摘  要： 对一种大电流放电实验系统中的超级电容进行监控保护设计。监控保护系统硬件结构由人机界面、智能电表、可编程逻辑控制器构成，能够实现实时参数及状态显示、单个超级电容详细参数及状态显示、系统自保护、超级电容预警联动、超级电容报警联动、超级电容设置、报警记录与事件记录查询等功能。另外，重点阐述了CAN通信实现、系统自保护实现、预、报警联动等关键技术的实现。工程运行结果表明，系统运行十分可靠，技术值得推广。

　　关键词： 大电流放电实验；超级电容；监控；保护

0 引言

　　大电流放电实验系统采用恒流源进行充电，可以提供短时大电流，主要用于测试继电器及接触器等在大电流开合时的性能及寿命参数。

　　超级电容可以在极短的时间内吸收或释放相当大的功率，是大电流放电实验系统的核心组成部件。然而，超级电容单体额定电压低，需要大量单体串并联组合工作，使用条件、环境温度、充电电流、偏置电压、单体参数等诸多因素均将影响超级电容的性能，恶劣的工作环境将会导致其寿命大大降低[1-4]。

　　因此，必须监控超级电容的电压、电流和温度等，当预测到存在故障隐患时及时报警通知管理人员进行维护和处置，防患于未然；当发生破坏性故障时，能够快速响应自动实施保护动作，防止故障损失扩大[5-6]。

　　本文首先介绍大电流放电实验系统，然后详细论述超级电容监控保护系统的硬件结构面和功能架构，接着重点阐述监控保护系统实现的关键技术，最后介绍工程应用情况。

1 大电流放电实验系统

　　本文所研究的大电流放电实验系统原理接线如图1所示。

　　系统主要由6个超级电容模块串联而成，采用100 A电流源进行充电，输出提供最高800 V、瞬时1 000 A放电电流。

　　超级电容模块（Ultra Capacitor Module，UCM）采用Maxwell公司生产的BMOD0063 P125系列，电容值为63  F，额定电压为125 V，内部由6节每节8个共48个电容组件串联而成。该系列超级电容模块自带电压平衡、状态监测和温度管理等功能，并且提供CAN总线接口，可以实时获取超级电容模块的当前温度、各节电压数值、电压不均衡状况及各种预警与报警状态[3-4]。

2 超级电容监控保护设计

　　2.1 超级电容监控保护系统的硬件结构

　　超级电容监控保护系统硬件结构如图2所示，主要由人机界面（Human Machine Interaction，HMI）、智能电表（Smart Meter，SM）、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等组成。

　　人机界面为7寸触摸屏，采用组态进行编程开发，分辨率为800×600，自带2路RS485接口和1路CAN总线接口，支持自定义CAN-bus协议和Modbus协议通信。

　　超级电容模块内置通信组件，采用CAN总线与人机界面通信，通信协议为基于CAN 2.0规范的Maxwell自定义协议。

　　智能电表主要用于监控充电电流、系统总电压等参数，当总电压达到限值时切断充电回路，智能电表和人机界面之间采用Modbus协议通信。

　　PLC主要用于获取各个开关状态，同时进行预、报警联动控制开关状态，PLC与人机界面之间采用西门子PPI协议通信。

2.2 超级电容监控系统的功能框架

　　超级电容监控保护系统的功能框架如图3所示。

　　主要参数及状态显示：显示总电压及其实时趋势图、UCM1#~6#的温度和全电压数值、系统主要运行与监控状态等。

　　单个UCM详细参数及状态显示：分别显示每个UCM的温度、内部每节电压（共6节，每节相对输出末端的电压差，其中第3节电压也称半电压，第6节电压也称全电压）、电压德尔塔参数（反映内部每节电压降分配不均衡状况的参数）、预报警状态、温度实时曲线、全电压实时曲线等。

　　系统自保护：当系统掉电、开关电源等部件损坏、UCM死机或通信失联、HMI死机或通信失联、SM死机或失联、PLC死机或通信失联等场合下，能够在HMI显示和PLC输出端反映出来并实现保护动作。

　　UCM预警联动：当任意UCM温度超下限、温度超上限、全电压超上限、半电压超上限、电压德尔塔峰值超上限发生时，能够在HMI显示和PLC输出端反映出来并实现保护动作，预警涵括报警。

