（电机与电器专业论文）能量回收系统中超级电容电压检测与分析.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a t eo fw o r l d s e n e r g yc o n s u m p t i o nh a sb e e ns h a r p l yi n c r e a s i n gw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ei nr e c e n ty e a r s s on e we n e r g ya n d e n e r g y 。s a v i n gt e c h n o l o g yh a v eb e c o m et h et o pp r i o r i t yo fw o r l d ss c i e n t i f i ca n d t e c h n o l o g i c a lw o r k e r s t h ee n e r g yr e c y c l i n gs y s t e mo fv e h i c l e si so n eo ft h e h o ts p o t i nt h er e s e a r c ha r e ao fe n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g y a san e wt y p eo fe n e r g ys t o r a g ed e v i c e ，s u p e r c a p a c i t o rh a sd i s t i n c tp r o p e r t i e s i n c l u d i n gh i g h c a p a c i t a n c e s ，r a p i dc h a r g ea n dd i s c h a r g ew i t hh i g hc u r r e n ta n da l o n g l i f e t h e s et m i q u ea d v a n t a g e sm a k ei th a sab r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nt h ef i e l do f e n e r g ys t o r a g ea n de n e r g yr e c o v e r y a st h ev o l t a g ed i f f e r e n c e so ft h ec e l l s ，t h ee n t i r e s y s t e mm a yb ea f f e c t e dg r e a t l yi fr e a l t i m ed e t e c t i n gm e a s u r e sa r en o tt a k e n i n a d d i t i o n , t h e r ea r eo b s t a c l e sf o rt h ea p p l i c a t i o no fs u p e r c a p a c i t o r si fw ed on o t u n d e r s t a n dt h ei n t e m a lc h a r a c t e r i s t i c s t h ea n a l y s i so ft h ev o l t a g e - d e t e c t i n g s y s t e ma n dt i m e d o m a i nm o d e l sw i l l s u p p o r tt h ev o l t a g e 。b a l a n c i n gm e t h o d sa n dt h ea n a l y s i so ft h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r so f s u p e r c a p a c i t o r sw h i c hp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ew h o l e e n e r g yr e c y c l i n gs y s t e m t h e r e f o r e ，t h e s et w os t u d i e sw i l lb et h ec o r ec o n t e n t so ft h e w h o l e p a p e r i nt h i sp a p e r , t h em e t h o do fm o d u l a rd e s i g ni sa p p l i e da n da n e w t y p eo fv o l t a g e d e t e c t i n gh a r d w a r eh a sb e e na d o p t e d i nt h ea s p e c to ft h es