基于超級(jí)電容的低壓?jiǎn)?dòng)電源管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)*

章 錦， 朱建新， 魏 濤

（1.上海奧威科技開(kāi)發(fā)有限公司， 上海 201203；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200030）

傳統(tǒng)鉛酸蓄電池因循環(huán)壽命較短、環(huán)境污染等原因而無(wú)法滿足未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展方向[1]，所以，新能源汽車(chē)行業(yè)正在逐步研究新的車(chē)載低壓電源技術(shù)，例如蓄電池鋰電化路線[2]。但鋰離子電池成本波動(dòng)較大、循環(huán)壽命短、功率特性較小，使其在新能源車(chē)型中推廣較為困難。近年來(lái)，超級(jí)電容在軌道交通的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[3]，其高功率和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)也逐步適用在汽車(chē)低壓?jiǎn)?dòng)電源上。

1 低壓?jiǎn)?dòng)電源技術(shù)參數(shù)

低壓?jiǎn)?dòng)電源由4個(gè)超級(jí)電容單體串聯(lián)組成，電壓范圍9～16V，持續(xù)放電功率1.2kW，滿充滿放循環(huán)壽命5萬(wàn)次。電源技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電源技術(shù)參數(shù)

2 低壓電源管理系統(tǒng)的組成

低壓電源管理系統(tǒng)由主控模塊、采樣模塊、均衡模塊、通信模塊組成，如圖1所示。其中主控單元MCU負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各控制單元進(jìn)行邏輯處理和故障診斷，并實(shí)時(shí)估算電源電量。由于超級(jí)電容單體電壓不一致的現(xiàn)象，均衡單元負(fù)責(zé)均衡各電芯電壓，使之保持一致。采樣模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的單體電壓、溫度和電流。通信模塊通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的休眠與喚醒，并將部分信號(hào)通過(guò)CAN總線傳輸給DC/DC，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的安全充電和放電。

圖1 低壓電源管理系統(tǒng)組成

3 功能模塊

在電動(dòng)汽車(chē)中，準(zhǔn)確估算蓄電池的電量可以有效保護(hù)蓄電池，提高整車(chē)性能及經(jīng)濟(jì)性。目前的電量估算方法有安時(shí)積分法、開(kāi)路電壓法、卡爾曼濾波法。對(duì)于低壓?jiǎn)?dòng)電源，本文采用開(kāi)路電壓法，通過(guò)V/T-SOC二維查表計(jì)算剩余電量。

單體均衡是電源管理系統(tǒng)重要功能模塊。由于低壓?jiǎn)?dòng)電源由4節(jié)電芯串聯(lián)組成，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，電芯由于不一致性和溫度場(chǎng)不均衡，電芯與電芯的壓差會(huì)逐漸增大。因此，必須通過(guò)均衡電路設(shè)計(jì)和均衡控制算法來(lái)平衡電芯間的壓差，使得電源系統(tǒng)更好地輸出。均衡電路有主動(dòng)均衡、被動(dòng)均衡兩種，由于被動(dòng)均衡電路簡(jiǎn)單、均衡能力適宜、BOM成本低，本文采用被動(dòng)均衡。

故障診斷單元實(shí)時(shí)檢測(cè)分析系統(tǒng)的電壓、溫度和電流信號(hào)，然后將電源系統(tǒng)的過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫信號(hào)，通過(guò)CAN總線實(shí)時(shí)發(fā)送給DC/DC，保障電源系統(tǒng)的使用安全。

3.1 主控設(shè)計(jì)

主控單元采用32位國(guó)產(chǎn)品牌8051芯片STC32G12K128，主控單元電路由晶振電路、復(fù)位電路、電源電路、均衡驅(qū)動(dòng)PWM電路、電源指示電路等組成。如圖2所示，其中外部晶振電路用于給STC32提供工作時(shí)序；雙二極管供電可以選擇供電來(lái)源，一路電源來(lái)自于超級(jí)電容本身，一路電源來(lái)源于RC電路定時(shí)喚醒供電；PWM引腳用來(lái)控制均衡電路的開(kāi)啟與關(guān)閉。

3.2 采集電路設(shè)計(jì)

3.2.1 單體電壓采集

超級(jí)電容電芯電壓工作區(qū)間為2.25～4V，電壓的采集與均衡電路如圖3所示，被測(cè)量電壓經(jīng)過(guò)分壓、限流、濾波和運(yùn)算放大后，進(jìn)入單片機(jī)AD采樣。單片機(jī)對(duì)4節(jié)超級(jí)電容電壓進(jìn)行比較計(jì)算后，通過(guò)控制S2引腳實(shí)現(xiàn)均衡控制。當(dāng)S2引腳被PWM信號(hào)控制為低電平時(shí)，三極管Q3打開(kāi)，超級(jí)電容通過(guò)R31、R11放電，同時(shí)均衡指示燈L3閃爍。當(dāng)S2引腳被PWM信號(hào)控制為高電平信號(hào)時(shí)，三極管Q3截止，均衡放電停止。

圖3 電芯電壓的采集與均衡電路

3.2.2 單體溫度采集

低壓電源應(yīng)工作在合適的溫度范圍內(nèi)，對(duì)溫度的采樣不僅可以用于剩余電量的計(jì)算，也可以通過(guò)溫度預(yù)警，保證電源的安全可靠運(yùn)行。溫度采集電路原理如圖4所示，通過(guò)分壓的設(shè)計(jì)，利用A/D值反推計(jì)算出NCT電阻值，再通過(guò)NTC電阻與溫度的關(guān)系插值查表即可得出電源系統(tǒng)當(dāng)前溫度。部分NTC電阻值與溫度值、單片機(jī)AD值的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

圖4 溫度采集電路原理圖

表2 部分溫度-阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2.3 電流采集

測(cè)量串聯(lián)在電源母線上的分流器（shunt） 的電壓，通過(guò)歐姆定律來(lái)計(jì)算回路的電流值。電流采集電路原理如圖5所示，測(cè)量的電流信號(hào)（Hall_S1、Hall_S2） 不僅傳輸給單片機(jī)，還通過(guò)放大電路傳輸（I+） 給DC/DC采用。

圖5 電流采集電路

3.3 通信電路設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)的CAN通信單元采用單片機(jī)片內(nèi)CAN控制器和TJA1042 CAN收發(fā)器，該收發(fā)器有極低電流待機(jī)模式，具有主機(jī)和總線喚醒功能，收發(fā)器在未上電時(shí)在總線上處于斷開(kāi)狀態(tài)（零負(fù)載），適用于低壓電源低功耗休眠與喚醒的工作要求。CAN通信電路如圖6所示，在CAN_HI與CAN_LO間串聯(lián)電感L1，可有效消除來(lái)自于總線的共模干擾。為了匹配總線阻抗，CAN需要在總線兩端接入2個(gè)總線匹配電阻，由于電源系統(tǒng)與DC/DC雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，此處采用2個(gè)62Ω電阻串聯(lián)設(shè)計(jì)。

圖6 CAN通信電路

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)低壓電源管理系統(tǒng)的電芯電壓采集與均衡、電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)及通信電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的硬件電路具有成本低、電路簡(jiǎn)單、可靠的特點(diǎn)，適用于電動(dòng)汽車(chē)低壓?jiǎn)?dòng)電源管理系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。