基于LTC6803-3的超級電容器組管理系統(tǒng)

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

超級電容器具有循環(huán)使用壽命長、充放電速度快、功率密度大等特點。由于單體電容量的差異，在數(shù)個充、放電循環(huán)后，單體電壓差異加大，導致超級電容器組輸出功率降低和老化加速。為此，提出了一種實用的基于電池組監(jiān)控芯片LTC6803-3 的超級電容器組管理系統(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)測和電壓均衡控制。介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件，測試了系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度。測試結果驗證了該方法的有效性

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

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

系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件總體框架

本文設計的超級電容器組管理系統(tǒng)的組成結構如圖 1 所示。每個超級電容器監(jiān)控單元檢測 12 節(jié)超級電容器單體電壓值和溫度值，并控制均衡電路對超級電容器組進行電壓均衡，10 個超級電容器監(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行顯示，同時微處理器將采樣到電壓、電流、溫度等信號與系統(tǒng)設定的報警點比較，通過充放電控制電路，控制相應的充電、放電接觸器開關 K1 或 K2的吸合和關閉，防止對超級電容器過充電、過放電、過流、短路和溫度過高;并可通過 CAN 總線與其他主機通信。

為了最大限度地利用微處理器端口和片內(nèi)外設資源并降低設計成本，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。具有 80 個獨立高速 I/O 引腳，內(nèi)置 2 個 12 位 A/D 轉換器，3 個通用異步串行通訊接口和 1 個 CAN 接口，可使用JTAG 口方便地進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)控單元電路的設計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 12 位 ADC，一個精準電壓基準，一個高電壓輸入多路復用器和一個 SPI 串行接口，能夠在輸入共模電壓高達 60 V 的條件下測量多達 12 個串聯(lián)電池或超級電容的電壓和溫度，最大總測量誤差小于 5 mV[5]。通過運用一個獨特的電平移位串行接口，可以把多個 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)測多于12 節(jié)的串聯(lián)超級電容器組中每節(jié)超級電容的電壓。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 只超級電容器，檢測每節(jié)超級電容器的電壓。C0 接串聯(lián)超級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，分別控制與每個超級電容器并聯(lián)的 MOSFET VTn 和均衡電阻 Rn，當某個超級電容器的單體電壓超過芯片配置寄存器設定的上限值時，LTC6803-3 自動控制開啟對應的 MOSFET，通過均衡電阻放電，達到電壓均衡的目的。盡管該均壓方案為能耗型均壓方式，但電路動作速度快，成本低。實際應用中發(fā)現(xiàn)，通過對超級電容器的篩選，超級電容器組需要進行電壓均衡動作的頻率較低，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、負電源引腳，可采用獨立供電方式給芯片提供工作電源，本設計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)超級電容器組獲取電，電路簡單。

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

CSBO、SDOI 和 SCKO 三個引腳是用于和高電壓端的LTC6803-3 芯片(CSBI、SDI、SCKI 引腳)級聯(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 芯片級聯(lián)。串聯(lián)的 3 只快速恢復二極管作用是防止電流反向，保護通信接口引腳。

LTC6803-3 的正常工作電源電流不足 1 mA，在待機模式下，電源電流減小至 12 mA，大大降低了整個超級電容器組管理系統(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)應用系統(tǒng)對超級電容器組的要求，超級電容組電壓范圍 0~300 V，電流范圍為-20~+20 A?？傠娏鞑杉娐凡捎肔EM 霍爾電流傳感器 LA50-P，當測量電流為±20 A 時，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，設計了一個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)的測量需求。

觸摸屏模塊

本設計中選用武漢谷鑫科技的 10.4 寸工業(yè)級觸摸屏模塊TFT8060RS104BN 作為人機接口，用于顯示超級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 的驅動采用 UART 接口，與 STM32F103 的 UART0 連接，實現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)交換。

CAN 總線通訊模塊

通訊模塊實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場微處理器之間的長距離數(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 總線接口驅動芯片 PCA82C250 的 TXD 和 RXD 相連。

系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計的核心任務是控制 STM32F103 通過 SPI 口與 LTC6803-3 通信，發(fā)送命令代碼和 PEC 校驗字節(jié)，實現(xiàn)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。LTC6803-3 完成一次 12 節(jié)超級電容器電壓轉換僅需要 13 ms，SPI 通信速率設定為 1 Mb/s。系統(tǒng)軟件流程如圖 4 所示。

測試結果與分析

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

充電均衡測試中，系統(tǒng)的均衡電壓上限設定為 2.67 V，當超級電容器單體電壓超過 2.67 V 時，放電 MOSFET 打開，啟動電壓均衡;電壓低于 2.65 V 時，放電 MOSFET 關閉，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，充電至總電壓達到 312 V 時進入恒壓充電狀態(tài)，整個充電過程中，均衡電路動作偏差小于 20 mV。

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

在超級電容器組充電并均衡后，將系統(tǒng)中 LTC6803-3 測量的數(shù)據(jù)與 FLUKE 萬用表 F17B 的測量結果進行誤差分析。LTC6803-3 和 F17B 測量的其中一個超級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)手冊中的 0.25%最大總測量誤差相接近，發(fā)揮了芯片內(nèi)部 12 位 ADC 的性能，精度滿足超級電容器組單體電壓測量的要求。

本文提出的基于 LTC6803-3 的超級電容器組管理系統(tǒng)已成功應用于智能電網(wǎng)斷路器操作電源中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運行良好。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 實時采集超級電容器組的單體電壓、溫度等狀態(tài)信息，并對超級電容器組進行電壓均衡控制，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通信，實現(xiàn)遠程監(jiān)控管理。本系統(tǒng)結構簡單、運行可靠、檢測精度高，均衡動作快速，能夠很好地滿足不同領域對串聯(lián)超級電容器組監(jiān)控管理的技術要求，可廣泛應用于電動公交、智能電網(wǎng)等場合，具有重要的實用意義。