o f t w a r ed e s i g n s o f t w a r e a r c h i t e c t u r eo ft h ev o l t a g ed e t e c t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d ，a n dp c f r i e n d l ym o n i t o r i n g i n t e r f a c ei sd e s i g n e db ym e a n so fl a b v i e wa n dz l g c a n d r i v e rf u n c t i o np a c k a g e a l s o ，b yu s i n gt h et h e o r yo fe r r o rr e l a t e dk n o w l e d g e ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ee r r o r p r e c i s i o no ft h ev o l t a g ed e t e c t i o na n di d e n t i f i e dt h es o u l c eo fe r r o ri nd e t a i l s f i n a l l y , t w ot i m e - d o m a i nm o d e l sa r es t u d i e da n dt h ep a r a m e t e r sa r ed e d u c e d a i s o ，e x p e r i m e n t sa r ed o n et oc h e c kt h em o d e l s k e yw o r d s ：s u p e r c a p a c i t o r , v o l t a g e d e t e c t i n g ，l a b v i e w , t i m e d o m a i nm o d e l s l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子舨，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者躲为f 汤芬 多卯罗年月尹日，l 。+、 1 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：为涵孝 歹办罗年月7 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 当今世界，随着工农业生产的迅速发展和交通工具需求的增加，世界能源 消耗速度急剧增加：而另一方面目前世界各国已经探明的煤炭、石油、天然气 等常规能源剩余储量及可开采年限十分有限。目前人类正面临着前所未有的能 源危机。中国人口众多、经济发展迅速，对能源的需求大幅度上升，而相对匮 乏的能源储量已经使得我国在能源安全方面存在着十分危险的潜在危机。新能 源和节能技术的开发已经成为我国科技工作者的当务之急。 电机作为动力系统必要的组成部分，广泛应用于各个领域。在许多场合下 要求电机频繁的启动和制动，尤其是城市轨道交通中更加频繁。电机在制动时 由于惯性会伴随着很大的机械动能。像目前国内地铁机车在制动时牵引电机产 生的制动能量除了一定比例通过回馈到电网被其他相邻列车吸收利用外，剩余 部分采用电阻能耗的方式消耗掉。这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通 风装置的负担，并使城市轨道建设费用和运行费用增加。如果能将电机制动能 量回收再利用，将会带来巨大的经济效益，而且有利于节约能源消耗，减少环 境污染，将为我国建设节约型社会做出巨大贡献。 制动能量回收需要通过容量大充放电迅速的储能器件来完成，因此能量回 收系统除对储能装置的能量密度有一定要求外，对功率密度的要求越来越高。 有的己经超过了当前电池的标准设计能力，传统的静电电容器也因为能量密度 过低不能满足要求。 在上述特殊要求的推动下，超级电容器( 电化学电容器) 逐渐成为了人们 的研究热点，它在新型清洁能源，频繁起动和制动的城市公交车和轨道交通等 领域有着独特的优越性。它是一种电容器件但与常规电容器不同，其容量可达 到法拉级甚至数万法拉而且能在电极端电压超过额定电压的过充电状态下不被 击穿。超级电容作为一种理想的新型能源器件，它在众多的应用领域里弥补了 常规储能器件的单方面缺陷。除此外它还具有内阻小、充电速度快、充放电效 率高、循环寿命长、无污染等独特的优点【l 】。 第1 章绪论 1 2 超级电容器概述 1 2 1 超级电容器分类 目前，关于超级电容器的分类方法并未完全统一，有超级电容器 ( s u p e r c a p a c i t o r ) ，超电容器( u l t r a c a p a c i t o r ) 、电化学电容器( e l e c t r o c h e m i c a l c a p a c i t o r ) 、超大容量电容器等名称，也有的称为双电荷层电容器( e l e c t r i c d o u b l e l a y e rc a p a c i t o r ，e d l c ) 或双电层电容器( d o u b l el a y e rc a p a c i t o r ，d l c ) 。 