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基于LTC6803-3的超级电容器组管理系统

时间:2017-12-21 来源: 关键字:控制   控制   

超级电容器从储能机理上面分的话,超级电容器分为双电层电容器和赝电容器。是一种新型储能装置,它具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛。

本文引用地址: http://power.21ic.com//poc/technical/201712/59020.html

超级电容器具有循环使用寿命长、充放电速度快、功率密度大等特点。由于单体电容量的差异,在数个充、放电循环后,单体电压差异加大,导致超级电容器组输出功率降低和老化加速。为此,提出了一种实用的基于电池组监控芯片LTC6803-3 的超级电容器组管理系统,系统采用 STM32F103 为控制核心,主要功能包含电容器组的单体电压、温度、电流监测和电压均衡控制。介绍了系统的硬件和软件,测试了系统的动态性能和精度。测试结果验证了该方法的有效性

超级电容器是近年来新兴的一种电力储能器件,它具有循环使用寿命长、工作温度范围宽、充放电速度快、功率密度大等特点,在智能电网、电动汽车等领域已得到广泛关注。由于超级电容器单体电压较低,在实际应用中需要大量超级电容器的串联构成超级电容器组,受到电容器容量的偏差、漏电流及ESR 的影响,各个单体电容器上电压差较大,如果不采用必要的均压措施,会导致整个超级电容器组的储能效率降低。另外过高的电压、温度都会降低超级电容器的寿命。因此,研制高性能的超级电容器组管理系统对于提高超级电容器的使用寿命,提升超级电容器组的储能效率是十分必要的。

超级电容器组管理系统 应具有对超级电容器组的电压、温度等信息采集和电压均衡的功能,系统设计中采用高精度 A/D 转换器和多通道模拟开关或光耦继电器电路实现。本文设计了一种基于电池组监控芯片 LTC6803-3 的超级电容器组管理系统,系统采用 Cotex-M3 内 核 的 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检测及显示,对超级电容器组的充、放电过程进行监控和保护,并通过 LTC6803-3 内部的均压控制逻辑电路实现超级电容器组的电压均衡控制。系统应用于智能电网的断路器操作电源。

系统硬件设计

系统硬件总体框架

本文设计的超级电容器组管理系统的组成结构如图 1 所示。每个超级电容器监控单元检测 12 节超级电容器单体电压值和温度值,并控制均衡电路对超级电容器组进行电压均衡,10 个超级电容器监控单元通过通信总线与微处理器交换数据信息;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获取电容器组的总电流和总电压,经过内部处理后用触摸屏进行显示,同时微处理器将采样到电压、电流、温度等信号与系统设定的报警点比较,通过充放电控制电路,控制相应的充电、放电接触器开关 K1 或 K2的吸合和关闭,防止对超级电容器过充电、过放电、过流、短路和温度过高;并可通过 CAN 总线与其他主机通信。

 

基于LTC6803-3的超级电容器组管理系统

 

为了最大限度地利用微处理器端口和片内外设资源并降低设计成本,本系统选用 ST 公司基于 Cotex-M3 内核的 32 位微处理器 STM32F103VET6,该微处理器具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式等特点。具有 80 个独立高速 I/O 引脚,内置 2 个 12 位 A/D 转换器,3 个通用异步串行通讯接口和 1 个 CAN 接口,可使用JTAG 口方便地进行程序的下载和仿真调试,完全满足本系统高手控制与数据处理的需要

监控单元电路

监控单元电路的设计采用凌力尔特公司的新一代电池组监控芯片 LTC6803-3,LTC6803-3 是该公司的第二代完整电池组监控 IC,芯片内置一个 12 位 ADC,一个精准电压基准,一个高电压输入多路复用器和一个 SPI 串行接口,能够在输入共模电压高达 60 V 的条件下测量多达 12 个串联电池或超级电容的电压和温度,最大总测量误差小于 5 mV[5]。通过运用一个独特的电平移位串行接口,可以把多个 LTC6803-3 器件以菊花链形式串联起来,无需使用管耦合器或隔离器,以监测多于12 节的串联超级电容器组中每节超级电容的电压。采用LTC6803-3 的监控单元电路原理图见图 2。

 

基于LTC6803-3的超级电容器组管理系统

 

LTC6803-3 通过光电隔离器 Si8441 隔离的 SPI 总线与STM32 微处理器的 SPI 接口连接,光电隔离器 Si8441 由 5 V隔离 DC/DC 模块供电,保证 DC 1 500 V 的隔离电压,提高了系统的安全性和抗干扰能力。

LTC6803-3 的 C0~C12 引脚连接 12 只超级电容器,检测每节超级电容器的电压。C0 接串联超级电容器组的低电压端,C12 接高电压端。S1~S12 引脚为均衡放电控制引脚,分别控制与每个超级电容器并联的 MOSFET VTn 和均衡电阻 Rn,当某个超级电容器的单体电压超过芯片配置寄存器设定的上限值时,LTC6803-3 自动控制开启对应的 MOSFET,通过均衡电阻放电,达到电压均衡的目的。尽管该均压方案为能耗型均压方式,但电路动作速度快,成本低。实际应用中发现,通过对超级电容器的筛选,超级电容器组需要进行电压均衡动作的频率较低,均衡电路的功率损耗处在系统可以接受范围之内。

