超級(jí)電容器組及能量管理系統(tǒng)孟麗囡（遼寧工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧錦州121001）超級(jí)電容器需要串并聯(lián)應(yīng)用，由于各單體電容器參數(shù)的不一致，采用了軟硬件相結(jié)合的方法來(lái)提高其利用率和整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并對(duì)研制開發(fā)的單體電容器均壓電路及電容器組能量管理系統(tǒng)做了詳細(xì)的闡述。

　　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。本文首先介紹了超級(jí)電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了超級(jí)電容器的充放電特性，并根據(jù)超級(jí)電容器的自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了高壓大容量的電容器組，單體間的連接采用自主開發(fā)的電壓均衡電路，配合能量管理系統(tǒng)，不僅大大提高了單體超級(jí)電容器的利用率，而且加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　1單體超級(jí)電容器特點(diǎn)超級(jí)電容器，又叫雙電層電容器，其電極材料由碳材料構(gòu)成，并使用有機(jī)電解液作為介質(zhì)，是利用活性炭與電解液之間形成的離子雙電層的原理制作而成的，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲(chǔ)能過(guò)程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，因此超級(jí)電容器反復(fù)充放電可以達(dá)到數(shù)十萬(wàn)次。超級(jí)電容器的單體電壓一般為2.53V，容量可達(dá)5000F，在500W/kg恒定功率放電狀態(tài)下，能量密度可達(dá)3.基金項(xiàng)目：國(guó)家863“計(jì)劃資助項(xiàng)目（2003AA501234）以上，壽命可達(dá)10萬(wàn)次以上。

　　2高壓大容量電容器組設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為工作電壓400V，容量13F電容器組單元裝置，由432（144X3）只電壓2.7V容量680F的單體電容器3并聯(lián)、144串聯(lián)構(gòu)成，單體間的連接采用自主研發(fā)的電壓均衡電路，配合能量管理系統(tǒng)，作為*63“計(jì)劃混合動(dòng)力汽車用超級(jí)電容器的基本單元。為保證電容器在使用過(guò)程中的可靠性，設(shè)計(jì)中采用了內(nèi)部三單體并接的連接結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在單只損壞后不影響其他電容器整體電壓，同時(shí)還可以降低超級(jí)電容器組的內(nèi)阻，配合單體均壓電路能夠維持電容器組正常工作。

　　整體電源及瞬間大電流充放電完全由超級(jí)電容器組提供，如加速和爬坡狀態(tài)。另外超級(jí)電容器組的整體工作電壓選擇在系統(tǒng)要求工作范圍內(nèi)，省掉了超級(jí)電容器組和總線之間的DC-DC變換器，提高整體穩(wěn)定性及可靠性，只要提高超級(jí)電容器組能量管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性就可以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外，省掉了DC-DC變換器可以進(jìn)一步減少系統(tǒng)的功率損耗，也能提高超級(jí)電容器的利用率，充分發(fā)揮超級(jí)電容器組儲(chǔ)能高的特點(diǎn)。

　　整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性取決于單體超級(jí)電容器均壓電路和超級(jí)電容器組能量管理系統(tǒng)，無(wú)論是均壓電路還是能量管理系統(tǒng)出現(xiàn)故障，均可以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。如果是均壓電路出現(xiàn)故障，能量管理系統(tǒng)能夠及時(shí)做出判斷，提醒故障點(diǎn)；若是能量管理系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)失效，由于有均壓電路在工作，也能保證系統(tǒng)正常工作，不會(huì)因此而失控。

　　3單體電容器電壓均衡技術(shù)超級(jí)電容器的單體耐壓僅2.7V，在此應(yīng)用中需得到400V的電壓，這就需要若干單體超級(jí)電容器串聯(lián)使用。而串聯(lián)后由于單體超級(jí)電容器內(nèi)部性能的偏差，如容量偏差、漏電流、ESR的不一致都可能造成各單體超級(jí)電容器充電電壓不均衡，因此為了確保每一個(gè)單體超級(jí)電容器的電壓均衡，應(yīng)在每個(gè)單體超級(jí)電容器上配置相應(yīng)的電壓均衡電路。普通電容器的串聯(lián)使用時(shí)，僅需在電容器兩端并上電阻即可，保證并聯(lián)電阻上的分流值約為電容器漏電流的10倍左右即可。然而這樣采用電阻均壓方式存在一個(gè)問題，通常電容器是接于電源上，因此，有些漏電流也沒多大問題。然而，超級(jí)電容器組是作為儲(chǔ)能元件，過(guò)大的漏電流會(huì)消耗超級(jí)電容器的儲(chǔ)能。超級(jí)電容器組在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用不僅需要很大電流充放電，而且需要確保電荷保持能力。因此，采用傳統(tǒng)的電阻均壓方式很不適合。這就需要一種均壓性能良好的均壓電路，使其百余只超級(jí)電容器串連時(shí)仍具有良好的均壓效果。

