在傳統(tǒng)的能量供應(yīng)系統(tǒng)中，電池作為主要的儲(chǔ)能單元被廣泛使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和保護(hù)環(huán)境的需求，超級(jí)電容器因其容量大、壽命長(zhǎng)、放電速度快、工作溫度范圍寬、可以串并聯(lián)使用等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。

在混合動(dòng)力汽車能量供應(yīng)系統(tǒng)中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)存在著諸如低溫特性不好，在惡劣環(huán)境下的壽命低，很難做到釋放大電流等缺陷。而超級(jí)電容器恰恰具備上述優(yōu)勢(shì)，不僅可以提供短時(shí)間的高功率脈沖，而且還具有優(yōu)良的低溫性質(zhì)、較高的壽命和極好的內(nèi)阻特性。因此超級(jí)電容器在混合動(dòng)力汽車上得到廣泛的應(yīng)用。

針對(duì)超級(jí)電容器在串聯(lián)使用過程中存在的單體電壓差異大而導(dǎo)致超級(jí)電容器組的儲(chǔ)能效率降低和加速老化的問題，提出了一種應(yīng)用電池組監(jiān)控芯片LTC6803-4的超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器組的單體電壓、溫度監(jiān)測(cè)和電壓均衡等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法檢測(cè)精度高，速度快，功耗低，可對(duì)串聯(lián)超級(jí)電容器組進(jìn)行有效的監(jiān)控和管理。

超級(jí)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(zhǎng)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于微電網(wǎng)、電動(dòng)公交等領(lǐng)域。由于超級(jí)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(jí)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(gè)超級(jí)電容器單體電壓差會(huì)增大，如果不采取必要的均衡和管理措施，會(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容器組的儲(chǔ)能效率降低，影響超級(jí)電容器的壽命［2］。因此，有必要研制一種高性能的超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)超級(jí)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)。

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(gè)12位高速A/D轉(zhuǎn)換器，能夠測(cè)量多達(dá)12節(jié)串聯(lián)電池組的電壓和溫度，可測(cè)量5 V以下單節(jié)電池電壓和溫度，最大總測(cè)量誤差小于5 mV［5］。通過運(yùn)用一個(gè)可尋址的SPI串行總線接口，最多可以把16個(gè)LTC6803-4器件級(jí)聯(lián)起來，以監(jiān)測(cè)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(dòng)電壓。

本文應(yīng)用LTC6803-4設(shè)計(jì)了一種超級(jí)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(duì)120節(jié)串聯(lián)超級(jí)電容器組單體電壓和溫度的監(jiān)測(cè)及顯示，并對(duì)超級(jí)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。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體框架

超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)超級(jí)電容器組的單體電壓與溫度等信息的監(jiān)測(cè)、電壓均衡、過壓與過流保護(hù)和數(shù)據(jù)通信等功能。超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖一所示。

每12節(jié)超級(jí)電容器構(gòu)成一個(gè)超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元，由一個(gè)監(jiān)控單元負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元中的單體電壓和溫度等信息，并對(duì)超級(jí)電容器組進(jìn)行電壓均衡，10個(gè)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(cè)超級(jí)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(shí)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(bào)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(jí)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(gè)獨(dú)立輸入/輸出引腳，3個(gè)通用異步串行通信接口（UART）和1個(gè)CAN總線接口，滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

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(jí)聯(lián)方式。監(jiān)控單元電路的原理圖如圖2所示。

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(cè)引腳，分別連接到12只超級(jí)電容器單體的兩端。C0接超級(jí)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(gè)超級(jí)電容器并聯(lián)的均衡MOSFET VTn與均衡電阻Rn。當(dāng)LTC6803-4檢測(cè)到某個(gè)超級(jí)電容器的單體電壓超過設(shè)定的上限值時(shí)，控制對(duì)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L(zhǎng)TC6803-4的正、負(fù)電源引腳，采用寄生供電方式時(shí)，可直接從該芯片監(jiān)控的12只串聯(lián)超級(jí)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(cè)超級(jí)電容器儲(chǔ)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。

VTEMP1和VTEMP2是兩路溫度檢測(cè)A/D接口，使用兩個(gè)100 kΩ的熱敏電阻（NTC）作為溫度傳感器，由VREF引腳提供3.065 V的電壓基準(zhǔn)。

A0～A3為L(zhǎng)TC6803-4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。

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(cè)量電流為±20 A時(shí)，LA50-P的輸出Io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(gè)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。

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(cè)量電壓為400 V；在-600 V～+600 V范圍內(nèi)的測(cè)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)

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(jí)觸摸屏模塊TFT8060RS104BN，顯示超級(jí)電容器組的狀態(tài)信息，同時(shí)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。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

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(dòng)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(jí)電容器電壓轉(zhuǎn)換僅需要13 ms，每次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后都要延時(shí)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。

測(cè)試結(jié)果與分析

選用120只360 F/2.7 V的超級(jí)電容器組進(jìn)行充放電測(cè)試。STM32F103與LTC6803-4的SPI總線的通信速率為1 Mb/s，管理系統(tǒng)對(duì)120只超級(jí)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(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。

超級(jí)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(shí)均衡MOSFET打開，開始電壓均衡，均衡電流為5 A。在充電測(cè)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(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。

在超級(jí)電容器組充電并均衡后，隨機(jī)選擇系統(tǒng)中一個(gè)監(jiān)控單元LTC6803-4的測(cè)量數(shù)據(jù)與FLUKE萬用表F17B的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，分析誤差。LTC6803-4和F17B測(cè)量的單體電壓數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)分析，單體電壓測(cè)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(duì)超級(jí)電容器組的單體電壓測(cè)量的要求。

本文提出的應(yīng)用LTC6803-4設(shè)計(jì)的超級(jí)電容器組管理系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)超級(jí)電容器組的單體電壓、溫度等信息，并對(duì)超級(jí)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(jiǎn)單、檢測(cè)精度高、速度快、功耗低等特點(diǎn)，能夠滿足串聯(lián)超級(jí)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(dòng)公交、光伏發(fā)電等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。