有些称谓从某种意义上说有些欠妥。目前较为合理的观点是将超级电容器分为 双电层电容器( e l e c t r i cd o u b l el a y e rc a p a c i t o r ，e d l c ) 和电化学电容器 ( e l e c t r o c h e m i c a lc a p a c i t o r ) 两大类。其中，双电层电容器以活性碳等多孔介质 为电极活性材料，充电时依靠在介质表面吸附的电荷进行电能储存，放电时释 放全部被吸附的电荷v 1 。由于它的储能、释放过程类似物理电容，因此其放电 时的功率输出密度很大，一般超过1 k w l ，因此非常适合需要大功率应用的场 合。而法拉第准电容器是通过特殊的电化学过程储能的峰1 。最近又出现了分别 采用电池材料和活性炭材料为两极的混合型超级电容器。 因双电层超级电容器占据着主导地位，本论文的研究以该类型电容器为对 象。 1 2 2 双电层超级电容器工作原理 双电层超级电容器的原理包括界面极化理论和界面双电层理论。 所有的物质都是原子的集合体。一般情况下，原子内部正、负电荷中心是 重合的，如果外加电场，正电荷受到库仑力向电场正方向移动，负电荷向电场 负方向移动，正、负电荷中心位置发生错开而形成偶极子，产生偶极矩这就称 为极化现象。极化按其机理分有四种：电子极化、原子或离子极化、转向极化、 空间电荷极化。空间电荷极化又叫界面极化，是指介质中的正负离子移动，并 聚集在绝缘物分界面上的极化。上述四种极化中，前两者为可逆极化，在施加 电场的瞬间形成，而释放电场的瞬间即消失，且不带有能量的损耗；后两种属 于不可逆极化，它要伴随极化而消耗能量，极化过程需要一定的时间，用驰豫 时间( 或松弛时间) 表示。驰豫时间是影响带电粒子电化学运动的重要因素， 它指极化强度从电场释去瞬间开始按指数函数减少，把p 减少到1 e 所需要的时 间 9 1 。 2 第1 章绪论 双电层电容器的工作原理是根据电化学基本原理即导体与电解质( 液体与固 竹) 接触后会在其表面( 即界面) 产生稳定而符号相反的双层电荷，称为双电层。 通过离子在界面的特性吸附，偶极子的定向排列和原子或分子在界面的极化也 能导致界面两侧电荷的分离，我们称之为吸附双电层和偶极双电层。 界面双电层是由离子双电层、吸附双电层和偶极双电层共同作用的结果。 电极电解液两相间的电极电位主要来源于离子双电层。通常情况下，离子双电 层不能自发形成，而是通过施加外界的电场力产生电位差而形成离子双电层， 俗称充电。 虽然通常界面上产生的电位差只有o 1 l v ，超级电容额定的工作电压也在 零点几伏到几伏之间，但由于双电层中荷电层之间的距离很小，离子双电层的 厚度为一个到几个分子直径，产生的电场强度高达1 0 8 1 0 m 。除了电化学的 情况之外，没有一个实际的电场能产生这样大的场强，因为所有的电介质在 1 0 6 v m 级的电场强度下就会被破坏。双电层导致了这样大的电场，对电荷产生 一个非常大的加速力，因而能够产生很高的电流和比功率，形成大容量的超级 电容1 0 】。 图1 1 双电层原理 1 2 3 超级电容器的特点 作为介于传统物理电容器和电池之间的新型储能系统，超级电容兼具前两 者的优点，逐步为各国科研工作者所关注。表1 1 给出了这三种储能装置的性能 比较。 3 h 板艮防”防一艮防舢多 +-+_+ +-+- +-+ 质ijll：!蜷煅=妊 +-+ +-+- 饭 + u 久对划划刘划刘鲫 第1 章绪论 表1 1 - - l e o 储能装置的性能比较 静电物理电容器化学二次电池 超级电容器 充电时间( s )1 0 6 1 0 3 3 6 0 0l 3 0 放电, t f s ( s )1 0 6 1 0 3 1 0 0 01 3 0 功率密度( w k g ) 1 0 0 0 0 5 0 2 0 01 0 0 0 2 0 0 0 能最密度( w h k g ) 1 0 0 0 0 0 从表中可知，超级电容存储的能量可达到静电电容器的1 0 0 倍以上，同时 功率密度比电池高出l o 1 0 0 倍。与静电电容器相比其优点是能量密度非常高， 容量可达数千法拉，但是它的耐压较低，受制于电解液的分解电压；漏电较大； 容量随频率显著降低，所以可用作低频容性元件使用。从发展趋势看，超级电 容主要是用来取代或部分取代电池。与电池相比，超级电容具有许多电池无法 比拟的优点： 1 非常高的功率密度。超级电容器的放电电流可以达到上百安培，在大电 流的应用场合，超级电容器可以更好的满足功率的要求。 2 充放电速度快。超级电容器的一个充放电循环时间很短，远远低于蓄电 池的充放电循环所需要的时间。这可以很好的满足机车启动、制动时的时间要 求。 3 使用寿命长。超级电容器的循环寿命可达l o 万次以上，比蓄电池寿命高 1 0 0 倍以上。 4 工作温度范围宽。