基于超级电容的汽车应急启动电源设计

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随着科技的进步和人们生活水平的提高，汽车已进入了千家万户。

但是由于汽车蓄电池存在寿命短、先知太久供电不足、低温无法启动等缺点，经常出现由于电池损坏而导致汽车在路上无法启动的情况。

本课题提出采用具有功率密度高、使用寿命长、充电速度快等优点的超级电容器作为储能器件，研究开发一款基于超级电容的汽车应急启动电源装置。

该装置具备市电快速充电和太阳能辅助充电双模式，同时兼备蓝牙音箱、高亮照明等功能，可以长期放在汽车的后备箱中以备不时之需。

1 总体实施方案
本设计采用超级电容作为主要储能器件，220V 交流电通
2 硬件的分析与设计
本装置选用STM32F103ZET6单片机作为主控芯片。

超级电容模组的充放电模式切换，蓝牙音箱，太阳能充电板和LED 高亮照明的开关均由stm32单片机控制。

2.1 超级电容模组
装置采用6支3000F/2.7V 的超级电容串联，串联后的超级电容模组电压为16.7V ，容量为500F ，可提供65610J 的能量。

为避免不均压充电对超级电容造成损坏，超级电容模组外接一个均压电路。

基于超级电容的快速充放电，比功率大，大电流放电等固有特性，基于超级电容的汽车应急启动电源，可在短时间内完成充电，并且使用寿命长，安全免维护。

2.2 充电模式
超级电容模组充电采用SC8820智能电源管理芯片，当超级电容模组电量低于90%时使用恒流充电，提高充电速度；电量达到90%时，转换为涓流充电，保护超级电容自身不被损坏。

具体实施电路图如图2所示。

RSNS1和RSNS2表示功率路径上的电流采样电阻，当电流流经
基于超级电容的汽车应急启动电源设计
重庆文理学院电子信息与电气工程学院 牛 瑞 李 杰
图2 充电系统电路
过整流电路、斩波电路变换为16V 直流电给超级电容模组充电，同时设计有太阳能充电板，可在野外无充电装置的条件下利用太阳能给超级电容充电。

超级电容模组的输出均由微处理器控制，通过DC-DC 变换电路恒压输出12V 直流电，为汽车启动提供能量，降压输出5V 为蓝牙音箱、LED 照明、5V 输出等模块供电（见图1
）。

图1 系统总体设计框图
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时，电阻两端产生电压差。

RSS1和RSS2将产生的差分电压反馈回SC8820电源管理芯片以此获取电流信息。

CSS1和CSS2滤波电容用于滤除差分噪声，典型值为47pF 。

ILIM1和ILIM2管脚用于设置对应的充电电流，超级电容支持大电流充电，装置中恒流充电电流设置为10A ，涓流充电电流设置为1A ，超级电容模组进行充电时，SC8820首先进行恒流充电，并在检测到电量达到90%时自动切换，平滑过渡到涓流充电。

2.3 放电模式
超级电容模组的放电采用恒压放电方式，在放电模式下，使用10kHz ～100kHz 的PWM 信号对超级电容模组电压进行动态调
整，控制输出不同占空比的PWM 信号即能调节超级电容模组输出的电压。

放电系统框图如图3所示，当装置处于放电模式时，超级电容模组等效于一个电源，超级电容模组两端电压为16.2V ，通过调节IGBT （绝缘栅双极型晶体管）的导通与关断频率控制输出电压恒定为12V 。

IGBT 的作用相当于一个开关管，其导通和关断频率受脉冲信号控制。

当开关管导通时，超级电容模组向负载供电，同时大电
感L
储存能量；当开关管关断时，电流经
图3 放电系统框图
图4 主程序流程图
过D 续流二极管续流，电感L 放电，如此周期性导通和关断。

采样电阻采集输出端电压，脉冲信号根据反馈回的输出端电压动态调节开关管的导通时间，从而达到恒定输出12V 电压的目的。

3 软件的分析与设计
基于超级电容的汽车应急启动电源装置启动后，系统默认工作方式为放电模式，放电模式下，可通过按键控制超级电容充放电，音箱以及LED 照明的开启与关闭，并通过TFTLCD 屏幕显示相应数据以及各辅助功能的工作状态。

当检测到超级电容模组电压低于6V 时，显示屏显示低电量，音箱提示充电，单
片机主动切换为充电模式，并切断其他模块的电源。

程序流程图如图4所示。

本项目研制的一种基于超级电容的汽车应急启动电源装置，可以解决汽车意外熄火，低温无法启动等难题，同时也是一个多功能的移动电源，装置兼备蓝牙音箱，太阳能充电，常用5V 输出等功能，能为汽车用户解决很多难题，可长期放在汽车后备箱中使用。

装置采用的超超级电容，在汽车电源行业的应用也会越来越广阔。

基金项目：重庆市创新创业训练计划项目（201910642009）。