超級電容器組及能量管理系統孟麗囡（遼寧工學院信息科學與工程學院，遼寧錦州121001）超級電容器需要串并聯應用，由于各單體電容器參數的不一致，采用了軟硬件相結合的方法來提高其利用率和整體系統的穩定性，并對研制開發的單體電容器均壓電路及電容器組能量管理系統做了詳細的闡述。

　　在傳統的能量供應系統中，電池作為主要的儲能單元被廣泛使用。隨著科學技術的發展和保護環境的需求，超級電容器因其容量大、壽命長、放電速度快、工作溫度范圍寬、可以串并聯使用等優點而備受關注。

　　在混合動力汽車能量供應系統中，電池儲能系統存在著諸如低溫特性不好，在惡劣環境下的壽命低，很難做到釋放大電流等缺陷。而超級電容器恰恰具備上述優勢，不僅可以提供短時間的高功率脈沖，而且還具有優良的低溫性質、較高的壽命和極好的內阻特性。因此超級電容器在混合動力汽車上得到廣泛的應用。本文首先介紹了超級電容器的內部結構特點，分析了超級電容器的充放電特性，并根據超級電容器的自身特點，設計了高壓大容量的電容器組，單體間的連接采用自主開發的電壓均衡電路，配合能量管理系統，不僅大大提高了單體超級電容器的利用率，而且加了系統的穩定性。

　　1單體超級電容器特點超級電容器，又叫雙電層電容器，其電極材料由碳材料構成，并使用有機電解液作為介質，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，通過極化電解質來儲能。它是一種電化學元件，但在其儲能過程中并不發生化學反應，儲能過程是可逆的，因此超級電容器反復充放電可以達到數十萬次。超級電容器的單體電壓一般為2.53V，容量可達5000F，在500W/kg恒定功率放電狀態下，能量密度可達3.基金項目：國家863“計劃資助項目（2003AA501234）以上，壽命可達10萬次以上。

　　2高壓大容量電容器組設計本設計為工作電壓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、144串聯構成，單體間的連接采用自主研發的電壓均衡電路，配合能量管理系統，作為*63“計劃混合動力汽車用超級電容器的基本單元。為保證電容器在使用過程中的可靠性，設計中采用了內部三單體并接的連接結構，這種設計的優勢在于能夠在單只損壞后不影響其他電容器整體電壓，同時還可以降低超級電容器組的內阻，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電容器組提供，如加速和爬坡狀態。另外超級電容器組的整體工作電壓選擇在系統要求工作范圍內，省掉了超級電容器組和總線之間的DC-DC變換器，提高整體穩定性及可靠性，只要提高超級電容器組能量管理系統的穩定性和可靠性就可以保證整個系統的穩定性和可靠性。另外，省掉了DC-DC變換器可以進一步減少系統的功率損耗，也能提高超級電容器的利用率，充分發揮超級電容器組儲能高的特點。

　　整個系統的穩定性和可靠性取決于單體超級電容器均壓電路和超級電容器組能量管理系統，無論是均壓電路還是能量管理系統出現故障，均可以保證整個系統的正常工作。如果是均壓電路出現故障，能量管理系統能夠及時做出判斷，提醒故障點；若是能量管理系統在一定時間內失效，由于有均壓電路在工作，也能保證系統正常工作，不會因此而失控。

　　3單體電容器電壓均衡技術超級電容器的單體耐壓僅2.7V，在此應用中需得到400V的電壓，這就需要若干單體超級電容器串聯使用。而串聯后由于單體超級電容器內部性能的偏差，如容量偏差、漏電流、ESR的不一致都可能造成各單體超級電容器充電電壓不均衡，因此為了確保每一個單體超級電容器的電壓均衡，應在每個單體超級電容器上配置相應的電壓均衡電路。普通電容器的串聯使用時，僅需在電容器兩端并上電阻即可，保證并聯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，超級電容器組是作為儲能元件，過大的漏電流會消耗超級電容器的儲能。超級電容器組在混合動力汽車上的應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，使其百余只超級電容器串連時仍具有良好的均壓效果。

　　本文設計的電壓均衡電路如，其基本工作原理為：將超級電容器端電壓經電阻網絡分壓后送到電壓基準，利用電壓基準隨環境變化小的特點，通過調整穩壓部分的電路保證其輸出恒定在這個分壓值之下，確保正常工作時，其輸出不能驅動輸出調整管。當超級電容器端電壓達到或超過限定電壓的時候，穩壓電路工作在臨界狀態，類似比較器輸出驅動輸出調整管，輸出調整管工作，根據超級電容器端電壓與限定電壓的大小，由穩壓電路來確定驅動輸出調整管輸入的大小，使超級電容器端電壓達到限定電壓后能得到一個很陡峭的放電電流，從而使超級電容器端電壓限定在額定電壓范圍內。此電壓均衡電路設計時，分壓電阻取值很大，正常工作時其耗能比普通并聯電阻均壓的耗能小得多。

