基于LTC6803-3的超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)

超級(jí)電容器從儲(chǔ)能機(jī)理上面分的話，超級(jí)電容器分為雙電層電容器和贗電容器。是一種新型儲(chǔ)能裝置，它具有功率密度高、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。超級(jí)電容器用途廣泛。

超級(jí)電容器具有循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、充放電速度快、功率密度大等特點(diǎn)。由于單體電容量的差異，在數(shù)個(gè)充、放電循環(huán)后，單體電壓差異加大，導(dǎo)致超級(jí)電容器組輸出功率降低和老化加速。為此，提出了一種實(shí)用的基于電池組監(jiān)控芯片LTC6803-3 的超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用 STM32F103 為控制核心，主要功能包含電容器組的單體電壓、溫度、電流監(jiān)測(cè)和電壓均衡控制。介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件，測(cè)試了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和精度。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性

超級(jí)電容器是近年來新興的一種電力儲(chǔ)能器件，它具有循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、充放電速度快、功率密度大等特點(diǎn)，在智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域已得到廣泛關(guān)注。由于超級(jí)電容器單體電壓較低，在實(shí)際應(yīng)用中需要大量超級(jí)電容器的串聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容器組，受到電容器容量的偏差、漏電流及ESR 的影響，各個(gè)單體電容器上電壓差較大，如果不采用必要的均壓措施，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)超級(jí)電容器組的儲(chǔ)能效率降低。另外過高的電壓、溫度都會(huì)降低超級(jí)電容器的壽命。因此，研制高性能的超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)對(duì)于提高超級(jí)電容器的使用壽命，提升超級(jí)電容器組的儲(chǔ)能效率是十分必要的。

超級(jí)電容器組管理系統(tǒng) 應(yīng)具有對(duì)超級(jí)電容器組的電壓、溫度等信息采集和電壓均衡的功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器和多通道模擬開關(guān)或光耦繼電器電路實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于電池組監(jiān)控芯片 LTC6803-3 的超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用 Cotex-M3 內(nèi) 核 的 32 位 微 處 理 器STM32F103 為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì) 120 節(jié)串聯(lián)超級(jí)電容器組單體電壓和溫度的檢測(cè)及顯示，對(duì)超級(jí)電容器組的充、放電過程進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，并通過 LTC6803-3 內(nèi)部的均壓控制邏輯電路實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器組的電壓均衡控制。系統(tǒng)應(yīng)用于智能電網(wǎng)的斷路器操作電源。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體框架

本文設(shè)計(jì)的超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。每個(gè)超級(jí)電容器監(jiān)控單元檢測(cè) 12 節(jié)超級(jí)電容器單體電壓值和溫度值，并控制均衡電路對(duì)超級(jí)電容器組進(jìn)行電壓均衡，10 個(gè)超級(jí)電容器監(jiān)控單元通過通信總線與微處理器交換數(shù)據(jù)信息;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獲取電容器組的總電流和總電壓，經(jīng)過內(nèi)部處理后用觸摸屏進(jìn)行顯示，同時(shí)微處理器將采樣到電壓、電流、溫度等信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警點(diǎn)比較，通過充放電控制電路，控制相應(yīng)的充電、放電接觸器開關(guān) K1 或 K2的吸合和關(guān)閉，防止對(duì)超級(jí)電容器過充電、過放電、過流、短路和溫度過高;并可通過 CAN 總線與其他主機(jī)通信。

為了最大限度地利用微處理器端口和片內(nèi)外設(shè)資源并降低設(shè)計(jì)成本，本系統(tǒng)選用 ST 公司基于 Cotex-M3 內(nèi)核的 32 位微處理器 STM32F103VET6，該微處理器具有極低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)方式等特點(diǎn)。具有 80 個(gè)獨(dú)立高速 I/O 引腳，內(nèi)置 2 個(gè) 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，3 個(gè)通用異步串行通訊接口和 1 個(gè) CAN 接口，可使用JTAG 口方便地進(jìn)行程序的下載和仿真調(diào)試，完全滿足本系統(tǒng)高手控制與數(shù)據(jù)處理的需要