超级电容器可以在一4 5 1 0 5 的温度范围内正常工 作，远远优于普通蓄电池的高温和低温性能。 1 2 4 超级电容器的主要性能参数 超级电容的主要性能参数决定于电容器电极、电解液的材质和制造工艺。 超级电容的性能参数主要有b i ： 1 电容容量：超级电容能够存储电荷的最大容量。 2 等效串联内阻e s r ( e q u i v a i e n ts e r i e sr e s i s t a n c e ) ：当超级电容模拟成电 阻、电容、电感的等效模拟电路时，其中串联部分的电阻就是等效串联内阻。 3 等效并联电阻e p r ( e q m v n e n tp a r a l l e lr e s i s t a n c e ) ：超级电容的等效模型 中并联部分的电阻，也叫做漏电阻。 4 第1 章绪论 4 漏电流：超级电容静置自放电时的放电电流。 5 工作电压：电容器能够连续长期保持的最大电压，也就是电容器的额： 电压或耐压值。 6 时间常数：如果超级电容能够模拟为一个电容和电阻的简单串联组合， 该电容和电阻的乘积就是时间常数，其单位是秒，相当于电容器恒压充电至额 定电压的6 3 2 所需要的时间。 7 放电容量：电容器在放电过程中可以放出的全部能量，具体计算方法是 将放电过程中每一瞬间的电压和电流值相乘对时间积分。 8 理想存储能量：电容存储能量的理想值。对于一个最简单的电化学电容 器，其理想存储能量可以通过式( 1 1 ) 来计算。 e = c 以2 ( 1 1 ) 9 最大输出功率：当为电容器外接一个合适的负载时，其可以达到的最大 输出功率，计算公式为式( 1 2 ) 所示。 尸= 二尘一 ( 1 2 ) 式中砜为电容器的初始电压，e s r 为电容器的等效串联内阻。 1 0 充放电效率：在一个特定的充放电循环中，电容器放出的能量占充入能 量的百分比。 一一一 1 1 工作电位窗：可以稳定的对电容器进行充放电操作或实现某种特定功能 的范围。对于应用于电动车的电化学电容器，其范围一般为o 5 虬1 0 配，其中 以为电容器的额定电压。 1 2 可利用容量( e ) 或有效容量：一个电容器的可利用容量和工作电位 窗密切相关。对于一个理想电容器来说，有效容量为： 色= 驯卜刚 3 ， 式中u ，为电容器在电源系统中的可操作电压的下限，当u ，= o 5 q 时， 色= o 7 5 e ，当u 厂= o 2 5 u , 时，毛= o 9 4 e 。 一般来说，都是根据e = 0 5 e 来计算电容器的能量密度和充放电效率。 1 3 超级电容的发展及国内外研究现状 第1 章绪论 超级电容是一种新型的储能元件，最早出现在2 0 世纪6 0 年代，是由美 国标准石油公司( s o c ) 开始进行商业性研究。7 0 年代? 芙目将超级电容用在 了计算机上”】，1 9 7 5 年及随后的几年，n e c 公司研究了基于h 在p t 上的欠电 位沉积，r u 0 2 的氧化还原反应类型的超级电容，并称之为s u p e r c a p a c i t o r s 【4 】： 1 9 7 8 年日本p a n a s o n i c m a t s u s h i t a 公司将其产业化，开发出第一代商用的超级电 容，其能量与功率可作为电脑的辅助电源。1 9 8 5 年以来，日本的n e c t o k i n 公 司、松下公司生产的产品占领国际市场，超级电容由此得到了迅速的发展，进 入商业化的应用规模。 二十世纪九十年代，由于电动汽车发展的迫切要求，超级电容的研究热点 进入到了大功率和大能量上。1 9 9 1 年，俄罗斯e c o n d 公司和e l i t 公司开发出可 用于车辆起动的超级电容，其容量达到3 0 0 f 【5 1 。1 9 9 6 年俄罗斯e l t r a n 公司研制 出了采用纯电容器作电源的电动汽车样品，采用3 0 0 个超级电容串联，可载2 0 人，充电一次可行驶1 2 k m ，时速2 5 k m h t 6 1 。美国国防部和能源部非常重视超级 电容的开发和应用，其中m a x w e l l 公司生产的p o w e rc a c h e 超级电容器，已由通 用汽车公司a l l i s o nt r a n s m i s s i o nd i v i s i o n 组成并联混合电源系统和串联电源系统 用在货车和汽车上。 从超级电容的整个发展过程可以看出，日本、美国、俄罗斯的研究处于领 先地位。目前，在超级电容的产业化方面，三国几乎占据了整个超级电容市场， 特别是日本，2 0 0 0 年统计的数据日本本上的生产量占全球的7 0 。各国在超级 电容的功率、容量、价格等方面均有自己的特点。 我国在超级电容方面的研究处于明显落后的状态。但近年来随着对超级电 容的认识逐渐深刻，全国各高等院校和许多的科研机构积极参与。同时为了加 速超级电容在我国的应用，中国的上海，哈尔滨等几家超级电容生产厂家开始 引进国外技术，转入商业化生产。 由上海奥威科技开发公司、上海交大等十多家科研单位联合开发的电容公 交车快速充电站系统于2 0 0 4 年7 月通过验收，我国首部“超级电容公交车”在 上海张江开始投入试运行。