大電流放電實驗系統中超級電容監控保護設計*

洪堯生，方瑞明，彭長青，尚榮艷

（1.華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門 361021；2.廈門宏發電力電器有限公司，福建 廈門 361021）

0 引言

大電流放電實驗系統采用恒流源進行充電，可以提供短時大電流，主要用于測試繼電器及接觸器等在大電流開合時的性能及壽命參數。

超級電容可以在極短的時間內吸收或釋放相當大的功率，是大電流放電實驗系統的核心組成部件。然而，超級電容單體額定電壓低，需要大量單體串并聯組合工作，使用條件、環境溫度、充電電流、偏置電壓、單體參數等諸多因素均將影響超級電容的性能，惡劣的工作環境將會導致其壽命大大降低[1-4]。

因此，必須監控超級電容的電壓、電流和溫度等，當預測到存在故障隱患時及時報警通知管理人員進行維護和處置，防患于未然；當發生破壞性故障時，能夠快速響應自動實施保護動作，防止故障損失擴大[5-6]。

本文首先介紹大電流放電實驗系統，然后詳細論述超級電容監控保護系統的硬件結構面和功能架構，接著重點闡述監控保護系統實現的關鍵技術，最后介紹工程應用情況。

1 大電流放電實驗系統

本文所研究的大電流放電實驗系統原理接線如圖1所示。

系統主要由6個超級電容模塊串聯而成，采用100 A電流源進行充電，輸出提供最高800 V、瞬時1 000 A放電電流。

超級電容模塊 （Ultra Capacitor Module，UCM）采用Maxwell公司生產的BMOD0063P125系列，電容值為63 F，額定電壓為125 V，內部由6節每節8個共48個電容組件串聯而成。該系列超級電容模塊自帶電壓平衡、狀態監測和溫度管理等功能，并且提供CAN總線接口，可以實時獲取超級電容模塊的當前溫度、各節電壓數值、電壓不均衡狀況及各種預警與報警狀態[3-4]。

圖1 大電流放電實驗系統原理接線

2 超級電容監控保護設計

2.1 超級電容監控保護系統的硬件結構

超級電容監控保護系統硬件結構如圖2所示，主要由 人 機界 面 （Human Machine Interaction，HMI）、智能 電表（Smart Meter，SM）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等組成。

圖2 超級電容監控保護系統硬件結構圖

人機界面為7寸觸摸屏，采用組態進行編程開發，分辨率為800×600，自帶2路RS485接口和1路CAN總線接口，支持自定義CAN-bus協議和Modbus協議通信。

超級電容模塊內置通信組件，采用CAN總線與人機界面通信，通信協議為基于CAN 2.0規范的Maxwell自定義協議。

智能電表主要用于監控充電電流、系統總電壓等參數，當總電壓達到限值時切斷充電回路，智能電表和人機界面之間采用Modbus協議通信。

PLC主要用于獲取各個開關狀態，同時進行預、報警聯動控制開關狀態，PLC與人機界面之間采用西門子PPI協議通信。

2.2 超級電容監控系統的功能框架

超級電容監控保護系統的功能框架如圖3所示。

圖3 監控保護系統的功能框架

主要參數及狀態顯示：顯示總電壓及其實時趨勢圖、UCM1#～6#的溫度和全電壓數值、系統主要運行與監控狀態等。

單個UCM詳細參數及狀態顯示：分別顯示每個UCM的溫度、內部每節電壓（共6節，每節相對輸出末端的電壓差，其中第3節電壓也稱半電壓，第6節電壓也稱全電壓）、電壓德爾塔參數（反映內部每節電壓降分配不均衡狀況的參數）、預報警狀態、溫度實時曲線、全電壓實時曲線等。

系統自保護：當系統掉電、開關電源等部件損壞、UCM死機或通信失聯、HMI死機或通信失聯、SM死機或失聯、PLC死機或通信失聯等場合下，能夠在HMI顯示和PLC輸出端反映出來并實現保護動作。

UCM預警聯動：當任意UCM溫度超下限、溫度超上限、全電壓超上限、半電壓超上限、電壓德爾塔峰值超上限發生時，能夠在HMI顯示和PLC輸出端反映出來并實現保護動作，預警涵括報警。