　　整個電路的工作特性類似穩壓值為超級電容器額定電壓的穩壓二極管特性，從而保證了超級電容器在充電時由硬件電路保證超級電容器端電壓不超過額定電壓，由于電路中增加了穩壓電路，其輸出驅動輸出調整管，故此整個電壓均衡電路又不再是穩壓二極管特性。

　　超級電容器正常工作時不會進入這種狀態，在超級電容器額定電壓以下，均壓電路基本上沒有電流，保證了超級電容器的電荷保持能力。另外與用穩壓二極管箝位或適當數量普通整流二極管串聯后并于超級電容器相比，克服了穩壓二極管的穩壓值及二極管導通電壓隨溫度變化較大，而且其伏安特性相對較軟的缺點。電路整體設計在布線上考慮到了超級電容器充放電工作時，大電流所產生的電磁干擾對整個電路穩定性的影響，整個電路通過了大電4超級電容器組能量管理系統超級電容器組是由多個單體電容器串并聯組成的，為使其可靠而穩定地工作，設計了能量管理系統。為防止超級電容器組中每一個單體超級電容器失效或因意外而影響整體系統的正常工作，因此要對每一個單體超級電容器的端電壓進行實時監測。

　　另外，系統要在第一時間將故障狀態經過CAN-bus上報給主機管理系統，而且需要檢測直流總線上的電壓、電流及SOC上傳主機管理系統。并且系統需要提供顯示具體的故障點和實時監測數字顯示，并且提供歷史數據儲存，能夠和PC機通過串行口通信，分析和處理歷史數據。

　　超級電容器組的能量管理系統由以下幾部分組成：單體檢測單元、子機MCU系統、能量管理系統單元、歷史數據管理單元。

　　4.1單體檢測單元為其設置單體超級電容器失效監測電路，當某一單體超級電容器因各種原因失效，監測電路都會在第一時間內向超級電容器組能量管理系統報警。

　　體故障判別模塊構成。

　　溫度傳感器采用單總線溫度傳感器，初始設置上下限溫度，將各個單體電容器的單位溫度轉化成數字信號直接傳送子機MCU系統完成實時監控功能，每組子機服務單元測量8個電容溫度、量程-2070 *C，測量精度*0. 4.3能量管理系統單元數據采集部分采用分辨率不低于12Bit的A/D轉換器，并采用電器隔離和抗干擾技術。CPU采用以89C51的高性能單片機為核心，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的通訊，為多能源管理系統提供電源組工作狀態信息，支持CAN2.0B協議。

　　該單元的硬件電路采用電器隔離和抗干擾技術，完成電容器組的能量管理系統功能。能量管理系統單元通過內部總線得到各單體電容器的電壓、溫度等數據的實時故障狀態，并實時監測單體電壓完成故障診斷與報警狀態的判別，確保系統的實時性。

　　另外整個系統還加一部分具有一定的數據存儲功具體的每一個監測電路都確定四個監測閾值電壓，然后通過相應的邏輯變換電路，轉化成為子機MCU系統能夠識別電壓監測單元數據，具體每組單元故障判別都是通過相應的邏輯電路來實現。

　　4.2子機MCU系統子機MCU系統完成的功能主要是：采集各個單體電容器的電壓監測單元數據，連接各單體故障判別單元數據，另外還要采集各個超級電容器的溫度狀態，實時監測各個單體超級電容器的溫度。

　　整體的子機MCU系統設計框圖如所示。

　　子機MCU系統設計框圖該單元采用電器隔離和抗干擾技術完成電容器組各單體電容器的電壓、溫度等數據的實時測量，并實時監測單體電壓完成故障診斷與報警狀態的判別，并通過內部總線將結果提供給數據采集及能量管理控制單元。

　　本單元硬件采用89C2051CPU和基于內部總能的硬件結構，通過軟硬件同時過濾故障數據，防止因為某種原因系統的誤認和誤動作，從而確保了上傳的故障狀態數據和存入歷史狀態數據庫中歷史數據的真實和準確。

　　4.4歷史數據管理單元歷史數據管理單元主要完成管理歷史數據的任務，完成與PC機連接，能夠通過液晶屏顯示相應的信息。

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

　　5.2超級電容器組特性測試放電電流下，輸出電壓從390V放電到252V，可以持續約18s.由于三組并聯的總內阻（0.2mQ）比單0.45mQ）小，使超級電容器組在放電時由于內阻造成的壓降由15V減小到5V，這樣超級電容器組就多出10V的放電空間，在同樣的放電初線的多個數據采集電壓監測模塊、溫度監測模塊、單始電壓終了電壓和放電電流的條件巧大約可以夢t放電約3s.放電曲線如。

　　超級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，比較高值低于超級電容器的3.6V分解電壓，符合超級電容器的工作電壓范圍。

　　6結論從測試結果和仿真效果可以看出，由大量單體超級電容器串并聯組成超級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的效率和可靠性，能量管理系統對超級電容器組中的任一單體的各種故障能夠實時測量并報警，實現能量管理功能，提高系統的可靠性和穩定性，在混合動力汽車應用中具有重要的實用價值。