这辆新型电车名为“电容蓄能变频驱动式无轨电车”， 这个实验系统分为电容蓄能变频驱动电车和快速充电景观候车站两个部分，电 容公交车利用超级电容器储能，路过充电候车站时按照2 0 0 a 的电流强度进行3 5 分钟的快速充电，在车内冷暖空调开启的条件下，可以持续行驶3 - 5 k m ，时速可 达4 4 k m h ，而且对制动能量可再生回收率高，节能达4 0 ，是一种新型清洁能 6 第1 章绪论 源公交车。 但从总竹：说中国在超级电容方面还处于起步的阶段而且研究的力度也不 够。 1 4 课题的研究的目的与意义 超级电容作为一种新型电荷储能元件，具有大容量、大电流快速充放电、 寿命长和无污染的优异特性。但超级电容单体额定电压很低，有机电解液双电 层超级电容器额定电压只有2 5 伏左右2 1 ，因此在实际应用中一般由多个超级 电容通过串联和并联的方式组合构成超级电容储能模块，以满足储能容量和电 压等级需要。然而受制造工艺影响，同一型号的超级电容单体之间的容量、等 效并联内阻等参数各不相同，并且各个参数随着时间的推移会发生变化。这样 在大电流充放电的时候，当分压高的电容已经充满时，分压低的单体还处于未 充满状态。经过多次循环后，各个单体将处于相差很大的状态。如不对超级电 容进行实时检测，在使用过程中将对整个组件的性能造成极大的影响。 本课题的研究理论意义在于对超级电容的单体电压检测方案的设计，可以 对超级电容电压进行实时检测，为后续的电压均衡提供依据。另外对超级电容 进行时域建模，有利于更好的理解超级电容各物理参数的特性，从而为更有效 的应用超级电容提供依据。 本课题的研究将为超级电容在能量回收系统中的应用提供有利支持，从而 达到节约能源的目的。 1 5 课题主要研究内容 超级电容器因其独特的优点，在储能和能量回收方面有着广阔的应用前景。 但目前国内对超级电容的应用还处于初步阶段，因此对超级电容电压检测方案 的研究和对超级电容时域模型的研究，将为超级电容的均压方案提供支持，并 为整个能量回收系统的控制策略提供理论依据。因此以上两方面的研究将是整 篇论文的核心内容。 全文共分六章，各章的主要内容如下： 第一章：首先介绍了超级电容的发展和国内外研究现状，并介绍了超级电 容的工作原理与特性，详细阐述了超级电容电压检测和时域建模的必要性及意 7 第1 章绪论 义，最后给出了全文的主要研究内容。 第二章：着重介绍超级电容电压检测系统的硬件设计，包括检电压检测方 案设计和c a n 网络的搭建。 第三章：本章介绍了超级电容电压检测系统的软件设计。包括电压检测模 块的控制软件设计，c a n 通信以及上位机软件设计。 第四章：本章着重对超级电容电压检测系统进行精度分析，对检测电路各 个环节进行误差标定，并通过误差理论的知识对整个检测电路进行精度评估。 第五章：本章对超级电容进行建模，包括超级电容各类模型的比较，两种 时域模型的建立和比较。 第六章：结论与展望，总结本课题所取得的研究成果和所做的工作，以及 对后续工作的展望和建议。 8 第2 章超级电容电压检测系统硬件设计 第2 章超级电容电压检测系统硬件设计 2 1 超级电容电压检测系统概述 由于超级单体电压很低，为获得较高的电压和容量，常常将其多节串联和 并联起来。为方便装配，一般将超级电容多节装成一组( 如上海奥威公司一般 2 0 节串联装成一箱) ，组之间再进行串并联。为了便于检测，也将超级电容的电 压检测电路进行模块化设计。整个检测系统框图如图2 1 所示。 超级电容 器组1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ j 一 超级电容 器组2 超级电容 器组n 超级电容柃 测电压模块1 超级电容检 测电压模块2 超级电容检 测i u 压模块n c a n 总线 图2 1 超级电容检测系统整体框图 上 位 机 超级电容电压检测模块接受上位机通过c a n 总线发送的电压采集命令，对 电容器组各单体进行一次巡回检测，经过处理后通过c a n 总线将数据发送至上 位机。上位机负责发送电压检测指令，接受下位机数据并进行处理，标明需要 均压的电容器组和相应的超级电容，将相关信息送至后续的均压部分。 2 2 超级电容器组电压检测模块硬件设计 2 2 1 超级电容器组电压检测电路概述 超级电容器电压检测电路是整个检测系统的核心，如何迅速进行超级电容 电压检测的多路切换，保证1 0 m y 的电压检测精度是检测电路设计的重点，另 外如何抗超级电容的高共模电压、抑制干扰和限制检测电路的成本也是不可忽 略的因素。 检测电路框图如图2 2 所示，多路切换器件用来进行超级电容器组各单体电 9 第2 章超级电容电压检测系统硬件设计 容间的切换，超级电容信号经隔离运算放大器后需将差分电压信号经电平转换 环节变为单端对地电压信号，再经过滤波和a d 转换进入微处理器。微怂j 里器 接收c a n 节点送来的电压采集命令，发送相关电容的地址给数字逻辑电路，从 而控制多路切换电路进行切换选通。采集进来的电压信号经过处理由微处理器 向上位机发送。 图2 2 超级电容器组检测电路框图 2 2 2 多路切换电路设计 以一块检测电路板捡测2 0 节超级电容为例，设超级电容额定电压为2 5 v 。 