監(jiān)控單元電路

監(jiān)控單元電路的設(shè)計(jì)采用凌力爾特公司的新一代電池組監(jiān)控芯片 LTC6803-3，LTC6803-3 是該公司的第二代完整電池組監(jiān)控 IC，芯片內(nèi)置一個(gè) 12 位 ADC，一個(gè)精準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)，一個(gè)高電壓輸入多路復(fù)用器和一個(gè) SPI 串行接口，能夠在輸入共模電壓高達(dá) 60 V 的條件下測(cè)量多達(dá) 12 個(gè)串聯(lián)電池或超級(jí)電容的電壓和溫度，最大總測(cè)量誤差小于 5 mV[5]。通過運(yùn)用一個(gè)獨(dú)特的電平移位串行接口，可以把多個(gè) LTC6803-3 器件以菊花鏈形式串聯(lián)起來，無需使用管耦合器或隔離器，以監(jiān)測(cè)多于12 節(jié)的串聯(lián)超級(jí)電容器組中每節(jié)超級(jí)電容的電壓。采用LTC6803-3 的監(jiān)控單元電路原理圖見圖 2。

LTC6803-3 通過光電隔離器 Si8441 隔離的 SPI 總線與STM32 微處理器的 SPI 接口連接，光電隔離器 Si8441 由 5 V隔離 DC/DC 模塊供電，保證 DC 1 500 V 的隔離電壓，提高了系統(tǒng)的安全性和抗干擾能力。

LTC6803-3 的 C0～C12 引腳連接 12 只超級(jí)電容器，檢測(cè)每節(jié)超級(jí)電容器的電壓。C0 接串聯(lián)超級(jí)電容器組的低電壓端，C12 接高電壓端。S1～S12 引腳為均衡放電控制引腳，分別控制與每個(gè)超級(jí)電容器并聯(lián)的 MOSFET VTn 和均衡電阻 Rn，當(dāng)某個(gè)超級(jí)電容器的單體電壓超過芯片配置寄存器設(shè)定的上限值時(shí)，LTC6803-3 自動(dòng)控制開啟對(duì)應(yīng)的 MOSFET，通過均衡電阻放電，達(dá)到電壓均衡的目的。盡管該均壓方案為能耗型均壓方式，但電路動(dòng)作速度快，成本低。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)超級(jí)電容器的篩選，超級(jí)電容器組需要進(jìn)行電壓均衡動(dòng)作的頻率較低，均衡電路的功率損耗處在系統(tǒng)可以接受范圍之內(nèi)。

V+、V- 引腳為 LTC6803-3 的正、負(fù)電源引腳，可采用獨(dú)立供電方式給芯片提供工作電源，本設(shè)計(jì)中采用的是寄生供電方式，直接從該芯片監(jiān)控的 12 只串聯(lián)超級(jí)電容器組獲取電，電路簡(jiǎn)單。

VTEMP1 和 VTEMP2 接口是兩個(gè)通用 12 位 A/D 接口，可用于溫度檢測(cè)，本設(shè)計(jì)中接入了兩個(gè) 100k 的 NTC 熱敏電阻以監(jiān)測(cè)超級(jí)電容器組溫度及環(huán)境溫度，由 VREF 引腳提供 3.065 V 的電壓基準(zhǔn)。

CSBO、SDOI 和 SCKO 三個(gè)引腳是用于和高電壓端的LTC6803-3 芯片(CSBI、SDI、SCKI 引腳)級(jí)聯(lián)通信的 SPI 接口，形成菊花鏈連接。在本系統(tǒng)中，采用 10 片 LTC6803-3 芯片級(jí)聯(lián)。串聯(lián)的 3 只快速恢復(fù)二極管作用是防止電流反向，保護(hù)通信接口引腳。

LTC6803-3 的正常工作電源電流不足 1 mA，在待機(jī)模式下，電源電流減小至 12 mA，大大降低了整個(gè)超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)的功耗，提高了系統(tǒng)的效率。

總電流和總電壓采集電路

根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容器組的要求，超級(jí)電容組電壓范圍 0~300 V，電流范圍為-20~+20 A。總電流采集電路采用LEM 霍爾電流傳感器 LA50-P，當(dāng)測(cè)量電流為±20 A 時(shí)，輸出電 壓 ±1.5 V， 但 是 STM32F103 的 A/D 輸 入 口 只 能 接 收0~+3.3 V 的正向電壓，因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)加法器將電流傳感器輸出的電壓從-1.5～+1.5 V 提升至 0～+3.0 V。電流傳感器電壓調(diào)理電路如圖 3 所示。

