在傳統(tǒng)的能量供應系統(tǒng)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(fā)展和保護環(huán)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(lián)使用等優(yōu)點而備受關注。

在混合動力汽車能量供應系統(tǒng)中，電池儲能系統(tǒng)存在著諸如低溫特性不好，在惡劣環(huán)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(yōu)勢，不僅可以提供短時間的高功率脈沖，而且還具有優(yōu)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。

針對超級電容器在串聯(lián)使用過程中存在的單體電壓差異大而導致超級電容器組的儲能效率降低和加速老化的問題，提出了一種應用電池組監(jiān)控芯片LTC6803-4的超級電容器組管理系統(tǒng)，實現(xiàn)超級電容器組的單體電壓、溫度監(jiān)測和電壓均衡等功能。實驗結果表明，該方法檢測精度高，速度快，功耗低，可對串聯(lián)超級電容器組進行有效的監(jiān)控和管理。

超級電容器與其他電化學蓄電池相比，在充放電過程中不發(fā)生化學反應，具有充放電速度快、功率密度大、工作溫度范圍寬、循環(huán)使用壽命長等特點，可應用于微電網(wǎng)、電動公交等領域。由于超級電容器的單體額定電壓低于3 V，多數(shù)應用中需要串聯(lián)構成超級電容器組。受到容量偏差、漏電流及等效串聯(lián)電阻（ESR）等因素的影響，在循環(huán)使用中各個超級電容器單體電壓差會增大，如果不采取必要的均衡和管理措施，會導致超級電容器組的儲能效率降低，影響超級電容器的壽命［2］。因此，有必要研制一種高性能的超級電容器組管理系統(tǒng)，監(jiān)測超級電容器組的單體電壓和溫度，并進行電壓均衡控制。目前的管理系統(tǒng)設計中常采用高精度A/D轉換器和多通道模擬開關或光耦繼電器等電路實現(xiàn)。

LTC6803-4是凌力爾特（LTC）公司的第二代電池組監(jiān)控芯片，內置一個12位高速A/D轉換器，能夠測量多達12節(jié)串聯(lián)電池組的電壓和溫度，可測量5 V以下單節(jié)電池電壓和溫度，最大總測量誤差小于5 mV［5］。通過運用一個可尋址的SPI串行總線接口，最多可以把16個LTC6803-4器件級聯(lián)起來，以監(jiān)測多于12節(jié)的串聯(lián)電池組中每節(jié)電池的電壓。LTC6803-4自帶電壓均衡控制功能，可軟件設定均衡啟動電壓。

本文應用LTC6803-4設計了一種超級電容器組管理系統(tǒng)，系統(tǒng)以32位微處理器STM32F103為控制核心，實現(xiàn)對120節(jié)串聯(lián)超級電容器組單體電壓和溫度的監(jiān)測及顯示，并對超級電容器組進行電壓均衡控制。實驗結果證明了該方法的有效性。

系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件總體框架

超級電容器組管理系統(tǒng)應具有對超級電容器組的單體電壓與溫度等信息的監(jiān)測、電壓均衡、過壓與過流保護和數(shù)據(jù)通信等功能。超級電容器組管理系統(tǒng)的結構如圖一所示。

每12節(jié)超級電容器構成一個超級電容器儲能單元，由一個監(jiān)控單元負責監(jiān)測超級電容器儲能單元中的單體電壓和溫度等信息，并對超級電容器組進行電壓均衡，10個監(jiān)控單元（#1～#10）通過并行連接的數(shù)據(jù)總線與微處理器通信；微處理器從各監(jiān)控單元依次讀取單體電壓、溫度數(shù)據(jù)，通過電流傳感器和電壓傳感器檢測超級電容器組的總電流和總電壓，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示在觸摸屏上，同時微處理器將采樣到的電壓、電流、溫度等信息與系統(tǒng)設定的報警值比較，通過控制充電開關和放電開關的吸合和關閉，防止超級電容器組過充電、過放電、過流、短路和溫度過高；可通過CAN總線與監(jiān)控上位機通信，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

微處理器選用ST公司基于Cotex-M3內核的32位微處理器STM32F103VET6，該微處理器具有片上外圍模塊豐富、功耗極低、開發(fā)方便等特點。STM32F103VET6具有80個獨立輸入/輸出引腳，3個通用異步串行通信接口（UART）和1個CAN總線接口，滿足本系統(tǒng)的設計需要。

監(jiān)控單元電路

監(jiān)控單元電路采用電池組監(jiān)控芯片LTC6803-4。LTC6803-4與LTC6803-3的主要區(qū)別是通信接口方式不同。LTC6803-4采用可尋址的SPI串行接口總線方式，而LTC6803-3采用菊花鏈級聯(lián)方式。監(jiān)控單元電路的原理圖如圖2所示。

LTC6803-4通過光電隔離器Si8441隔離的SPI總線與STM32微處理器通信，Si8441由5 V輸出的隔離DC/DC模塊供電，保證系統(tǒng)的安全性和抗干擾能力。

LTC6803-4的C0～C12為單體電壓檢測引腳，分別連接到12只超級電容器單體的兩端。C0接超級電容器單元的最低電壓端，C12接最高電壓端。

S1～S12引腳為電壓均衡控制引腳，分別控制與每個超級電容器并聯(lián)的均衡MOSFET VTn與均衡電阻Rn。當LTC6803-4檢測到某個超級電容器的單體電壓超過設定的上限值時，控制對應的MOSFET開通，通過均衡電阻放電，達到電壓均衡的目的。

V+、V-引腳為LTC6803-4的正、負電源引腳，采用寄生供電方式時，可直接從該芯片監(jiān)控的12只串聯(lián)超級電容器單元取電。也可采用獨立供電方式，但要求電源電壓不低于被測超級電容器儲能單元的電壓。LTC6803-4的正常工作電流小于1 mA，在待機模式下功耗降至12 μA，有利于管理系統(tǒng)效率的提高。

VTEMP1和VTEMP2是兩路溫度檢測A/D接口，使用兩個100 kΩ的熱敏電阻（NTC）作為溫度傳感器，由VREF引腳提供3.065 V的電壓基準。

A0～A3為LTC6803-4的4位地址輸入口，可通過4位地址撥碼開關設置LTC6803-4的地址，地址設置范圍為0000～1001（二進制），以區(qū)分不同監(jiān)控單元。