超級電容器從儲能機理上面分的話，超級電容器分為雙電層電容器和贗電容器。是一種新型儲能裝置，它具有功率密度高、充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。超級電容器用途廣泛。

超級電容器具有循環使用壽命長、充放電速度快、功率密度大等特點。由于單體電容量的差異，在數個充、放電循環后，單體電壓差異加大，導致超級電容器組輸出功率降低和老化加速。為此，提出了一種實用的基于電池組監控芯片LTC6803-3 的超級電容器組管理系統，系統采用 STM32F103 為控制核心，主要功能包含電容器組的單體電壓、溫度、電流監測和電壓均衡控制。介紹了系統的硬件和軟件，測試了系統的動態性能和精度。測試結果驗證了該方法的有效性

超級電容器是近年來新興的一種電力儲能器件，它具有循環使用壽命長、工作溫度范圍寬、充放電速度快、功率密度大等特點，在智能電網、電動汽車等領域已得到廣泛關注。由于超級電容器單體電壓較低，在實際應用中需要大量超級電容器的串聯構成超級電容器組，受到電容器容量的偏差、漏電流及ESR 的影響，各個單體電容器上電壓差較大，如果不采用必要的均壓措施，會導致整個超級電容器組的儲能效率降低。另外過高的電壓、溫度都會降低超級電容器的壽命。因此，研制高性能的超級電容器組管理系統對于提高超級電容器的使用壽命，提升超級電容器組的儲能效率是十分必要的。

超級電容器組管理系統 應具有對超級電容器組的電壓、溫度等信息采集和電壓均衡的功能，系統設計中采用高精度 A/D 轉換器和多通道模擬開關或光耦繼電器電路實現。本文設計了一種基于電池組監控芯片 LTC6803-3 的超級電容器組管理系統，系統采用 Cotex-M3 內 核 的 32 位 微 處 理 器STM32F103 為控制核心，實現對 120 節串聯超級電容器組單體電壓和溫度的檢測及顯示，對超級電容器組的充、放電過程進行監控和保護，并通過 LTC6803-3 內部的均壓控制邏輯電路實現超級電容器組的電壓均衡控制。系統應用于智能電網的斷路器操作電源。

系統硬件設計

系統硬件總體框架

本文設計的超級電容器組管理系統的組成結構如圖 1 所示。每個超級電容器監控單元檢測 12 節超級電容器單體電壓值和溫度值，并控制均衡電路對超級電容器組進行電壓均衡，10 個超級電容器監控單元通過通信總線與微處理器交換數據信息；微處理器從各監控單元依次讀取單體電壓、溫度數據通過電流傳感器和電壓傳感器獲取電容器組的總電流和總電壓，經過內部處理后用觸摸屏進行顯示，同時微處理器將采樣到電壓、電流、溫度等信號與系統設定的報警點比較，通過充放電控制電路，控制相應的充電、放電接觸器開關 K1 或 K2的吸合和關閉，防止對超級電容器過充電、過放電、過流、短路和溫度過高；并可通過 CAN 總線與其他主機通信。

為了最大限度地利用微處理器端口和片內外設資源并降低設計成本，本系統選用 ST 公司基于 Cotex-M3 內核的 32 位微處理器 STM32F103VET6，該微處理器具有極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發方式等特點。具有 80 個獨立高速 I/O 引腳，內置 2 個 12 位 A/D 轉換器，3 個通用異步串行通訊接口和 1 個 CAN 接口，可使用JTAG 口方便地進行程序的下載和仿真調試，完全滿足本系統高手控制與數據處理的需要

監控單元電路

監控單元電路的設計采用凌力爾特公司的新一代電池組監控芯片 LTC6803-3，LTC6803-3 是該公司的第二代完整電池組監控 IC，芯片內置一個 12 位 ADC，一個精準電壓基準，一個高電壓輸入多路復用器和一個 SPI 串行接口，能夠在輸入共模電壓高達 60 V 的條件下測量多達 12 個串聯電池或超級電容的電壓和溫度，最大總測量誤差小于 5 mV［5］。通過運用一個獨特的電平移位串行接口，可以把多個 LTC6803-3 器件以菊花鏈形式串聯起來，無需使用管耦合器或隔離器，以監測多于12 節的串聯超級電容器組中每節超級電容的電壓。采用LTC6803-3 的監控單元電路原理圖見圖 2。

LTC6803-3 通過光電隔離器 Si8441 隔離的 SPI 總線與STM32 微處理器的 SPI 接口連接，光電隔離器 Si8441 由 5 V隔離 DC/DC 模塊供電，保證 DC 1 500 V 的隔離電壓，提高了系統的安全性和抗干擾能力。

LTC6803-3 的 C0～C12 引腳連接 12 只超級電容器，檢測每節超級電容器的電壓。C0 接串聯超級電容器組的低電壓端，C12 接高電壓端。S1～S12 引腳為均衡放電控制引腳，分別控制與每個超級電容器并聯的 MOSFET VTn 和均衡電阻 Rn，當某個超級電容器的單體電壓超過芯片配置寄存器設定的上限值時，LTC6803-3 自動控制開啟對應的 MOSFET，通過均衡電阻放電，達到電壓均衡的目的。盡管該均壓方案為能耗型均壓方式，但電路動作速度快，成本低。實際應用中發現，通過對超級電容器的篩選，超級電容器組需要進行電壓均衡動作的頻率較低，均衡電路的功率損耗處在系統可以接受范圍之內。