则最大共模电压为5 0 v ，一般多路复用器件如a n a l o gd e v i c e s 的a d g 4 0 7 没有 这么高的抗共模电压能力，因此需另辟途径。 另外在超级电容电压均衡方案中，单飞渡电容器电压均衡法是目前比较新 颖的方法之一，这种方法可以使均压时的能量损失降低到最小，而且元件数目 少，结构简单，控制方便。其原理是利用一个电容器作为中间储能单元，将电 压高的超级电容器中的能量向电压低的超级电容器中转移。该中间电容又称飞 渡电容。 如图2 3 所示，单飞渡电容器电压均衡电路主要由飞渡电容器( c ，) 、多路 切换网络( s ) 、电压检测单元、单片机控制系统，d c d c 变换器五部分组成。 其中多路切换网络负责飞渡电容和各超级电容之间的切换，它的性能将直接影 响飞渡电容的选型、电压均衡时间及均衡系统的稳定性。 1 0 第2 章超级电容电压检测系统硬件设计 图2 3 单飞渡电容器电压均衡电路结构 因此，从节约成本考虑，检测电路和均压电路可共用多路切换电路。为了 防止超级电容及调理电路对控制电路造成影响，开关需要选择隔离型，因此可 选择继电器作为开关元件，但传统的机电式继电器和干簧管继电器显然无法满 足，超级电容均压及检测系统的频繁切换、高可靠性、小体积及低功耗的要求。 p h o t o m o s 继电器是一种使用功率m o s f e t 在输入输出间实现电绝缘的半 导体继电器，其动作原理是通过光电元件将发光元件l e d 的光进行电压变换， 通过功率m o s f e t 的导通、非导通，进行负载控制( 1 射。 图2 4p h o t o m o s 原理图 因为其独特的结构，p h o t o m o s 具备e m r ( 有触点机械继电器) 和s s r ( 无 触点继电器) 所没有的优点1 4 1 5 】： 1 电路结构简单、体积小、节省空间，安装不受限制。 2 用小信号控制大负载，与光耦合器相比，因增幅率较大，所以可以实现 e m r 所没有的高灵敏度。 第2 章超级电容电压枪测系统硬件设计 3 开路漏电流极小，一般的s s r 开路时的漏电流大到数m a ，但p h o t o m o s 继电! ：，? 使施加负载电压4 0 0 v 时，也只有l u a 以下。 4 寿命近似永久性，无需更换。 5 不发生电弧( 干扰) ，无触点，因而也无动作声音。 从节约成本角度考虑，与电压均衡系统共用多路切换。为满足均压电流的 要求，经比较，p h o t o m o s 选用功率型a q y 2 7 2 ( p a n a s o n i c ) 。其性能为：导通 电阻0 1 l 欧( 最大0 1 8 欧) ，额定负载电流2 a ( 最大6 a ) ，最大负载电压d c 6 0 v ， 导通时间2 4 m s ( 最大5 m s ) ，关断时间o 2 2 m s ( 最大3 m s ) ，总功耗o 7 5 w ，光 电二极管驱动电流为l 一3 m a 。 由p h o t o m o s 组成的多路切换如图2 5 所示，其中p h o t o m o sa ，b ，c ，d 组成负电平翻转电路。当采集奇数电容电压时，如选通c l ，则需选通p h o t o m o s 1 ，2 ，同时选通p h o l o m o sa ，c ：采集偶数电容电压时，如选c 2 ，则需选通 p h o t o m o s2 ，3 ，同时选通p h o t o m o sb ，d ，从而实现负电平翻转。显而易见， 采集如果没有这个负电平电路，所采集的偶数电容的电压值为负电压，后续的 隔离运放将无法处理。 u 匝回 二= c 1 ：匝囹 = 二二c 2 = = c 3 7 ， p h o t o m o s a 正 ! 一臣巫堕习。 图2 5 超级电容多路切换电路 2 2 3 隔离运算放大器选型 为防止干扰需要对超级电容电压信号进行隔离。隔离运算放大器的要求是 能抗高共模电压、差分信号输入、精度要求高、成本低。h c p l 7 8 0 0 a 为差分输 入差分输出，抗共模电压1 0 0 0 v ，非线性度为0 1 ，增益7 9 3 倍，增益误差为 1 ，输入偏置电压为o 9 m v ，其结构简图如图2 6 t 1 6 1 。 1 2 冒 第2 章超级电容电压检测系统硬件设计 图2 6h c p l 7 8 0 0 结构简图 因隔离运放的增益是7 9 3 倍，双电层超级电容电压额定值一般不超过2 5 v ， 考虑到a d 的输入电压限制，电压信号在经过隔离运放前还需要经精密电阻分 压。电路原理图如图2 7 所示。 铆d 2 图2 7 隔离运放硬件接线原理图 2 2 4 电平转换器件选型 从隔离运算放大器输出的信号是差分信号，因此需要将电平转换为单端对 地电压信号。a d 6 2 9 是一种差分放大器，其输入共模电压范围2 7 0 v ，差模电 压范围1 3 v ，共模阻抗2 0 0 k ，差模阻抗8 0 0 k 。短路电流输出2 5 m a 。供电电 压范围2 5 v - 一一1 8 v 。增益为l ，增益偏差o 0 l 。电压偏置l m v ，一3 d b 带 宽5 0 0 k h z t l7 1 。 