超級(jí)電容器組總電壓的采集采用北京森社電子有限公司的閉環(huán)霍爾電壓傳感器模塊 CHV-50P/400 A。該模塊額定電壓：400 V;VN 測(cè)量范圍：0～±600 V;精度為 VN 的±0.8%;輸出電壓：0～+3.0 V，滿足系統(tǒng)的測(cè)量需求。

觸摸屏模塊

本設(shè)計(jì)中選用武漢谷鑫科技的 10.4 寸工業(yè)級(jí)觸摸屏模塊TFT8060RS104BN 作為人機(jī)接口，用于顯示超級(jí)電容器組的單體電壓、單元溫度、總電壓、總電流、剩余能量和故障狀態(tài)等信息以及接收用戶查詢與控制指令。TFT8060RS104BN 的驅(qū)動(dòng)采用 UART 接口，與 STM32F103 的 UART0 連接，實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)交換。

CAN 總線通訊模塊

通訊模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)微處理器之間的長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)通訊。采用 STM32F103 微處理器內(nèi)部集成的 CAN 總線控制器。CAN 總線控制器發(fā)送輸出端 TX 與接收輸入端 RX 分別經(jīng)高速集成光電耦合器 6N137 隔離后，與 CAN 總線接口驅(qū)動(dòng)芯片 PCA82C250 的 TXD 和 RXD 相連。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是控制 STM32F103 通過 SPI 口與 LTC6803-3 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(dòng)電壓轉(zhuǎn)換、讀電壓、讀溫度信息等操作。LTC6803-3 完成一次 12 節(jié)超級(jí)電容器電壓轉(zhuǎn)換僅需要 13 ms，SPI 通信速率設(shè)定為 1 Mb/s。系統(tǒng)軟件流程如圖 4 所示。

測(cè)試結(jié)果與分析

本系統(tǒng)選用 120 只 360 F/2.7 V 的超級(jí)電容器串聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容器組。超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)測(cè)試照片如圖 5 所示。圖5 中左側(cè)為 1 000 V/50 A 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，右側(cè)為超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)。

充電均衡測(cè)試中，系統(tǒng)的均衡電壓上限設(shè)定為 2.67 V，當(dāng)超級(jí)電容器單體電壓超過 2.67 V 時(shí)，放電 MOSFET 打開，啟動(dòng)電壓均衡;電壓低于 2.65 V 時(shí)，放電 MOSFET 關(guān)閉，均衡電流 5 A。充電模式選擇恒流 - 恒壓模式，充電電流限制在 10.1A，充電至總電壓達(dá)到 312 V 時(shí)進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)，整個(gè)充電過程中，均衡電路動(dòng)作偏差小于 20 mV。

系統(tǒng)對(duì) 120 只超級(jí)電容器單體電壓巡檢的周期約為 20ms，能夠滿足對(duì)超級(jí)電容器組快速充、放電過程中電壓檢測(cè)速度的需要。

在超級(jí)電容器組充電并均衡后，將系統(tǒng)中 LTC6803-3 測(cè)量的數(shù)據(jù)與 FLUKE 萬用表 F17B 的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析。LTC6803-3 和 F17B 測(cè)量的其中一個(gè)超級(jí)電容器單元的單體電壓數(shù)據(jù)如表 1 所示。分析得出平均誤差為 5.17 mV(0.19%)，最大誤差 7 mV(0.26%)，與 LTC6803-3 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 0.25%最大總測(cè)量誤差相接近，發(fā)揮了芯片內(nèi)部 12 位 ADC 的性能，精度滿足超級(jí)電容器組單體電壓測(cè)量的要求。

本文提出的基于 LTC6803-3 的超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于智能電網(wǎng)斷路器操作電源中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運(yùn)行良好。系統(tǒng)以 STM32F103 微處理器為控制核心，采用電池組監(jiān)控管理芯片 LTC6803-3 實(shí)時(shí)采集超級(jí)電容器組的單體電壓、溫度等狀態(tài)信息，并對(duì)超級(jí)電容器組進(jìn)行電壓均衡控制，通過觸摸屏顯示狀態(tài)參數(shù)和接收用戶指令，也可以通過 CAN總線通信模塊與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、檢測(cè)精度高，均衡動(dòng)作快速，能夠很好地滿足不同領(lǐng)域?qū)Υ?lián)超級(jí)電容器組監(jiān)控管理的技術(shù)要求，可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)公交、智能電網(wǎng)等場(chǎng)合，具有重要的實(shí)用意義。