V+、V- 引腳為 LTC6803-3 的正、負電源引腳，可采用獨立供電方式給芯片提供工作電源，本設計中采用的是寄生供電方式，直接從該芯片監控的 12 只串聯超級電容器組獲取電，電路簡單。

VTEMP1 和 VTEMP2 接口是兩個通用 12 位 A/D 接口，可用于溫度檢測，本設計中接入了兩個 100k 的 NTC 熱敏電阻以監測超級電容器組溫度及環境溫度，由 VREF 引腳提供 3.065 V 的電壓基準。

CSBO、SDOI 和 SCKO 三個引腳是用于和高電壓端的LTC6803-3 芯片（CSBI、SDI、SCKI 引腳）級聯通信的 SPI 接口，形成菊花鏈連接。在本系統中，采用 10 片 LTC6803-3 芯片級聯。串聯的 3 只快速恢復二極管作用是防止電流反向，保護通信接口引腳。

LTC6803-3 的正常工作電源電流不足 1 mA，在待機模式下，電源電流減小至 12 mA，大大降低了整個超級電容器組管理系統的功耗，提高了系統的效率。

總電流和總電壓采集電路

根據應用系統對超級電容器組的要求，超級電容組電壓范圍 0~300 V，電流范圍為－20~+20 A。總電流采集電路采用LEM 霍爾電流傳感器 LA50-P，當測量電流為±20 A 時，輸出電 壓 ±1.5 V， 但 是 STM32F103 的 A/D 輸 入 口 只 能 接 收0~+3.3 V 的正向電壓，因此，設計了一個加法器將電流傳感器輸出的電壓從－1.5～+1.5 V 提升至 0～+3.0 V。電流傳感器電壓調理電路如圖 3 所示。

超級電容器組總電壓的采集采用北京森社電子有限公司的閉環霍爾電壓傳感器模塊 CHV-50P/400 A。該模塊額定電壓：400 V；VN 測量范圍：0～±600 V；精度為 VN 的±0.8%；輸出電壓：0～+3.0 V，滿足系統的測量需求。

觸摸屏模塊

本設計中選用武漢谷鑫科技的 10.4 寸工業級觸摸屏模塊TFT8060RS104BN 作為人機接口，用于顯示超級電容器組的單體電壓、單元溫度、總電壓、總電流、剩余能量和故障狀態等信息以及接收用戶查詢與控制指令。TFT8060RS104BN 的驅動采用 UART 接口，與 STM32F103 的 UART0 連接，實現指令和數據交換。

CAN 總線通訊模塊

通訊模塊實現上位機與現場微處理器之間的長距離數據通訊。采用 STM32F103 微處理器內部集成的 CAN 總線控制器。CAN 總線控制器發送輸出端 TX 與接收輸入端 RX 分別經高速集成光電耦合器 6N137 隔離后，與 CAN 總線接口驅動芯片 PCA82C250 的 TXD 和 RXD 相連。

系統軟件設計

系統軟件設計的核心任務是控制 STM32F103 通過 SPI 口與 LTC6803-3 通信，發送命令代碼和 PEC 校驗字節，實現寫入配置寄存器、讀出配置寄存器、啟動電壓轉換、讀電壓、讀溫度信息等操作。LTC6803-3 完成一次 12 節超級電容器電壓轉換僅需要 13 ms，SPI 通信速率設定為 1 Mb/s。系統軟件流程如圖 4 所示。

測試結果與分析

本系統選用 120 只 360 F/2.7 V 的超級電容器串聯構成超級電容器組。超級電容器組管理系統測試照片如圖 5 所示。圖5 中左側為 1 000 V/50 A 可調直流穩壓電源，右側為超級電容器組管理系統。

充電均衡測試中，系統的均衡電壓上限設定為 2.67 V，當超級電容器單體電壓超過 2.67 V 時，放電 MOSFET 打開，啟動電壓均衡；電壓低于 2.65 V 時，放電 MOSFET 關閉，均衡電流 5 A。充電模式選擇恒流 - 恒壓模式，充電電流限制在 10.1A，充電至總電壓達到 312 V 時進入恒壓充電狀態，整個充電過程中，均衡電路動作偏差小于 20 mV。

系統對 120 只超級電容器單體電壓巡檢的周期約為 20ms，能夠滿足對超級電容器組快速充、放電過程中電壓檢測速度的需要。

在超級電容器組充電并均衡后，將系統中 LTC6803-3 測量的數據與 FLUKE 萬用表 F17B 的測量結果進行誤差分析。LTC6803-3 和 F17B 測量的其中一個超級電容器單元的單體電壓數據如表 1 所示。分析得出平均誤差為 5.17 mV（0.19%），最大誤差 7 mV（0.26%），與 LTC6803-3 數據手冊中的 0.25%最大總測量誤差相接近，發揮了芯片內部 12 位 ADC 的性能，精度滿足超級電容器組單體電壓測量的要求。

本文提出的基于 LTC6803-3 的超級電容器組管理系統已成功應用于智能電網斷路器操作電源中，系統工作穩定，運行良好。系統以 STM32F103 微處理器為控制核心，采用電池組監控管理芯片 LTC6803-3 實時采集超級電容器組的單體電壓、溫度等狀態信息，并對超級電容器組進行電壓均衡控制，通過觸摸屏顯示狀態參數和接收用戶指令，也可以通過 CAN總線通信模塊與上位機通信，實現遠程監控管理。本系統結構簡單、運行可靠、檢測精度高，均衡動作快速，能夠很好地滿足不同領域對串聯超級電容器組監控管理的技術要求，可廣泛應用于電動公交、智能電網等場合，具有重要的實用意義。