基于超級電容的低壓啟動電源管理系統的硬件設計*

章 錦， 朱建新， 魏 濤

（1.上海奧威科技開發有限公司， 上海 201203；2.上海交通大學機械與動力工程學院， 上海 200030）

傳統鉛酸蓄電池因循環壽命較短、環境污染等原因而無法滿足未來汽車的發展方向[1]，所以，新能源汽車行業正在逐步研究新的車載低壓電源技術，例如蓄電池鋰電化路線[2]。但鋰離子電池成本波動較大、循環壽命短、功率特性較小，使其在新能源車型中推廣較為困難。近年來，超級電容在軌道交通的應用越來越廣泛[3]，其高功率和長壽命的特點也逐步適用在汽車低壓啟動電源上。

1 低壓啟動電源技術參數

低壓啟動電源由4個超級電容單體串聯組成，電壓范圍9～16V，持續放電功率1.2kW，滿充滿放循環壽命5萬次。電源技術參數見表1。

表1 電源技術參數

2 低壓電源管理系統的組成

低壓電源管理系統由主控模塊、采樣模塊、均衡模塊、通信模塊組成，如圖1所示。其中主控單元MCU負責協調各控制單元進行邏輯處理和故障診斷，并實時估算電源電量。由于超級電容單體電壓不一致的現象，均衡單元負責均衡各電芯電壓，使之保持一致。采樣模塊負責實時檢測系統的單體電壓、溫度和電流。通信模塊通過CAN總線實現電源系統的休眠與喚醒，并將部分信號通過CAN總線傳輸給DC/DC，實現電源系統的安全充電和放電。

圖1 低壓電源管理系統組成

3 功能模塊

在電動汽車中，準確估算蓄電池的電量可以有效保護蓄電池，提高整車性能及經濟性。目前的電量估算方法有安時積分法、開路電壓法、卡爾曼濾波法。對于低壓啟動電源，本文采用開路電壓法，通過V/T-SOC二維查表計算剩余電量。

單體均衡是電源管理系統重要功能模塊。由于低壓啟動電源由4節電芯串聯組成，在長期使用過程中，電芯由于不一致性和溫度場不均衡，電芯與電芯的壓差會逐漸增大。因此，必須通過均衡電路設計和均衡控制算法來平衡電芯間的壓差，使得電源系統更好地輸出。均衡電路有主動均衡、被動均衡兩種，由于被動均衡電路簡單、均衡能力適宜、BOM成本低，本文采用被動均衡。

故障診斷單元實時檢測分析系統的電壓、溫度和電流信號，然后將電源系統的過壓、過流、過溫信號，通過CAN總線實時發送給DC/DC，保障電源系統的使用安全。

3.1 主控設計

主控單元采用32位國產品牌8051芯片STC32G12K128，主控單元電路由晶振電路、復位電路、電源電路、均衡驅動PWM電路、電源指示電路等組成。如圖2所示，其中外部晶振電路用于給STC32提供工作時序；雙二極管供電可以選擇供電來源，一路電源來自于超級電容本身，一路電源來源于RC電路定時喚醒供電；PWM引腳用來控制均衡電路的開啟與關閉。

3.2 采集電路設計

3.2.1 單體電壓采集

超級電容電芯電壓工作區間為2.25～4V，電壓的采集與均衡電路如圖3所示，被測量電壓經過分壓、限流、濾波和運算放大后，進入單片機AD采樣。單片機對4節超級電容電壓進行比較計算后，通過控制S2引腳實現均衡控制。當S2引腳被PWM信號控制為低電平時，三極管Q3打開，超級電容通過R31、R11放電，同時均衡指示燈L3閃爍。當S2引腳被PWM信號控制為高電平信號時，三極管Q3截止，均衡放電停止。

圖3 電芯電壓的采集與均衡電路

3.2.2 單體溫度采集

低壓電源應工作在合適的溫度范圍內，對溫度的采樣不僅可以用于剩余電量的計算，也可以通過溫度預警，保證電源的安全可靠運行。溫度采集電路原理如圖4所示，通過分壓的設計，利用A/D值反推計算出NCT電阻值，再通過NTC電阻與溫度的關系插值查表即可得出電源系統當前溫度。部分NTC電阻值與溫度值、單片機AD值的對應關系見表2。

圖4 溫度采集電路原理圖

表2 部分溫度-阻值對應關系

3.2.3 電流采集

測量串聯在電源母線上的分流器（shunt） 的電壓，通過歐姆定律來計算回路的電流值。電流采集電路原理如圖5所示，測量的電流信號（Hall_S1、Hall_S2） 不僅傳輸給單片機，還通過放大電路傳輸（I+） 給DC/DC采用。

圖5 電流采集電路

3.3 通信電路設計

電源系統的CAN通信單元采用單片機片內CAN控制器和TJA1042 CAN收發器，該收發器有極低電流待機模式，具有主機和總線喚醒功能，收發器在未上電時在總線上處于斷開狀態（零負載），適用于低壓電源低功耗休眠與喚醒的工作要求。CAN通信電路如圖6所示，在CAN_HI與CAN_LO間串聯電感L1，可有效消除來自于總線的共模干擾。為了匹配總線阻抗，CAN需要在總線兩端接入2個總線匹配電阻，由于電源系統與DC/DC雙向點對點通信，此處采用2個62Ω電阻串聯設計。

圖6 CAN通信電路

4 結束語

本文對低壓電源管理系統的電芯電壓采集與均衡、電流檢測、溫度檢測及通信電路進行了設計，所設計的硬件電路具有成本低、電路簡單、可靠的特點，適用于電動汽車低壓啟動電源管理系統硬件電路的設計開發。