V+、V- 引脚为 LTC6803-3 的正、负电源引脚,可采用独立供电方式给芯片提供工作电源,本设计中采用的是寄生供电方式,直接从该芯片监控的 12 只串联超级电容器组获取电,电路简单。

VTEMP1 和 VTEMP2 接口是两个通用 12 位 A/D 接口,可用于温度检测,本设计中接入了两个 100k 的 NTC 热敏电阻以监测超级电容器组温度及环境温度,由 VREF 引脚提供 3.065 V 的电压基准。

CSBO、SDOI 和 SCKO 三个引脚是用于和高电压端的LTC6803-3 芯片(CSBI、SDI、SCKI 引脚)级联通信的 SPI 接口,形成菊花链连接。在本系统中,采用 10 片 LTC6803-3 芯片级联。串联的 3 只快速恢复二极管作用是防止电流反向,保护通信接口引脚。

LTC6803-3 的正常工作电源电流不足 1 mA,在待机模式下,电源电流减小至 12 mA,大大降低了整个超级电容器组管理系统的功耗,提高了系统的效率。

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要求,超级电容组电压范围 0~300 V,电流范围为-20~+20 A。总电流采集电路采用LEM 霍尔电流传感器 LA50-P,当测量电流为±20 A 时,输出电 压 ±1.5 V, 但 是 STM32F103 的 A/D 输 入 口 只 能 接 收0~+3.3 V 的正向电压,因此,设计了一个加法器将电流传感器输出的电压从-1.5~+1.5 V 提升至 0~+3.0 V。电流传感器电压调理电路如图 3 所示。

超级电容器组总电压的采集采用北京森社电子有限公司的闭环霍尔电压传感器模块 CHV-50P/400 A。该模块额定电压:400 V;VN 测量范围:0~±600 V;精度为 VN 的±0.8%;输出电压:0~+3.0 V,满足系统的测量需求。

触摸屏模块

本设计中选用武汉谷鑫科技的 10.4 寸工业级触摸屏模块TFT8060RS104BN 作为人机接口,用于显示超级电容器组的单体电压、单元温度、总电压、总电流、剩余能量和故障状态等信息以及接收用户查询与控制指令。TFT8060RS104BN 的驱动采用 UART 接口,与 STM32F103 的 UART0 连接,实现指令和数据交换。

CAN 总线通讯模块

通讯模块实现上位机与现场微处理器之间的长距离数据通讯。采用 STM32F103 微处理器内部集成的 CAN 总线控制器。CAN 总线控制器发送输出端 TX 与接收输入端 RX 分别经高速集成光电耦合器 6N137 隔离后,与 CAN 总线接口驱动芯片 PCA82C250 的 TXD 和 RXD 相连。

系统软件设计

系统软件设计的核心任务是控制 STM32F103 通过 SPI 口与 LTC6803-3 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。LTC6803-3 完成一次 12 节超级电容器电压转换仅需要 13 ms,SPI 通信速率设定为 1 Mb/s。系统软件流程如图 4 所示。

 

基于LTC6803-3的超级电容器组管理系统

 

测试结果与分析

本系统选用 120 只 360 F/2.7 V 的超级电容器串联构成超级电容器组。超级电容器组管理系统测试照片如图 5 所示。图5 中左侧为 1 000 V/50 A 可调直流稳压电源,右侧为超级电容器组管理系统。

充电均衡测试中,系统的均衡电压上限设定为 2.67 V,当超级电容器单体电压超过 2.67 V 时,放电 MOSFET 打开,启动电压均衡;电压低于 2.65 V 时,放电 MOSFET 关闭,均衡电流 5 A。充电模式选择恒流 - 恒压模式,充电电流限制在 10.1A,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。

系统对 120 只超级电容器单体电压巡检的周期约为 20ms,能够满足对超级电容器组快速充、放电过程中电压检测速度的需要。

在超级电容器组充电并均衡后,将系统中 LTC6803-3 测量的数据与 FLUKE 万用表 F17B 的测量结果进行误差分析。LTC6803-3 和 F17B 测量的其中一个超级电容器单元的单体电压数据如表 1 所示。分析得出平均误差为 5.17 mV(0.19%),最大误差 7 mV(0.26%),与 LTC6803-3 数据手册中的 0.25%最大总测量误差相接近,发挥了芯片内部 12 位 ADC 的性能,精度满足超级电容器组单体电压测量的要求。

 

基于LTC6803-3的超级电容器组管理系统

 

 

基于LTC6803-3的超级电容器组管理系统

 

本文提出的基于 LTC6803-3 的超级电容器组管理系统已成功应用于智能电网断路器操作电源中,系统工作稳定,运行良好。系统以 STM32F103 微处理器为控制核心,采用电池组监控管理芯片 LTC6803-3 实时采集超级电容器组的单体电压、温度等状态信息,并对超级电容器组进行电压均衡控制,通过触摸屏显示状态参数和接收用户指令,也可以通过 CAN总线通信模块与上位机通信,实现远程监控管理。本系统结构简单、运行可靠、检测精度高,均衡动作快速,能够很好地满足不同领域对串联超级电容器组监控管理的技术要求,可广泛应用于电动公交、智能电网等场合,具有重要的实用意义。

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