压为0～+3.0 V，在STM32F103的A/D输入范围内。
1.4 触摸屏模块
触摸屏模块设计中选用10.4英寸工业级触摸屏模块TFT8060RS104BN，显示超级电容器组的状态信息，同时可接收用户查询与控制指令。TFT8060RS104BN模块与STM32F103通过UART接口连接，实现指令和数据交换。
2 系统软件设计
超级电容器组管理系统软件流程图如图4所示。
图4 系统软件流程图
管理系统软件的主要完成STM32F103与LTC6803-4的SPI口通信，发送命令代码和PEC校验字节，实现写入配置寄存器、读出配置寄存器、启动电压转换、读电压、读温度信息等操作，并将信息显示在触摸屏上。
LTC6803-4完成一次12节超级电容器电压转换仅需要13 ms，每次启动转换后都要延时13 ms后再读取转换结果。STM32F103按照各LTC6803-4监控单元的地址顺序（0～9）依次读取转换结果。
3 测试结果与分析
选用120只360 F/2.7 V的超级电容器组进行充放电测试。STM32F103与LTC6803-4的SPI总线的通信速率为1 Mb/s，管理系统对120只超级电容器单体电压巡检的周期约为45 ms，能够满足应用系统对超级电容器组快速充、放电过程中电压检测速度的需要。
超级电容器单体的均衡电压上限值设定为2.65 V，当单体电压超过2.65 V时均衡MOSFET打开，开始电压均衡，均衡电流为5 A。在充电测试中，采用1 000 V/50 A可调直流稳压电源，充电模式为恒流-恒压模式，充电电流限制在10.1 A，充电至总电压达到312 V时进入恒压充电状态。整个充电过程中，均衡电路动作偏差小于20 mV。
在超级电容器组充电并均衡后，随机选择系统中一个监控单元LTC6803-4的测量数据与FLUKE万用表F17B的测量结果进行比较，分析误差。LTC6803-4和F17B测量的单体电压数据如表1所示。经分析，单体电压测量平均误差为5.08 mV(0.19%)，最大误差为6 mV(0.23%)，精度满足对超级电容器组的单体电压测量的要求。
本文提出的应用LTC6803-4设计的超级电容器组管理系统，可监测超级电容器组的单体电压、温度等信息，并对超级电容器组进行电压均衡控制。系统已成功应用于智能电网断路器操作电源中。本系统具有结构简单、检测精度高、速度快、功耗低等特点，能够满足串联超级电容器组监控管理的技术要求。LTC6803-4芯片功能完整，扩展灵活，适合于不同种类、不同总电压的串联电池组管理系统，可推广应用于电动公交、光伏发电等领域，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 王鑫，郭佳欢，谢清华.超级电容器在微电网中的应用[J].电网与清洁能源，2009，25(6)：18-22.
[2] LU R，ZHU C，TIAN L，et al.Super-capacitor stacks management system with dynamic equalization techniques[J].Magnetics，IEEE Transactions on，2007，43(1)：254-258.
[3] 位俊雷.用于电动汽车的超级电容器组管理系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[4] 余清琴.超级电容器组巡检系统的设计与实现[D].北京：华北电力大学(北京)，2011.
[5] 徐昕晨，彭月祥，邢晓乔.LTC6802-2在高压锂电池组测控系统中的应用[J].电源技术，2012，36(6)：806-809.
[6] 王波.基于LTC6803的电池管理系统的设计[J].电源技术，2013，37(7)：1188-1189.