论文北京中国科学院，逯仁贵，朱春波，孔治国，石晓宁，王祁基于变换器的超级电容组均衡管理系统高技术通讯文东国，张逸泉，梁海泉种快速低损耗超级电容均压策略的研究电力电子技术上海奥威科技开发公司双电层电容器简介柴庆冕超级电容器储能系统充放电控制策略的研究硕士学位论文北京北京交通大学，邓欢欢超级电容器电源模块电压均衡技术及结构参数设计的研究硕士学位论文武汉华中科技大学，刘小宝，许爱国，谢少军串联电容器组电压均衡研究电力电子技术，吴友宇，梁红电动汽车动力电池均衡方法研究汽车工程，李海冬，齐智平种新颖的串联超级电容器组的电压均衡方法电源系统李忠学，陈杰超级电容器组件的电压均衡控制电路设计电子元件与材料杨威，杨世彦，郭伟峰基于的超级电容器组均衡充电系统监控单元的研究电子器件上有各种选择，对比了多个型号后，我选择了作为此次设计主电路中的开关管。工作温度范围为。，完全满足超级电容器的工作环境温度的要求，最高可到，为，漏电流仅为，测试温度为。，为时，工作电流可达，测试温度为。，相同时，工作电流可达，因此该元件完全满足设计要求。续流二极管选择肖特基二极管，工作平均电流为，冲击电流可达，最大反向电压为，导通压降为，从仿真情况来看，放电回路电流的大小般为零点几安培，为留有定裕量，选择满足设计要求。变压器选择变比为的变压器，原边副边电感值都为，与前面的储能电感值致。主电路的部分电路的原理图如图所示。图均衡主电路主电路管驱动电路主电路管驱动电路采用了光耦器件进行电气隔离，能有效的防止因直接电气连接带来的干扰。驱动电路如图所示。驱动电流般为，最大可为，因为由直接产生，最高为，所以限流电阻可选为，使工作在安全电流下。供电电压可为，此次设计采用电压电源为供电，其输出信号就是驱动管的驱动信号，要产生信号还要在三极管的基极上提供信号，为信号，由单片机通过输出信号控制选通。是个固态继电器，它也有隔离作用，可以避免控制电路和主电路之间的干扰。只有当导通时，才会闭合，的导通压降为，导通电流为，因此限流电阻选为。的工作环境温度为。到。，比超级电容器的工作温度范围还宽，并且输出功耗也很低，只有，符合设计的要求。图管驱动电路电路电源设计电路中均衡电路的管的驱动电路需要的电源和电源，而单片机的供电电源为，因此要设计出这三种电源。电源集成模块有着使用方便简单，并且内部集成有各种保护电路，是电源设计不二之选。为保护电路，在电源电路中加了熔断器，熔断器熔断电流选为即可满足保护的要求，并加入了共模抑制器加强抗干扰能力。电压转换采用的是台湾捷拓的电源集成模块系列，该系列是具有微功率只有微小尺寸双排插件超宽输入范围的直流对直流电源模块，其工作温度范围为它具有电压精度高效率高和联锁控制功能的特点。电源模块和可以分别提供和电源，它们的电压输入范围是，完全满足设计需要。单片机的供电电源由芯片稳压提供，是工业级的集成稳压芯片，工作温度范围为。到。，其内部提供限流保护和热保护，输出锻压的精度在以内，其输出电压般需要个的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。由于需要的数字电源和模拟电源，因此设计了两路分别为单片机供电，并用电阻将数字地和模拟地连接在起，这样可以避免相互干扰。电源电路图如图所示。图电源电路单片机外围电路设计本次设计采用公司超低功耗的作为主控芯片，主要是因为系列单片机功耗低符合节能的要求，并且具有低电压，唤醒时间短唤醒等特性。它有路个位定时器个路位内部温度传感器的和的，完全满足此次设计的要求。主要承担超级电容器电压和温度的采样，均压电路的工作控制以及相关运算。图画出了的复位电路和外接晶振回路等。图主控芯片电路信号选通电路和管驱动中电源信号选通电路设计由于信号是由单片机的定时器产生的，只有路，因此需要利用多路模拟开关来控制，以实现分时复用。管驱动中的电源信号需要电源，为了控制成本，也是需要通过多路模拟开关来选通，实现分时复用的功能。因为这次设计用的是个超级电容器串联成的模组，管驱动中的就要个，电源信号也就要用个，因此选用路选的，以实现电路的设计。同样的，信号也要路，也选用。的工作电压范围为，设计中单片机输出信号为，管驱动中的电源信号需要电源，都是在的工作电压范围内。其输入电压范围为，并且具有低导通阻抗，导通时电阻保持相对稳定的特点，其工作温度范围广，符合设计的要求。加入可以灵活的选通相应通道，也可以直接通过控制端对所有通道都禁止选通。这两个电路图如图所示。图信号选通电路和电源信号选通电路超级电容器电压检测电路设计和温度检测电路设计超级电容器电压检测电路设计超级电容器电压检测电路是利用单片机的输出来控制固态继电器的通断来选通采样的超级电容器的电压。