　　本文設(shè)計(jì)的電壓均衡電路如，其基本工作原理為：將超級(jí)電容器端電壓經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)分壓后送到電壓基準(zhǔn)，利用電壓基準(zhǔn)隨環(huán)境變化小的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整穩(wěn)壓部分的電路保證其輸出恒定在這個(gè)分壓值之下，確保正常工作時(shí)，其輸出不能驅(qū)動(dòng)輸出調(diào)整管。當(dāng)超級(jí)電容器端電壓達(dá)到或超過(guò)限定電壓的時(shí)候，穩(wěn)壓電路工作在臨界狀態(tài)，類似比較器輸出驅(qū)動(dòng)輸出調(diào)整管，輸出調(diào)整管工作，根據(jù)超級(jí)電容器端電壓與限定電壓的大小，由穩(wěn)壓電路來(lái)確定驅(qū)動(dòng)輸出調(diào)整管輸入的大小，使超級(jí)電容器端電壓達(dá)到限定電壓后能得到一個(gè)很陡峭的放電電流，從而使超級(jí)電容器端電壓限定在額定電壓范圍內(nèi)。此電壓均衡電路設(shè)計(jì)時(shí)，分壓電阻取值很大，正常工作時(shí)其耗能比普通并聯(lián)電阻均壓的耗能小得多。

　　整個(gè)電路的工作特性類似穩(wěn)壓值為超級(jí)電容器額定電壓的穩(wěn)壓二極管特性，從而保證了超級(jí)電容器在充電時(shí)由硬件電路保證超級(jí)電容器端電壓不超過(guò)額定電壓，由于電路中增加了穩(wěn)壓電路，其輸出驅(qū)動(dòng)輸出調(diào)整管，故此整個(gè)電壓均衡電路又不再是穩(wěn)壓二極管特性。

　　超級(jí)電容器正常工作時(shí)不會(huì)進(jìn)入這種狀態(tài)，在超級(jí)電容器額定電壓以下，均壓電路基本上沒有電流，保證了超級(jí)電容器的電荷保持能力。另外與用穩(wěn)壓二極管箝位或適當(dāng)數(shù)量普通整流二極管串聯(lián)后并于超級(jí)電容器相比，克服了穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值及二極管導(dǎo)通電壓隨溫度變化較大，而且其伏安特性相對(duì)較軟的缺點(diǎn)。電路整體設(shè)計(jì)在布線上考慮到了超級(jí)電容器充放電工作時(shí)，大電流所產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)整個(gè)電路穩(wěn)定性的影響，整個(gè)電路通過(guò)了大電4超級(jí)電容器組能量管理系統(tǒng)超級(jí)電容器組是由多個(gè)單體電容器串并聯(lián)組成的，為使其可靠而穩(wěn)定地工作，設(shè)計(jì)了能量管理系統(tǒng)。為防止超級(jí)電容器組中每一個(gè)單體超級(jí)電容器失效或因意外而影響整體系統(tǒng)的正常工作，因此要對(duì)每一個(gè)單體超級(jí)電容器的端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

　　另外，系統(tǒng)要在第一時(shí)間將故障狀態(tài)經(jīng)過(guò)CAN-bus上報(bào)給主機(jī)管理系統(tǒng)，而且需要檢測(cè)直流總線上的電壓、電流及SOC上傳主機(jī)管理系統(tǒng)。并且系統(tǒng)需要提供顯示具體的故障點(diǎn)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)字顯示，并且提供歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，能夠和PC機(jī)通過(guò)串行口通信，分析和處理歷史數(shù)據(jù)。

　　超級(jí)電容器組的能量管理系統(tǒng)由以下幾部分組成：?jiǎn)误w檢測(cè)單元、子機(jī)MCU系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)單元、歷史數(shù)據(jù)管理單元。

　　4.1單體檢測(cè)單元為其設(shè)置單體超級(jí)電容器失效監(jiān)測(cè)電路，當(dāng)某一單體超級(jí)電容器因各種原因失效，監(jiān)測(cè)電路都會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)向超級(jí)電容器組能量管理系統(tǒng)報(bào)警。

　　體故障判別模塊構(gòu)成。

　　溫度傳感器采用單總線溫度傳感器，初始設(shè)置上下限溫度，將各個(gè)單體電容器的單位溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)直接傳送子機(jī)MCU系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，每組子機(jī)服務(wù)單元測(cè)量8個(gè)電容溫度、量程-2070 *C，測(cè)量精度*0. 4.3能量管理系統(tǒng)單元數(shù)據(jù)采集部分采用分辨率不低于12Bit的A/D轉(zhuǎn)換器，并采用電器隔離和抗干擾技術(shù)。CPU采用以89C51的高性能單片機(jī)為核心，CAN總線硬件作為CAN控制器和CAN控制器接口與多能源管理系統(tǒng)的通訊，為多能源管理系統(tǒng)提供電源組工作狀態(tài)信息，支持CAN2.0B協(xié)議。

