地铁储能系统中超级电容电压均衡及检测

李艳波，王笑寒，姚博彬，魏梦卓，陈俊硕

（1.长安大学 能源与电气工程学院，陕西 西安 710064；2.长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064）

0 引言

随着我国经济发展迅速，城市地铁正快速发展。由于地铁列车的频繁启动和制动，列车制动能量回收再利用成为了研究的热点。

超级电容因其寿命长、充放电安全且快速的特性而被广泛应用于制动能量回收再利用。通常将超级电容串并联组合成超级电容模块应用在工程实际中。为了提高整个模块的功效，需要检测整个超级电容模块的工作状态[1-4]，为电压均衡的控制提供依据。

文献[5]基于一定时间序列的各种信号建立超级电容器的功率预测模型，超级电容器的储能/释放能量可以与电网能量和电机功率充分协调，保持动态供需功率平衡。文献[6]设计了一种基于超级电容器的储能系统，提出一种具有能量管理层和转换器控制层的分层控制策略，并验证了所提出的拓扑结构和控制策略的可行性。文献[7]提出一种超级电容和低压能馈相结合系统的再生制动能量吸收方案，并采用功率电流双闭环控制策略实现能量分配。文献[8]研究了一种仅使用一个双有源全桥转换器的解决方案，该转换器的低压侧可以在超级电容器模块的电池之间切换，均衡电流可由转换器控制。文献[9]提出了leader-follower 协同控制，以提高充电时间，同时保持均衡性能；利用Lyapunov 稳定性和切换系统理论证明了控制收敛性。文献[10]研究了一种多维模糊控制（MFC）策略来平衡串联的超级电容器（SC），减少了SC 串联的不一致性。文献[11]提出了基于复用技术的改进型开关电容均衡器，电路中的超级电容通过能量的再利用，可以作为储能电池和能量转移电池，从而避免了旁路电容的大量使用。

基于上述分析，本文研究超级电容组的分层式电压均衡方案；对超级电容组进行工作状态检测、控制以及对每个超级电容单体电压进行实时监测；设计多路切换电路对超级电容器组各单体电压信号进行切换；设计电路板对MAXWELL 的48 V 电容组进行监测，实现电容电压均衡，使用LabVIEW 编写上位机软件监控界面，实现超级电容电压数据的显示及控制。

1 系统整体方案设计

1.1 超级电容应用

本设计采用18 个2.7 V/3 000 F 的超级电容串联成48 V/150 F 的超级电容模块。

超级电容单体有效容量，即可释放能量为：

其中：C为超级电容额定容量；U0为超级电容初始电压；UC为超级电容额定工作电压。

引入超级电容放电深度α：

将式（2）代入式（1）即得超级电容有效容量为：

由式（3）可知，Ec与α有关，α越大，Ec越大。取α为0.5[12]。

1.2 超级电容电压均衡电路方案分析与设计

超级电容电压均衡装置总体结构中的超级电容组由2 个48 V 超级电容模块串联而成，使用MCU 控制模块控制不同电路以满足系统的需求。

超级电容组单体数量多，为了提高均衡速度、效率，增加系统的准确性，简化系统控制。采用分层式电压均衡方案，分层式的设计有利于电路实现集成化和模块化，且易于维护。分层式设计可以根据不同模块的工作需求而采用不同的均衡电路，提高整个组件的均衡速率和均衡精度。同时，在达到相同预期结果下，使电路更加简化，如图1所示。模块间电压均衡电路电压为48 V，其一般处于大功率工作状态下，故采用非能耗型的电压均衡方案；模块内电压均衡电路为2.7 V，可使用电阻式均衡方法。另外，为保证集成和小型化，有效减小超级电容模块体积。本设计采用IMP809REUR-T电压检测芯片作为核心，用于判断超级电容单体电压并进行电压均衡。超级电容单体提供给电路芯片工作电压为2.7 V，考虑开启电压低，本设计采用达林顿管作为开关器件。

图1 18 节超级电容串联模块

2 系统硬件设计

2.1 硬件系统框架

为了验证提出的超级电容组的电压检测和超级电容单体的电压均衡方案对电容电压的均衡作用，搭建实验平台，包括超级电容均压电路、电压采集模块、隔离电路、电流检测电路、辅助开关继电器控制电路、温度采样电路、CAN 总线，如图2所示。