由于超级电容器的电压值较低，不超过，采样电路就可以直接用运放来实现检测。最常用的运放是和功率运放，但是设计中无需使用功率运放，而且的工作环境温度范围较小，所以运放选取的是。检测回路采用运放的反向放大获取电容电压，因为反向方法可以抑制共模干扰。是工业级运放，工作温度范围较广，和超级电容器的工作温度范围相仿。超级电容器的选通检测同样用隔离了电路和超级电容器两个回路，避免了干扰的引入也实现了对不同超级电容器的电压检测。因为有着路，因此本次设计中采用了两路超级电容器电压的采样电路，这样每次可以直接采样得到两个超级电容器单体的电压。超级电容器电压检测电路如图和图所示。图超级电容器电压采集电路图超级电容器检测选通电路温度检测电路设计本身有自带的温度传感器，但是其，只要配置好相应的寄存器就可以实现串行通讯。波特率是实现通讯的关键，的波特率发生器的输入频率是由发送控制寄存器的相应控制位决定的，设计中的外部晶振为和，而无线通讯模块的波特率为，由此可见波特率发生器的输入频率不可能为所需波特率的整数倍，因此需要通过的另个控制寄存器，即波特率调整控制寄存器来得到所需的波特率，波特率的计算公式为波特率其中为存放波特率发生器的分频器分频因子的整数部分，为波特率调整控制寄存器中的各位。通过这样的设置即可得到的波特率。无线通讯的实现只需将的接受和发送使能，并将其中断使能，并设置好相应的控制寄存器即可。模块程序设计模块程序设计是程序设计中必不可少的部分，该模块的功能是实时监控超级电容器的健康状态，通过电压采集可以实现对均压电路的控制，实现均压功能，并且旦超级电容器发生电压过高或者温度过高即可报警。的模块为位的模数转换模块，转换精度较高，的内核还可以根据需要打开或者关断，以节省系统的功耗。其参考电压可选择内部电压也可以选择外部参考电压，因为超级电容器的额定电压为，内部电压只有和两种，并不能满足设计要求，所以只能选择外部参考电压。外部参考电压选择为的模拟电压输入电压，即，而且温度传感器的输出电压为到，所以参考电压的选择完全满足设计的需求。因此输入的模拟电压的最终转换结果可以由如下公式计算得到式中为模拟输入电压，为参考电压，即。的模数转换模式有四种，设计中需要转换的有超级电容器的电压值和超级电容器的温度，电压检测和温度检测的程序分开控制，因为电压检测用的是两路检测电路，所以模块采用的是序列通道单次转换模式，温度检测则用的是单通道单次转换模式。转移算法模块程序设计转移算法是程序设计的核心，但也相对简单，均衡电压方案选择的是电感储能单向转移法，只需要判断前面的个超级电容器的电压是否大于相邻的下个超级电容器的电压，若大于则打开相应的管，让前面的超级电容器给相应的电感充电，充完电后再关闭管，使电感通过续流二极管放电，也就是给相邻的下个超级电容器充电，如此循环工作，直至检测到相邻超级电容器单体的电压差达到允许值。转移算法中还要考虑优先转移的问题，也就是说相邻的超级电容器单体的电压差有大有小，这是由于超级电容器的个体参数不致的随机性。所以程序中要设置两个阈值，当相邻两个超级电容器，前面个大于后面个的值超过设定的较高的阈值时才进行能量的转移，只有当所有的相邻超级电容器的电压差都小于较大的设定的阈值时才判断是否有相邻的超级电容器的电压差大于较小的阈值，有的话就通过程序控制，使得均衡电压电路工作。第五章结论超级电容器有着其特殊的优点，但是单体电压低使得在应用的时候要串联起来组成模组以适应负载的要求。串联起来的超级电容器模组储能装置存在着单体电压不均衡的问题，而这又会影响超级电容器的性能，使用的时间越长电压不均衡就会越严重，很容易使得超级电容器过充而使得其寿命急剧下降。目前，超级电容储能装置所面临的电压均衡问题是世界研究的热点，虽然已有各种不同的电压均衡方法，但是各有千秋。如果能在制造超级电容器的工艺上进步减小其单体的参数不致，那么利用外部电路来均衡其电压的任务就可以大大的减轻。基于目前的制作工艺，我们也只能利用外部电路来承担均衡电压的任务。如果可以解决超级电容器单体电压的不均衡，那么它的应用范围将会更加广泛。文中对超级电容器模组的几种电压均衡方案进行了原理分析，通过对超级电容器模组电压均衡方案的比较，可以知道，在当今社会，能耗型均压方案不适合时代发展的需要，而非能耗型均压方案大多都是实现起来相对复杂，硬件电路往往要结合软件才能实现电压的均衡，成本相对能耗型方案要高。经过分析比较，此次设计采取了电感储能单向转移法来实现超级电容器模组的电压均衡，此方案的电路相比其他非能耗型均压方案较为简单，成本也较低，结合软件控制可以很好的实现模组内部超级电容器的电压均衡。利用仿真软件，本文对电感储能单向转移法进行了详细的仿真实验，仿真结果证明该方法是可行的