v o 沂= + 一 ( 2 1 ) 1 3 嘲 m 蛳 舰 蜘 一 憾 惦 一 第2 章超级电容电压检测系统硬件设计 匿蠹 岁 “抄p f 芎 b 遮 1 茧 ! 卜哪v o o r * 驾订 痔p 雩噜c t n o c o n n e c t v s 娟，t o 一8 v 图2 8a d 6 2 9 结构原理图 2 2 5 滤波电路设计 为了提高检测电路的抗干扰能力，本系统采用有源滤波电路。本测试系统 电路采用二阶压控电压源低通滤波器，如图2 9 所示。此低通滤波器设计简单， 可以通过查表法或查图法设计参数1 8 】【l9 1 。 图2 9 二阶有源压控电压源低通滤波器 2 2 6 控制电路设计 1 控制芯片选型 l p c 2 11 9 是飞利浦带有一个支持实时仿真和跟踪的a r m 7 t d m i s 微处理 器，嵌入1 2 8 k b 高速f l a s h 存储器，采用3 级流水线技术，取指、译码和执 行同时进行，能够并行处理指令，提高c p u 运行速度。另外l p c 2 1 1 9 还自带4 路1 0 位a d 通道和2 路c a n 通道【列。 超级电容的电压信号由精密电阻分压后经过隔离运放和低通滤波电路限定 在0 3 v 之间，送入l p c 2 1 1 9 自带的a d 进行转换供计算使用。l p c 2 1 1 9 自带 4 路l o 位a d 转换器，它的基本时钟最大可由可编程分频器设置为4 5 m h z 。 1 4 第2 章超级电容电压枪测系统硬件设计 1 0 位精度要求的转换器需要1 1 个a d 转换时钟，因此1 0 位转换时间最小为 2 4 4 z s 。由于超级电容的电压变化缓仨，要此l p c 2 1 1 9 自带的a d 转换器完全 可以满足采样的需要。 2 基于l p c 2 1 1 9 的最小系统设计 一个嵌入式处理器自己是不能独立工作的，必须给它供电，加上时钟信号， 提供复位信号等，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储器系统，然 后嵌入式处理器芯片才可以工作。这些提供嵌入式处理器运行所必需条件的电 路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。l p c 2 1 1 9 具有 1 6 k b 的内部r a m 和1 2 8 k b 的内部f l a s h ，对于本系统无需扩展外部存储器。 l p c 2 1 1 9 具有j t a g 调试接口，这部分芯片实际工作时不是必需的，但因为这部 分在开发时很重要，所以也把这部分归入最小系统中。l p c 2 1 1 9 最小系统框图 如图2 1 0 所示。 图2 1 0l p c 2 1 1 9 最小系统框图 3 时钟系统和复位系统设计 本系统利用l p c 2 1 1 9 内部的晶体振荡器构成时钟电路。 微控制器在上电时状态并不确定，这造成微控制器不能正确工作。为解决 这个问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个 确定的状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作，这个信号的稳定性和 可靠性对微控制器的正常工作有重大影响。本系统选用s p 7 0 8 复位芯片构成 l p c 2 1 1 9 的复位电路。s p 7 0 8 包含一个看门狗定时器，一个胪复位模块，一个 供电失败比较器及一个手动复位输入模块，适用于3 v 或3 3 v 环境，如计算机、 汽车系统、控制器及其他一些智能仪器。对于对电源供电要求严格的胪系统， 第2 章超级屯容电压检测系统硬件设计 s p 7 0 8 是比较理想的选择。 4 调试接口设i ： l p c 2 1 1 9 内置j t a g 调试接口，通过这个接口可以控制芯片的运行并获取内 部信息。为了方便研发，本系统设计了j t a g 调试电路，正式产品中可以不需要 这部分电路。 2 2 7 电源设计 电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的 地位，但却往往被忽略。如果电源系统处理得好，整个系统的故障往往减少了 一大半。本控制系统仅由一个外部的1 2 v 电源供电。由于控制板上的芯片比较 多，需要不同的逻辑电平系统，如l p c 2 11 9 的3 3 v 和1 8 v 系统，a d 6 2 9 的1 5 v 系统等。考虑到本系统工作的电磁环境比较恶劣，为了提高电磁干扰能力，本 系统还加入了一些用作隔离的电源模块。电源系统框图如图2 1 l 所示。 图2 1 1 电源系统框图 在设计l p c 2 1 1 9 电源系统时充分考虑了以下因素汹l ： 1 输出的电压、电流、功率； 2 输入的电压、电流； 3 安全因素； 4 输出纹波： 1 6 第2 章超级电容电压检测系统硬件设计 5 电磁兼容和电磁干扰； 6 体积限制； 7 功耗限制： 8 成本限制。 2 2 8p h o t o m o s 选通电路设计 由多路切换电路可知，每检测一个超级电容需同时选通四个p h o t o m o s 。