　　UCM报警联动：当任意UCM温度超上限报警、全电压超上限报警、电压德尔塔峰值超上限报警发生时，能够在HMI显示和PLC输出端做出反应并实现保护动作。

　　UCM设置：与UCM进行通信，设置UCM的地址标识、数据上报时间间隔及上报内容等参数。

　　报警记录与事件记录查询：报警记录指UCM上报数据中的前述预报警信息记录。事件记录指预报警发生时，HMI触发的事件和处理动作记录。

3 监控系统实现的技术关键

　　3.1 CAN通信实现

　　目前国内销售的带CAN接口的组态人机界面触摸屏可选型号很多，但是大部分人机界面只支持标准CANOpen协议（一种基于CAN 2.0规范的应用层协议）通信，而Maxwell超级电容模块提供的通信接口是基于CAN 2.0规范的自定义协议，因此人机界面选型对后续开发十分重要。

　　经过反复对比分析，最终选定某公司开发的“LEVI-777A”型人机界面，该型号人机界面支持各种通用CAN扩充协议及基于CAN 2.0规范的自定协议。自定义协议通信数据帧配置界面如图4所示。

　　在数据帧配置界面上，不仅可以配置数据帧格式、帧标识、交互模式、数据格式、数据内容等信息，还可通过CtrBit控制位来控制指令发送，并使用Lamp标识位来判断通信是否成功。

　　3.2 系统自保护实现

　　作为超级电容监控保护系统，其自身的可靠性十分关键，系统失效的情况包括：系统掉电、开关电源等部件损坏、UCM死机或通信失联、HMI死机或通信失联、SM死机或失联、PLC通信失联等。

　　系统自保护的PLC输出IO接线如图5所示，正常情况下Q0.1输出高电平，当系统出现前述失效情况时，Q0.1输出低电平，报警继电器输出使用常闭触点。

　　实现原理：正常时HMI控制Q0.1=1，并按一定周期给PLC发送心跳信号（翻转M0.0值）；当系统掉电和开关电源损坏时，24 V输出为0，输出电平肯定为低电平；当UCM死机或失联及SM死机或失联时，HMI通过Lamp标识位检测，然后直接控制使Q0.1=0，输出变为低电平；当PLC与HMI通信失联，心跳包中断，PLC检测到心跳包中断后控制Q0.1=0，输出变为低电平。

　　3.3 PLC与UCM预、报警联动

　　UCM预警情况：温度超下限、温度超上限、全电压超上限、半电压超上限、峰值德尔塔超上限。当发生UCM预警时，PLC控制启动声光报警装置。

　　UCM报警情况：温度超上限报警、全电压超上限报警、峰值德尔塔超上限报警。当发生UCM报警时，PLC控制切断充放电回路开关断路器。

　　实现原理：UCM以50 ms为周期，不断通过CAN总线主动向HMI上报UCM状态信息，其中包括了上述预、报警信息。HMI使用多个后台脚本（多线程）分别监控每个UCM的状态，当任意一个UCM出现预、报警时，通过控制PLC的IO输出实现声光报警或切断开关断路器。

4 监控保护系统运行主界面

　　超级电容监控保护系统运行主界面如图6所示。

5 结论

　　本文设计的超级电容监控保护系统，经过调试后测试结果表明，系统运行十分可靠，各个界面的状态数据更新正确，显示延时小于100 ms；预、报警准确，HMI显示延时小于50 ms，PLC预、报警联动动作延时小于150 ms；当出现系统自保护失效的情况时，HMI和PLC指示正确，HMI指示反应延时小于300 ms，PLC指示反应延时小于1 000 ms。

参考文献

　　[1] 顾帅，韦莉，张逸成，等.超级电容器老化特征与寿命测试研究展望[J].中国电机工程学报，2013，33（21）：145-153.

　　[2] 许爱国，谢少军，姚远.基于超级电容的城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统[J].电工技术学报，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.基于超级电容的电力牵引特性研究[J].微型机与应用，2013，32（24）：78-81.

　　[5] 郝美娟，吴立锋，关永，等.超级电容容量动态测试系统设计[J].计算机工程与设计，2013，34（12）：4374-4378.

　　[6] 徐文兵.超级电容能量监控系统的研究与设计[D].上海：上海交通大学，2008.