以32位微处理器为控制核心的超级电容器组管理系统
eeskill 2022-09-30

在传统的能量供应系统中,电池作为主要的储能单元被广泛使用。随着科学技术的发展和保护环境的需求,超级电容器因其容量大、寿命长、放电速度快、工作温度范围宽、可以串并联使用等优点而备受关注。

在混合动力汽车能量供应系统中,电池储能系统存在着诸如低温特性不好,在恶劣环境下的寿命低,很难做到释放大电流等缺陷。而超级电容器恰恰具备上述优势,不仅可以提供短时间的高功率脉冲,而且还具有优良的低温性质、较高的寿命和极好的内阻特性。因此超级电容器在混合动力汽车上得到广泛的应用。

针对超级电容器在串联使用过程中存在的单体电压差异大而导致超级电容器组的储能效率降低和加速老化的问题,提出了一种应用电池组监控芯片LTC6803-4的超级电容器组管理系统,实现超级电容器组的单体电压、温度监测和电压均衡等功能。实验结果表明,该方法检测精度高,速度快,功耗低,可对串联超级电容器组进行有效的监控和管理。

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。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。

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。

系统硬件设计系统硬件总体框架

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一所示。

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。

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。监控单元电路的原理图如图2所示。

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。

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