而 a r m 的i o 资源有限，因此需借助数字逻辑电路来进行选通。 1 原始设计 采用两组7 4 l s l 5 4 译码芯片，分配8 个i o 口分别控制奇数和偶数 p h o t o m o s 。另外还需2 个i o 口来控制正负切换电路。 蠢孳 图2 1 2 超级电容多路切换电路原始设计原理图 如图2 1 2 所示，每检测一个超级电容在程序上需通过两片7 4 l s l 5 4 分别选 通超级电容两臂的奇数p h o t o m o s 和偶数p h o t o m o s ，另外需同时选通相应的正 1 7 第2 章超级电容电压检测系统硬件设计 负选通p h o t o m o s 。这种设计虽然硬件电路简单，但i 0 口占用过多，并且软件 编程工作量大，而且稍有不甚会造成p h o t o m o s 的错误选通，从而对检测电路 板造成不利影响。因此有必要对原有电路进行改进。 2 改进设计 为保证p h o t o m o s 选通的安全性，最简单的方法是只要送一个地址即可同 时选通相应的四个p h o t o m o s 。根据这样的设计思想，改进逻辑电路如图2 1 3 。 口n 图2 1 3 超级电容多路切换电路改进设计原理图 1 8 第2 章超级电容电压检测系统硬件设计 上述逻辑电路的作用是可以实现自动译码，在软件上只需输入一个地址即 可实现对相应p h o t o m o s 的选通。这种方法只需6 仑：0 口，并且使得软件编程 量大大降低，而且保证了不会出现p h o t o m o s 的错误选通，提高了整体安全性 和可靠性。其选通真值表如表2 1 所示。 表2 1 改进设计选通真值表 奇数偶数正负翻转 p 1 2 lp 1 2 0p 1 1 9p 1 1 8p 1 1 7p 1 1 6 p h o t o m o sp h o t o m o sp h o t o m o s l 术丰木幸木 n an an a o000o0l2 a ，c ooo00132 b ，o o00ol034 a ，c 2 3c 州通讯系统设计 本系统中的给定信号是通过上位机向电压检测模块给定的，下位机超级电 容检测系统与上位微机之间的通讯是通过c a n 通讯来实现的。 2 3 10 a n 通讯的作用 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线又称控制器局域网，由于其卓越的性 能、极高的可靠性、独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场 控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。c a n 已被公认为几种最有前途的现场总线之一。c a n 总线规范已被i s o 国际标准组 织制订为国际标准。c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模 型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层，用户可在其基础上开发适合系 统实际需要的应用层通信协议。由于c a n 总线极高的可靠性，从而使应用层通 信协议得以大大简化陋】。 在能量回收系统中，超级电容的电压要受上位机的实时监视。要求所有超 级电容电压检测模块能够接收并执行来自上位机的命令，而且能够将采集到的 电压数据及时反馈给上位机，上位机再根据超级电容的状态决定是否进行电压 均衡。这里信息的交流与通信由c a n 总线来完成。因而c a n 总线作为能量回 收系统中超级电容电压检测系统的脉络起着无可替代的重要作用，对c a n 总线 的软、硬件的性能提出了较高要求。 1 9 第2 章超级电容电压枪测系统硬件设计 2 3 20 a n 通信协议属性 c a n 通信协议有以下属性1 ： 1 每帧报文自带优先级； 2 没有主从局限； 3 可以灵活地改变参数； 4 错误捕捉和检测功能； 5 总线空闲可以自动重发出错帧： 6 可以区别暂时性错误还是永久性错误，如果为永久性错误，可以关闭此 节点的总线，使其不参与c a n 通信。 2 3 3c a n 总线器件 1 l p c 2 1 1 9 包含两个c a n 控制器 它的特性如下 2 4 1 ： 【l 】单个总线上的数据传输速率高达1 m b s ： 【2 】3 2 位寄存器和r a m 访问； 【3 】兼容c a n 2 0 b ，i s 0 1 1 8 9 8 1 规范： 【4 】全局验收滤波器可以识别所有c a n 总线的1 1 位和2 9 位r x 标识符： 【5 】验收滤波器为选择的标准标识符提供了f u l i c a n s t y l e 自动接收。 2 本检测系统使用c t m l 0 5 0 t 作为c a n 收发器 c t m l 0 5 0 t 是一款带隔离的高速c a n 收发器芯片，该芯片内部集成了所有 必需的c a n 隔离及c a n 收、发器件。它的主要特性如下1 2 5 1 ： 【l 】具有隔离、e s d 保护功能； 【2 】完全符合i s o l l 8 9 8 标准的c