超级电容器组及能量管理系统孟丽囡（辽宁工学院信息科学与工程学院，辽宁锦州121001）超级电容器需要串并联应用，由于各单体电容器参数的不一致，采用了软硬件相结合的方法来提高其利用率和整体系统的稳定性，并对研制开发的单体电容器均压电路及电容器组能量管理系统做了详细的阐述。

　　在传统的能量供应系统中，电池作为主要的储能单元被广泛使用。随着科学技术的发展和保护环境的需求，超级电容器因其容量大、寿命长、放电速度快、工作温度范围宽、可以串并联使用等优点而备受关注。

　　在混合动力汽车能量供应系统中，电池储能系统存在着诸如低温特性不好，在恶劣环境下的寿命低，很难做到释放大电流等缺陷。而超级电容器恰恰具备上述优势，不仅可以提供短时间的高功率脉冲，而且还具有优良的低温性质、较高的寿命和极好的内阻特性。因此超级电容器在混合动力汽车上得到广泛的应用。本文首先介绍了超级电容器的内部结构特点，分析了超级电容器的充放电特性，并根据超级电容器的自身特点，设计了高压大容量的电容器组，单体间的连接采用自主开发的电压均衡电路，配合能量管理系统，不仅大大提高了单体超级电容器的利用率，而且加了系统的稳定性。

　　1单体超级电容器特点超级电容器，又叫双电层电容器，其电极材料由碳材料构成，并使用有机电解液作为介质，是利用活性炭与电解液之间形成的离子双电层的原理制作而成的，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能过程中并不发生化学反应，储能过程是可逆的，因此超级电容器反复充放电可以达到数十万次。超级电容器的单体电压一般为2.53V，容量可达5000F，在500W/kg恒定功率放电状态下，能量密度可达3.基金项目：国家863“计划资助项目（2003AA501234）以上，寿命可达10万次以上。

　　2高压大容量电容器组设计本设计为工作电压400V，容量13F电容器组单元装置，由432（144X3）只电压2.7V容量680F的单体电容器3并联、144串联构成，单体间的连接采用自主研发的电压均衡电路，配合能量管理系统，作为*63“计划混合动力汽车用超级电容器的基本单元。为保证电容器在使用过程中的可靠性，设计中采用了内部三单体并接的连接结构，这种设计的优势在于能够在单只损坏后不影响其他电容器整体电压，同时还可以降低超级电容器组的内阻，配合单体均压电路能够维持电容器组正常工作。

　　整体电源及瞬间大电流充放电完全由超级电容器组提供，如加速和爬坡状态。另外超级电容器组的整体工作电压选择在系统要求工作范围内，省掉了超级电容器组和总线之间的DC-DC变换器，提高整体稳定性及可靠性，只要提高超级电容器组能量管理系统的稳定性和可靠性就可以保证整个系统的稳定性和可靠性。另外，省掉了DC-DC变换器可以进一步减少系统的功率损耗，也能提高超级电容器的利用率，充分发挥超级电容器组储能高的特点。

　　整个系统的稳定性和可靠性取决于单体超级电容器均压电路和超级电容器组能量管理系统，无论是均压电路还是能量管理系统出现故障，均可以保证整个系统的正常工作。如果是均压电路出现故障，能量管理系统能够及时做出判断，提醒故障点；若是能量管理系统在一定时间内失效，由于有均压电路在工作，也能保证系统正常工作，不会因此而失控。

　　3单体电容器电压均衡技术超级电容器的单体耐压仅2.7V，在此应用中需得到400V的电压，这就需要若干单体超级电容器串联使用。而串联后由于单体超级电容器内部性能的偏差，如容量偏差、漏电流、ESR的不一致都可能造成各单体超级电容器充电电压不均衡，因此为了确保每一个单体超级电容器的电压均衡，应在每个单体超级电容器上配置相应的电压均衡电路。普通电容器的串联使用时，仅需在电容器两端并上电阻即可，保证并联电阻上的分流值约为电容器漏电流的10倍左右即可。然而这样采用电阻均压方式存在一个问题，通常电容器是接于电源上，因此，有些漏电流也没多大问题。然而，超级电容器组是作为储能元件，过大的漏电流会消耗超级电容器的储能。超级电容器组在混合动力汽车上的应用不仅需要很大电流充放电，而且需要确保电荷保持能力。因此，采用传统的电阻均压方式很不适合。这就需要一种均压性能良好的均压电路，使其百余只超级电容器串连时仍具有良好的均压效果。

　　本文设计的电压均衡电路如，其基本工作原理为：将超级电容器端电压经电阻网络分压后送到电压基准，利用电压基准随环境变化小的特点，通过调整稳压部分的电路保证其输出恒定在这个分压值之下，确保正常工作时，其输出不能驱动输出调整管。当超级电容器端电压达到或超过限定电压的时候，稳压电路工作在临界状态，类似比较器输出驱动输出调整管，输出调整管工作，根据超级电容器端电压与限定电压的大小，由稳压电路来确定驱动输出调整管输入的大小，使超级电容器端电压达到限定电压后能得到一个很陡峭的放电电流，从而使超级电容器端电压限定在额定电压范围内。此电压均衡电路设计时，分压电阻取值很大，正常工作时其耗能比普通并联电阻均压的耗能小得多。

　　整个电路的工作特性类似稳压值为超级电容器额定电压的稳压二极管特性，从而保证了超级电容器在充电时由硬件电路保证超级电容器端电压不超过额定电压，由于电路中增加了稳压电路，其输出驱动输出调整管，故此整个电压均衡电路又不再是稳压二极管特性。

