基于超级电容的低压启动电源管理系统的硬件设计*

2023-10-25朱建新

汽车电器 2023年10期

章锦，朱建新，魏涛

（1.上海奥威科技开发有限公司，上海 201203；2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200030）

传统铅酸蓄电池因循环寿命较短、环境污染等原因而无法满足未来汽车的发展方向[1]，所以，新能源汽车行业正在逐步研究新的车载低压电源技术，例如蓄电池锂电化路线[2]。但锂离子电池成本波动较大、循环寿命短、功率特性较小，使其在新能源车型中推广较为困难。近年来，超级电容在轨道交通的应用越来越广泛[3]，其高功率和长寿命的特点也逐步适用在汽车低压启动电源上。

1 低压启动电源技术参数

低压启动电源由4个超级电容单体串联组成，电压范围9～16V，持续放电功率1.2kW，满充满放循环寿命5万次。电源技术参数见表1。

表1 电源技术参数

2 低压电源管理系统的组成

低压电源管理系统由主控模块、采样模块、均衡模块、通信模块组成，如图1所示。其中主控单元MCU负责协调各控制单元进行逻辑处理和故障诊断，并实时估算电源电量。由于超级电容单体电压不一致的现象，均衡单元负责均衡各电芯电压，使之保持一致。采样模块负责实时检测系统的单体电压、温度和电流。通信模块通过CAN总线实现电源系统的休眠与唤醒，并将部分信号通过CAN总线传输给DC/DC，实现电源系统的安全充电和放电。

图1 低压电源管理系统组成

3 功能模块

在电动汽车中，准确估算蓄电池的电量可以有效保护蓄电池，提高整车性能及经济性。目前的电量估算方法有安时积分法、开路电压法、卡尔曼滤波法。对于低压启动电源，本文采用开路电压法，通过V/T-SOC二维查表计算剩余电量。

单体均衡是电源管理系统重要功能模块。由于低压启动电源由4节电芯串联组成，在长期使用过程中，电芯由于不一致性和温度场不均衡，电芯与电芯的压差会逐渐增大。因此，必须通过均衡电路设计和均衡控制算法来平衡电芯间的压差，使得电源系统更好地输出。均衡电路有主动均衡、被动均衡两种，由于被动均衡电路简单、均衡能力适宜、BOM成本低，本文采用被动均衡。

故障诊断单元实时检测分析系统的电压、温度和电流信号，然后将电源系统的过压、过流、过温信号，通过CAN总线实时发送给DC/DC，保障电源系统的使用安全。

3.1 主控设计

主控单元采用32位国产品牌8051芯片STC32G12K128，主控单元电路由晶振电路、复位电路、电源电路、均衡驱动PWM电路、电源指示电路等组成。如图2所示，其中外部晶振电路用于给STC32提供工作时序；双二极管供电可以选择供电来源，一路电源来自于超级电容本身，一路电源来源于RC电路定时唤醒供电；PWM引脚用来控制均衡电路的开启与关闭。

3.2 采集电路设计

3.2.1 单体电压采集

超级电容电芯电压工作区间为2.25～4V，电压的采集与均衡电路如图3所示，被测量电压经过分压、限流、滤波和运算放大后，进入单片机AD采样。单片机对4节超级电容电压进行比较计算后，通过控制S2引脚实现均衡控制。当S2引脚被PWM信号控制为低电平时，三极管Q3打开，超级电容通过R31、R11放电，同时均衡指示灯L3闪烁。当S2引脚被PWM信号控制为高电平信号时，三极管Q3截止，均衡放电停止。

图3 电芯电压的采集与均衡电路

3.2.2 单体温度采集

低压电源应工作在合适的温度范围内，对温度的采样不仅可以用于剩余电量的计算，也可以通过温度预警，保证电源的安全可靠运行。温度采集电路原理如图4所示，通过分压的设计，利用A/D值反推计算出NCT电阻值，再通过NTC电阻与温度的关系插值查表即可得出电源系统当前温度。部分NTC电阻值与温度值、单片机AD值的对应关系见表2。

图4 温度采集电路原理图

表2 部分温度-阻值对应关系

3.2.3 电流采集

测量串联在电源母线上的分流器（shunt）的电压，通过欧姆定律来计算回路的电流值。电流采集电路原理如图5所示，测量的电流信号（Hall_S1、Hall_S2）不仅传输给单片机，还通过放大电路传输（I+）给DC/DC采用。

图5 电流采集电路

3.3 通信电路设计

电源系统的CAN通信单元采用单片机片内CAN控制器和TJA1042 CAN收发器，该收发器有极低电流待机模式，具有主机和总线唤醒功能，收发器在未上电时在总线上处于断开状态（零负载），适用于低压电源低功耗休眠与唤醒的工作要求。CAN通信电路如图6所示，在CAN_HI与CAN_LO间串联电感L1，可有效消除来自于总线的共模干扰。为了匹配总线阻抗，CAN需要在总线两端接入2个总线匹配电阻，由于电源系统与DC/DC双向点对点通信，此处采用2个62Ω电阻串联设计。