《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LTC6803-4在超級電容器組管理系統(tǒng)中的應(yīng)用
電子技術(shù)應(yīng)用2014年第6期
曹洪奎,,陳永真,,關(guān)維國
遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,遼寧 錦州121001
摘要: 針對超級電容器在串聯(lián)使用過程中存在的單體電壓差異大而導(dǎo)致超級電容器組的儲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的超級電容器組管理系統(tǒng),,實現(xiàn)超級電容器組的單體電壓、溫度監(jiān)測和電壓均衡等功能,。實驗結(jié)果表明,,該方法檢測精度高,速度快,,功耗低,,可對串聯(lián)超級電容器組進(jìn)行有效的監(jiān)控和管理。
中圖分類號: TP274+.4
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B
文章編號: 0258-7998(2014)06-0052-03
Application of LTC6803-4 in super-capacitor stacks management system
Cao Hongkui,,Chen Yongzhen,,Guan Weiguo
Electronic & Information Engineering College,Liaoning University of Technology,,Jinzhou 121001,,China
Abstract: In view of problem of the large cell voltage difference of super-capacitors in the process of series use, resulting in a loss of super-capacitor stacks energy storage efficiency and accelerated aging, a novel super-capacitor stacks management system based on battery stacks monitor chip LTC6803-4 was proposed. The functions of the system including monitoring the cell voltage and temperature of the stacks and equalization were realized. Extensive experimental results show that the proposed method is of high precision, high speed and low power consumption. This approach can effectively monitor and manage the super-capacitor stacks.
Key words : super-capacitor stacks;management system,;LTC6803-4,;equalization

        超級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)使用壽命長等特點(diǎn),,可應(yīng)用于微電網(wǎng)、電動公交等領(lǐng)域[1],。由于超級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)使用中各個超級電容器單體電壓差會增大,,如果不采取必要的均衡和管理措施,會導(dǎo)致超級電容器組的儲能效率降低,,影響超級電容器的壽命[2],。因此,有必要研制一種高性能的超級電容器組管理系統(tǒng),,監(jiān)測超級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現(xiàn)[3-4],。

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

        本文應(yīng)用LTC6803-4設(shè)計了一種超級電容器組管理系統(tǒng),系統(tǒng)以32位微處理器STM32F103為控制核心,,實現(xiàn)對120節(jié)串聯(lián)超級電容器組單體電壓和溫度的監(jiān)測及顯示,,并對超級電容器組進(jìn)行電壓均衡控制。實驗結(jié)果證明了該方法的有效性,。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件總體框架

        超級電容器組管理系統(tǒng)應(yīng)具有對超級電容器組的單體電壓與溫度等信息的監(jiān)測,、電壓均衡、過壓與過流保護(hù)和數(shù)據(jù)通信等功能,。超級電容器組管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

                                                            圖1  超級電容器組管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

        每12節(jié)超級電容器構(gòu)成一個超級電容器儲能單元,由一個監(jiān)控單元負(fù)責(zé)監(jiān)測超級電容器儲能單元中的單體電壓和溫度等信息,,并對超級電容器組進(jìn)行電壓均衡,,10個監(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超級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個獨(dú)立輸入/輸出引腳,,3個通用異步串行通信接口(UART)和1個CAN總線接口,,滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需要。

1.2 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采用菊花鏈級聯(lián)方式[6],。監(jiān)控單元電路的原理圖如圖2所示,。

                                                           圖2  采用LTC6803-4的監(jiān)控單元電路

        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為單體電壓檢測引腳,分別連接到12只超級電容器單體的兩端,。C0接超級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,,分別控制與每個超級電容器并聯(lián)的均衡MOSFET VTn與均衡電阻Rn,。當(dāng)LTC6803-4檢測到某個超級電容器的單體電壓超過設(shè)定的上限值時,控制對應(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LTC6803-4的正,、負(fù)電源引腳,采用寄生供電方式時,,可直接從該芯片監(jiān)控的12只串聯(lián)超級電容器單元取電,。也可采用獨(dú)立供電方式,,但要求電源電壓不低于被測超級電容器儲能單元的電壓。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A/D接口,,使用兩個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LTC6803-4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,。

1.3 總電流和總電壓采集電路

        根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對超級電容器組的技術(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)測量電流為±20 A時,,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)計了一個電平移位電路將-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,。

                                                                               圖3  電平移位電路

        總電壓采集電路采用閉環(huán)霍爾電壓傳感器模塊CHV-50P/400A,額定測量電壓為400 V,;在-600 V~+600 V范圍內(nèi)的測量精度為±0.8%,;輸出電壓為0~+3.0 V,在STM32F103的A/D輸入范圍內(nèi),。

1.4 觸摸屏模塊

        觸摸屏模塊設(shè)計中選用10.4英寸工業(yè)級觸摸屏模塊TFT8060RS104BN,,顯示超級電容器組的狀態(tài)信息,同時可接收用戶查詢與控制指令,。TFT8060RS104BN模塊與STM32F103通過UART接口連接,,實現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)交換。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        超級電容器組管理系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示,。

                                                                       圖4  系統(tǒng)軟件流程圖

        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(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)超級電容器電壓轉(zhuǎn)換僅需要13 ms,每次啟動轉(zhuǎn)換后都要延時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,。

3 測試結(jié)果與分析

        選用120只360 F/2.7 V的超級電容器組進(jìn)行充放電測試。STM32F103與LTC6803-4的SPI總線的通信速率為1 Mb/s,,管理系統(tǒng)對120只超級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)對超級電容器組快速充、放電過程中電壓檢測速度的需要,。

        超級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時均衡MOSFET打開,開始電壓均衡,,均衡電流為5 A,。在充電測試中,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時進(jìn)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,。

        在超級電容器組充電并均衡后,,隨機(jī)選擇系統(tǒng)中一個監(jiān)控單元LTC6803-4的測量數(shù)據(jù)與FLUKE萬用表F17B的測量結(jié)果進(jìn)行比較,分析誤差,。LTC6803-4和F17B測量的單體電壓數(shù)據(jù)如表1所示,。經(jīng)分析,單體電壓測量平均誤差為5.08 mV(0.19%),,最大誤差為6 mV(0.23%),,精度滿足對超級電容器組的單體電壓測量的要求。

        本文提出的應(yīng)用LTC6803-4設(shè)計的超級電容器組管理系統(tǒng),,可監(jiān)測超級電容器組的單體電壓,、溫度等信息,并對超級電容器組進(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)簡單、檢測精度高,、速度快,、功耗低等特點(diǎn),能夠滿足串聯(lián)超級電容器組監(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)用于電動公交,、光伏發(fā)電等領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景,。

參考文獻(xiàn)

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