　　超级电容器正常工作时不会进入这种状态，在超级电容器额定电压以下，均压电路基本上没有电流，保证了超级电容器的电荷保持能力。另外与用稳压二极管箝位或适当数量普通整流二极管串联后并于超级电容器相比，克服了稳压二极管的稳压值及二极管导通电压随温度变化较大，而且其伏安特性相对较软的缺点。电路整体设计在布线上考虑到了超级电容器充放电工作时，大电流所产生的电磁干扰对整个电路稳定性的影响，整个电路通过了大电4超级电容器组能量管理系统超级电容器组是由多个单体电容器串并联组成的，为使其可靠而稳定地工作，设计了能量管理系统。为防止超级电容器组中每一个单体超级电容器失效或因意外而影响整体系统的正常工作，因此要对每一个单体超级电容器的端电压进行实时监测。

　　另外，系统要在第一时间将故障状态经过CAN-bus上报给主机管理系统，而且需要检测直流总线上的电压、电流及SOC上传主机管理系统。并且系统需要提供显示具体的故障点和实时监测数字显示，并且提供历史数据储存，能够和PC机通过串行口通信，分析和处理历史数据。

　　超级电容器组的能量管理系统由以下几部分组成：单体检测单元、子机MCU系统、能量管理系统单元、历史数据管理单元。

　　4.1单体检测单元为其设置单体超级电容器失效监测电路，当某一单体超级电容器因各种原因失效，监测电路都会在第一时间内向超级电容器组能量管理系统报警。

　　体故障判别模块构成。

　　温度传感器采用单总线温度传感器，初始设置上下限温度，将各个单体电容器的单位温度转化成数字信号直接传送子机MCU系统完成实时监控功能，每组子机服务单元测量8个电容温度、量程-2070 *C，测量精度*0. 4.3能量管理系统单元数据采集部分采用分辨率不低于12Bit的A/D转换器，并采用电器隔离和抗干扰技术。CPU采用以89C51的高性能单片机为核心，CAN总线硬件作为CAN控制器和CAN控制器接口与多能源管理系统的通讯，为多能源管理系统提供电源组工作状态信息，支持CAN2.0B协议。

　　该单元的硬件电路采用电器隔离和抗干扰技术，完成电容器组的能量管理系统功能。能量管理系统单元通过内部总线得到各单体电容器的电压、温度等数据的实时故障状态，并实时监测单体电压完成故障诊断与报警状态的判别，确保系统的实时性。

　　另外整个系统还加一部分具有一定的数据存储功具体的每一个监测电路都确定四个监测阈值电压，然后通过相应的逻辑变换电路，转化成为子机MCU系统能够识别电压监测单元数据，具体每组单元故障判别都是通过相应的逻辑电路来实现。

　　4.2子机MCU系统子机MCU系统完成的功能主要是：采集各个单体电容器的电压监测单元数据，连接各单体故障判别单元数据，另外还要采集各个超级电容器的温度状态，实时监测各个单体超级电容器的温度。

　　整体的子机MCU系统设计框图如所示。

　　子机MCU系统设计框图该单元采用电器隔离和抗干扰技术完成电容器组各单体电容器的电压、温度等数据的实时测量，并实时监测单体电压完成故障诊断与报警状态的判别，并通过内部总线将结果提供给数据采集及能量管理控制单元。

　　本单元硬件采用89C2051CPU和基于内部总能的硬件结构，通过软硬件同时过滤故障数据，防止因为某种原因系统的误认和误动作，从而确保了上传的故障状态数据和存入历史状态数据库中历史数据的真实和准确。

　　4.4历史数据管理单元历史数据管理单元主要完成管理历史数据的任务，完成与PC机连接，能够通过液晶屏显示相应的信息。

　　5测试结果5.1超级电容器单体均压电路测试超级电容器单体均压电路的转折电压在2. 722.74V之间，比较大电压偏差20mV，在工程允许范围内。有效均流值大于2A（国外同类产品仅能达到0.7A），2A均流条件下的端电压为2.953. 00V，低于超级电容器的3.6V分解电压，符合超级电容器的工作电压范围。

　　5.2超级电容器组特性测试放电电流下，输出电压从390V放电到252V，可以持续约18s.由于三组并联的总内阻（0.2mQ）比单0.45mQ）小，使超级电容器组在放电时由于内阻造成的压降由15V减小到5V，这样超级电容器组就多出10V的放电空间，在同样的放电初线的多个数据采集电压监测模块、温度监测模块、单始电压终了电压和放电电流的条件巧大约可以梦t放电约3s.放电曲线如。

　　超级电容器组的放电特性5.3单体电容器的电压均匀性在电容器组的初始电压为零的条件下以50A的充电电流充电到400V，各单体电容器的电压比较高值和比较低值分别为3.1V和2.75V，偏差0.35V，比较高值低于超级电容器的3.6V分解电压，符合超级电容器的工作电压范围。

　　6结论从测试结果和仿真效果可以看出，由大量单体超级电容器串并联组成超级电容器组以提高电压是可行的。配以单体电容器的电压均衡电路可以提高系统的效率和可靠性，能量管理系统对超级电容器组中的任一单体的各种故障能够实时测量并报警，实现能量管理功能，提高系统的可靠性和稳定性，在混合动力汽车应用中具有重要的实用价值。