UCM報警聯動：當任意UCM溫度超上限報警、全電壓超上限報警、電壓德爾塔峰值超上限報警發生時，能夠在HMI顯示和PLC輸出端做出反應并實現保護動作。

UCM設置：與UCM進行通信，設置UCM的地址標識、數據上報時間間隔及上報內容等參數。

報警記錄與事件記錄查詢：報警記錄指UCM上報數據中的前述預報警信息記錄。事件記錄指預報警發生時，HMI觸發的事件和處理動作記錄。

3 監控系統實現的技術關鍵

3.1 CAN通信實現

目前國內銷售的帶CAN接口的組態人機界面觸摸屏可選型號很多，但是大部分人機界面只支持標準CANOpen協議（一種基于CAN 2.0規范的應用層協議）通信，而Maxwell超級電容模塊提供的通信接口是基于CAN 2.0規范的自定義協議，因此人機界面選型對后續開發十分重要。

經過反復對比分析，最終選定某公司開發的“LEVI-777A”型人機界面，該型號人機界面支持各種通用CAN擴充協議及基于CAN 2.0規范的自定協議。自定義協議通信數據幀配置界面如圖4所示。

圖4 自定義CAN協議數據幀配置界面

在數據幀配置界面上，不僅可以配置數據幀格式、幀標識、交互模式、數據格式、數據內容等信息，還可通過CtrBit控制位來控制指令發送，并使用Lamp標識位來判斷通信是否成功。

3.2 系統自保護實現

作為超級電容監控保護系統，其自身的可靠性十分關鍵，系統失效的情況包括：系統掉電、開關電源等部件損壞、UCM死機或通信失聯、HMI死機或通信失聯、SM死機或失聯、PLC通信失聯等。

系統自保護的PLC輸出IO接線如圖5所示，正常情況下Q0.1輸出高電平，當系統出現前述失效情況時，Q0.1輸出低電平，報警繼電器輸出使用常閉觸點。

圖5 系統自保護的PLC輸出IO接線

實現原理：正常時HMI控制Q0.1=1，并按一定周期給PLC發送心跳信號（翻轉M0.0值）；當系統掉電和開關電源損壞時，24 V輸出為0，輸出電平肯定為低電平；當UCM死機或失聯及SM死機或失聯時，HMI通過Lamp標識位檢測，然后直接控制使Q0.1=0，輸出變為低電平；當PLC與HMI通信失聯，心跳包中斷，PLC檢測到心跳包中斷后控制Q0.1=0，輸出變為低電平。

3.3 PLC與UCM預、報警聯動

UCM預警情況：溫度超下限、溫度超上限、全電壓超上限、半電壓超上限、峰值德爾塔超上限。當發生UCM預警時，PLC控制啟動聲光報警裝置。

UCM報警情況：溫度超上限報警、全電壓超上限報警、峰值德爾塔超上限報警。當發生UCM報警時，PLC控制切斷充放電回路開關斷路器。

實現原理：UCM以50 ms為周期，不斷通過CAN總線主動向HMI上報UCM狀態信息，其中包括了上述預、報警信息。HMI使用多個后臺腳本（多線程）分別監控每個UCM的狀態，當任意一個UCM出現預、報警時，通過控制PLC的IO輸出實現聲光報警或切斷開關斷路器。

4 監控保護系統運行主界面

超級電容監控保護系統運行主界面如圖6所示。

圖6 超級電容監控保護系統運行主界面

5 結論

本文設計的超級電容監控保護系統，經過調試后測試結果表明，系統運行十分可靠，各個界面的狀態數據更新正確，顯示延時小于100 ms；預、報警準確，HMI顯示延時小于50 ms，PLC預、報警聯動動作延時小于150 ms；當出現系統自保護失效的情況時，HMI和PLC指示正確，HMI指示反應延時小于300 ms，PLC指示反應延時小于1 000 ms。

[1]顧帥，韋莉，張逸成，等.超級電容器老化特征與壽命測試研究展望[J].中國電機工程學報，2013，33（21）：145-153.

[2]許愛國，謝少軍，姚遠.基于超級電容的城市軌道交通車輛再生制動能量吸收系統[J].電工技術學報，2010，25（3）：117-123.

[3]DE D，KLUMPNER C，PATEL C.Modelling and control of a multi-stage interleaved DC-DC converter with coupled inductors for super-capacitor energy storage system[J].Power Electronics，IET，2013，6（7）：1360-1375.

[4]李玲，李宏魁.基于超級電容的電力牽引特性研究[J].微型機與應用，2013，32（24）：78-81.

[5]郝美娟，吳立鋒，關永，等.超級電容容量動態測試系統設計[J].計算機工程與設計，2013，34（12）：4374-4378.

[6]徐文兵.超級電容能量監控系統的研究與設計[D].上海：上海交通大學，2008.