　　該單元的硬件電路采用電器隔離和抗干擾技術(shù)，完成電容器組的能量管理系統(tǒng)功能。能量管理系統(tǒng)單元通過(guò)內(nèi)部總線得到各單體電容器的電壓、溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)故障狀態(tài)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單體電壓完成故障診斷與報(bào)警狀態(tài)的判別，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　另外整個(gè)系統(tǒng)還加一部分具有一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功具體的每一個(gè)監(jiān)測(cè)電路都確定四個(gè)監(jiān)測(cè)閾值電壓，然后通過(guò)相應(yīng)的邏輯變換電路，轉(zhuǎn)化成為子機(jī)MCU系統(tǒng)能夠識(shí)別電壓監(jiān)測(cè)單元數(shù)據(jù)，具體每組單元故障判別都是通過(guò)相應(yīng)的邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　4.2子機(jī)MCU系統(tǒng)子機(jī)MCU系統(tǒng)完成的功能主要是：采集各個(gè)單體電容器的電壓監(jiān)測(cè)單元數(shù)據(jù)，連接各單體故障判別單元數(shù)據(jù)，另外還要采集各個(gè)超級(jí)電容器的溫度狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)單體超級(jí)電容器的溫度。

　　整體的子機(jī)MCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如所示。

　　子機(jī)MCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖該單元采用電器隔離和抗干擾技術(shù)完成電容器組各單體電容器的電壓、溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單體電壓完成故障診斷與報(bào)警狀態(tài)的判別，并通過(guò)內(nèi)部總線將結(jié)果提供給數(shù)據(jù)采集及能量管理控制單元。

　　本單元硬件采用89C2051CPU和基于內(nèi)部總能的硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)軟硬件同時(shí)過(guò)濾故障數(shù)據(jù)，防止因?yàn)槟撤N原因系統(tǒng)的誤認(rèn)和誤動(dòng)作，從而確保了上傳的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)和存入歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中歷史數(shù)據(jù)的真實(shí)和準(zhǔn)確。

　　4.4歷史數(shù)據(jù)管理單元?dú)v史數(shù)據(jù)管理單元主要完成管理歷史數(shù)據(jù)的任務(wù)，完成與PC機(jī)連接，能夠通過(guò)液晶屏顯示相應(yīng)的信息。

　　5測(cè)試結(jié)果5.1超級(jí)電容器單體均壓電路測(cè)試超級(jí)電容器單體均壓電路的轉(zhuǎn)折電壓在2. 722.74V之間，比較大電壓偏差20mV，在工程允許范圍內(nèi)。有效均流值大于2A（國(guó)外同類產(chǎn)品僅能達(dá)到0.7A），2A均流條件下的端電壓為2.953. 00V，低于超級(jí)電容器的3.6V分解電壓，符合超級(jí)電容器的工作電壓范圍。

　　5.2超級(jí)電容器組特性測(cè)試放電電流下，輸出電壓從390V放電到252V，可以持續(xù)約18s.由于三組并聯(lián)的總內(nèi)阻（0.2mQ）比單0.45mQ）小，使超級(jí)電容器組在放電時(shí)由于內(nèi)阻造成的壓降由15V減小到5V，這樣超級(jí)電容器組就多出10V的放電空間，在同樣的放電初線的多個(gè)數(shù)據(jù)采集電壓監(jiān)測(cè)模塊、溫度監(jiān)測(cè)模塊、單始電壓終了電壓和放電電流的條件巧大約可以夢(mèng)t放電約3s.放電曲線如。

　　超級(jí)電容器組的放電特性5.3單體電容器的電壓均勻性在電容器組的初始電壓為零的條件下以50A的充電電流充電到400V，各單體電容器的電壓比較高值和比較低值分別為3.1V和2.75V，偏差0.35V，比較高值低于超級(jí)電容器的3.6V分解電壓，符合超級(jí)電容器的工作電壓范圍。

　　6結(jié)論從測(cè)試結(jié)果和仿真效果可以看出，由大量單體超級(jí)電容器串并聯(lián)組成超級(jí)電容器組以提高電壓是可行的。配以單體電容器的電壓均衡電路可以提高系統(tǒng)的效率和可靠性，能量管理系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容器組中的任一單體的各種故障能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量并報(bào)警，實(shí)現(xiàn)能量管理功能，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在混合動(dòng)力汽車應(yīng)用中具有重要的實(shí)用價(jià)值。