地鐵儲能系統中超級電容電壓均衡及檢測

李艷波，王笑寒，姚博彬，魏夢卓，陳俊碩

（1.長安大學 能源與電氣工程學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064）

0 引言

隨著我國經濟發展迅速，城市地鐵正快速發展。由于地鐵列車的頻繁啟動和制動，列車制動能量回收再利用成為了研究的熱點。

超級電容因其壽命長、充放電安全且快速的特性而被廣泛應用于制動能量回收再利用。通常將超級電容串并聯組合成超級電容模塊應用在工程實際中。為了提高整個模塊的功效，需要檢測整個超級電容模塊的工作狀態[1-4]，為電壓均衡的控制提供依據。

文獻[5]基于一定時間序列的各種信號建立超級電容器的功率預測模型，超級電容器的儲能/釋放能量可以與電網能量和電機功率充分協調，保持動態供需功率平衡。文獻[6]設計了一種基于超級電容器的儲能系統，提出一種具有能量管理層和轉換器控制層的分層控制策略，并驗證了所提出的拓撲結構和控制策略的可行性。文獻[7]提出一種超級電容和低壓能饋相結合系統的再生制動能量吸收方案，并采用功率電流雙閉環控制策略實現能量分配。文獻[8]研究了一種僅使用一個雙有源全橋轉換器的解決方案，該轉換器的低壓側可以在超級電容器模塊的電池之間切換，均衡電流可由轉換器控制。文獻[9]提出了leader-follower 協同控制，以提高充電時間，同時保持均衡性能；利用Lyapunov 穩定性和切換系統理論證明了控制收斂性。文獻[10]研究了一種多維模糊控制（MFC）策略來平衡串聯的超級電容器（SC），減少了SC 串聯的不一致性。文獻[11]提出了基于復用技術的改進型開關電容均衡器，電路中的超級電容通過能量的再利用，可以作為儲能電池和能量轉移電池，從而避免了旁路電容的大量使用。

基于上述分析，本文研究超級電容組的分層式電壓均衡方案；對超級電容組進行工作狀態檢測、控制以及對每個超級電容單體電壓進行實時監測；設計多路切換電路對超級電容器組各單體電壓信號進行切換；設計電路板對MAXWELL 的48 V 電容組進行監測，實現電容電壓均衡，使用LabVIEW 編寫上位機軟件監控界面，實現超級電容電壓數據的顯示及控制。

1 系統整體方案設計

1.1 超級電容應用

本設計采用18 個2.7 V/3 000 F 的超級電容串聯成48 V/150 F 的超級電容模塊。

超級電容單體有效容量，即可釋放能量為：

其中：C為超級電容額定容量；U0為超級電容初始電壓；UC為超級電容額定工作電壓。

引入超級電容放電深度α：

將式（2）代入式（1）即得超級電容有效容量為：

由式（3）可知，Ec與α有關，α越大，Ec越大。取α為0.5[12]。

1.2 超級電容電壓均衡電路方案分析與設計

超級電容電壓均衡裝置總體結構中的超級電容組由2 個48 V 超級電容模塊串聯而成，使用MCU 控制模塊控制不同電路以滿足系統的需求。

超級電容組單體數量多，為了提高均衡速度、效率，增加系統的準確性，簡化系統控制。采用分層式電壓均衡方案，分層式的設計有利于電路實現集成化和模塊化，且易于維護。分層式設計可以根據不同模塊的工作需求而采用不同的均衡電路，提高整個組件的均衡速率和均衡精度。同時，在達到相同預期結果下，使電路更加簡化，如圖1所示。模塊間電壓均衡電路電壓為48 V，其一般處于大功率工作狀態下，故采用非能耗型的電壓均衡方案；模塊內電壓均衡電路為2.7 V，可使用電阻式均衡方法。另外，為保證集成和小型化，有效減小超級電容模塊體積。本設計采用IMP809REUR-T電壓檢測芯片作為核心，用于判斷超級電容單體電壓并進行電壓均衡。超級電容單體提供給電路芯片工作電壓為2.7 V，考慮開啟電壓低，本設計采用達林頓管作為開關器件。

圖1 18 節超級電容串聯模塊

2 系統硬件設計

2.1 硬件系統框架

為了驗證提出的超級電容組的電壓檢測和超級電容單體的電壓均衡方案對電容電壓的均衡作用，搭建實驗平臺，包括超級電容均壓電路、電壓采集模塊、隔離電路、電流檢測電路、輔助開關繼電器控制電路、溫度采樣電路、CAN 總線，如圖2所示。