图2 硬件系统框图

2.2 电压均衡电路

均衡电路采用非能耗型均衡方法[13]，其是通过将高电压单体的偏差能量馈送至电容组或某些低电压单体来实现电压均衡的。电压均衡电路如图3所示。

图3 电压均衡电路

2.3 超级电容电压采样

超级电容电压检测电路是本设计的重要组成部分，使用继电器来实现超级电容组的多路切换，保证电压检测精度。

电压采样流程如图4所示，超级电容组信号需经过多级处理转换后，将信号传递给MCU。

图4 电压采样流程

超级电容电压检测电路主要功能就是检测每个电容的电压，监测其工作状态。超级电容电压检测电路如图5所示。电路实物图如图6所示。

图5 超级电容电压检测电路

图6 电路实物图

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

超级电容电压检测模块负责并传输收集组件中各单体电压信号。基于STM32 单片机进行控制，实现超级电容电压的检测。软件流程如图7所示。

图7 下位机电压监测流程

中断服务程序共有3 个：A/D 转换中断，完成超级电容电压的采样；模块间的CAN 总线数据通信，实现模块间数据的通信；串口通信程序，实现下位机数据向计算机数据通信的功能。

各电压检测模块目前采用500 Kb/s 的通信速率，而PMOS 每次最大选通关断时间为8 ms，一组6 节超级电容需48 ms。但各组超级电容的电压检测是同时进行的，因而可以保证实时检测。各节点在检测完后，依次向上位机发送数据。

3.2 上位机软件设计

上位机软件使用LabVIEW 进行设计。上位机软件主要涉及的子模块有：数据接收模块、数据保存模块、数据显示模块。数据通过串口接收，使用LabVIEW 中的串口VISA模块实现此功能。上位机接收数据后将数据进行有效信息提取并显示在上位机界面上，18 个电容为一组，处理后的数据被保存到指定路径。当超级电容运行出现故障时，会有故障提醒，以便报警通知并传递故障信号给电压均衡系统。缩比验证系统实物图如图8所示。

图8 系统实物图

4 系统测试与分析

4.1 测试实验设计

为了对超级电容电压检测系统的整体误差精度进行评估，有必要对各个环节的误差进行分析。通过LabVIEW 对实验数据进行接收，并测试不同情况下的实验结果。

针对超级电容的均压与检测系统的测试实验设计了以下几种情况：（1）正常情况下超级电容充电完全结束后的均压检测；（2）48 V 超级电容模块充电过程中的电流与电压变化值监测；（3）48 V 超级电容模块放电过程中的电流与电压变化值监测；（4）有1 个超级电容损坏时充电监测与报警。

4.2 超级电容均压检测

实物采用48 V/10 A 电源对超级电容组充电，充电完成后最终得到的超级电容单体电压数据见表1 所列，可知系统均衡效果较好，符合预期要求。

表1 超级电容单体电压测试数据结果

4.3 超级电容模块充电测试

充电过程中电容模块电压变化测试，万用表测量电压记为W，上位机测量电压记为S，单位均为V，见表2 所列。由表2 可知，万用表测量电压与上位机测量电压的测试结果相对误差较小。这说明在充电时，检测电路的检测效果好，可以很好地监控超级电容的充电状态。

表2 超级电容充电电压测试数据结果

4.4 超级电容模块放电测试

放电过程中电容模块电压变化测试，万用表测量电压记为W，上位机测量电压记为S，单位均为V，见表3 所列，其中，万用表测量电压与上位机测量电压的测试结果相对误差很小，不超过0.3%，表明检测电路的检测精度高，可以很好地监控超级电容放电过程。

表3 超级电容放电电压测试数据结果

4.5 超级电容单体故障测试

使用绝缘装置断开一个电容，即该检测电容无电压输入，模拟超级电容损坏过程以及数据显示与报警功能的检测，标记处为报警电容模块位置，如图9所示。

图9 数据显示与报警

5 结语

本文开发了一种地铁储能系统中超级电容电压均衡及检测系统。基于STM32 单片机实现超级电容电压的检测，上位机软件使用LabVIEW 进行设计；完成了超级电容均压检测、模块充电测试、模块放电测试、单体故障测试。测试结果表明，万用表测量电压与上位机测量电压的结果相对误差小，即本文开发的检测系统的精度高，检测效果稳定可靠。