圖2 硬件系統框圖

2.2 電壓均衡電路

均衡電路采用非能耗型均衡方法[13]，其是通過將高電壓單體的偏差能量饋送至電容組或某些低電壓單體來實現電壓均衡的。電壓均衡電路如圖3所示。

圖3 電壓均衡電路

2.3 超級電容電壓采樣

超級電容電壓檢測電路是本設計的重要組成部分，使用繼電器來實現超級電容組的多路切換，保證電壓檢測精度。

電壓采樣流程如圖4所示，超級電容組信號需經過多級處理轉換后，將信號傳遞給MCU。

圖4 電壓采樣流程

超級電容電壓檢測電路主要功能就是檢測每個電容的電壓，監測其工作狀態。超級電容電壓檢測電路如圖5所示。電路實物圖如圖6所示。

圖5 超級電容電壓檢測電路

圖6 電路實物圖

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計

超級電容電壓檢測模塊負責并傳輸收集組件中各單體電壓信號?；赟TM32 單片機進行控制，實現超級電容電壓的檢測。軟件流程如圖7所示。

圖7 下位機電壓監測流程

中斷服務程序共有3 個：A/D 轉換中斷，完成超級電容電壓的采樣；模塊間的CAN 總線數據通信，實現模塊間數據的通信；串口通信程序，實現下位機數據向計算機數據通信的功能。

各電壓檢測模塊目前采用500 Kb/s 的通信速率，而PMOS 每次最大選通關斷時間為8 ms，一組6 節超級電容需48 ms。但各組超級電容的電壓檢測是同時進行的，因而可以保證實時檢測。各節點在檢測完后，依次向上位機發送數據。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件使用LabVIEW 進行設計。上位機軟件主要涉及的子模塊有：數據接收模塊、數據保存模塊、數據顯示模塊。數據通過串口接收，使用LabVIEW 中的串口VISA模塊實現此功能。上位機接收數據后將數據進行有效信息提取并顯示在上位機界面上，18 個電容為一組，處理后的數據被保存到指定路徑。當超級電容運行出現故障時，會有故障提醒，以便報警通知并傳遞故障信號給電壓均衡系統?？s比驗證系統實物圖如圖8所示。

圖8 系統實物圖

4 系統測試與分析

4.1 測試實驗設計

為了對超級電容電壓檢測系統的整體誤差精度進行評估，有必要對各個環節的誤差進行分析。通過LabVIEW 對實驗數據進行接收，并測試不同情況下的實驗結果。

針對超級電容的均壓與檢測系統的測試實驗設計了以下幾種情況：（1）正常情況下超級電容充電完全結束后的均壓檢測；（2）48 V 超級電容模塊充電過程中的電流與電壓變化值監測；（3）48 V 超級電容模塊放電過程中的電流與電壓變化值監測；（4）有1 個超級電容損壞時充電監測與報警。

4.2 超級電容均壓檢測

實物采用48 V/10 A 電源對超級電容組充電，充電完成后最終得到的超級電容單體電壓數據見表1 所列，可知系統均衡效果較好，符合預期要求。

表1 超級電容單體電壓測試數據結果

4.3 超級電容模塊充電測試

充電過程中電容模塊電壓變化測試，萬用表測量電壓記為W，上位機測量電壓記為S，單位均為V，見表2 所列。由表2 可知，萬用表測量電壓與上位機測量電壓的測試結果相對誤差較小。這說明在充電時，檢測電路的檢測效果好，可以很好地監控超級電容的充電狀態。

表2 超級電容充電電壓測試數據結果

4.4 超級電容模塊放電測試

放電過程中電容模塊電壓變化測試，萬用表測量電壓記為W，上位機測量電壓記為S，單位均為V，見表3 所列，其中，萬用表測量電壓與上位機測量電壓的測試結果相對誤差很小，不超過0.3%，表明檢測電路的檢測精度高，可以很好地監控超級電容放電過程。

表3 超級電容放電電壓測試數據結果

4.5 超級電容單體故障測試

使用絕緣裝置斷開一個電容，即該檢測電容無電壓輸入，模擬超級電容損壞過程以及數據顯示與報警功能的檢測，標記處為報警電容模塊位置，如圖9所示。

圖9 數據顯示與報警

5 結語

本文開發了一種地鐵儲能系統中超級電容電壓均衡及檢測系統?；赟TM32 單片機實現超級電容電壓的檢測，上位機軟件使用LabVIEW 進行設計；完成了超級電容均壓檢測、模塊充電測試、模塊放電測試、單體故障測試。測試結果表明，萬用表測量電壓與上位機測量電壓的結果相對誤差小，即本文開發的檢測系統的精度高，檢測效果穩定可靠。