楊沛

(亮銳(上海)管理有限公司， 上海 200072)

近年來，隨著汽車的普及，車載類的電子產(chǎn)品的種類和數(shù)量都極具增長。這些產(chǎn)品中，很多都配有兩種供電方式，一種來自汽車本身，通過車輛標(biāo)配的點(diǎn)煙器接口供電。另一種來自備用電源，在點(diǎn)煙器的電源關(guān)閉后，備用電源來維持設(shè)備工作。目前，大部分的車載電子產(chǎn)品都采用液態(tài)鋰離子電池作為備用電源。

超級(jí)電容作為一種新型的儲(chǔ)能器件，得到了電子技術(shù)領(lǐng)域的研究人員的廣泛關(guān)注。目前的主要研究和應(yīng)用都在電動(dòng)車的能源上，或者與蓄電池組成復(fù)合電源系統(tǒng)，或者直接獨(dú)立作為電源來解決電動(dòng)車的動(dòng)力問題。實(shí)際上，在車載電子產(chǎn)品中，超級(jí)電容的應(yīng)用前景也十分廣闊。本文將著重介紹超級(jí)電容在行車記錄儀上的應(yīng)用。

1 超級(jí)電容工作參數(shù)和原理和特點(diǎn)

超級(jí)電容是介于電池和傳統(tǒng)電容之間的一種新型儲(chǔ)能原件[1]。超級(jí)電容有兩個(gè)電極，當(dāng)外加電場后，電子立即聚集在電場的負(fù)極，同時(shí)吸引了超級(jí)電容電極之間的電解液中的正離子。在電場的正極上，電極的正電荷吸引了電解液中的負(fù)離子，這種正負(fù)離子的遷移，使充電后的超級(jí)電容等效為兩個(gè)雙電荷層，構(gòu)成了雙層電容。這也就是超級(jí)電容又稱之為雙電層電容器的原因。超級(jí)電容的電極采用活性炭多孔電極，電極表面積很大，可以吸附大量的離子，因此超級(jí)電容的容量可以做的比較大，從幾法到數(shù)萬法[2]。放電時(shí)，電極上的電子通過外部負(fù)載在外部電路形成電流，離子被釋放到電解液中。因此，超級(jí)電容的充放電過程是物理反應(yīng)，并沒有化學(xué)反應(yīng)，這種充放電的穩(wěn)定特性可以使得超級(jí)電容的充放電次數(shù)較化學(xué)反應(yīng)的蓄電池多，可達(dá)104次以上[3]。

超級(jí)電容和目前的蓄電池相比，它有如下的優(yōu)點(diǎn)[4]，

1) 功率密度較高，可以達(dá)到102～104W/kg,這是由于超級(jí)電容的內(nèi)阻比較小，離子可以很快的聚集和釋放，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蓄電池的功率水平，這就使得超級(jí)電容的充放電速度比較快，對行車記錄儀的應(yīng)用極其適合。

2) 性能穩(wěn)定，循環(huán)壽命長，由于超級(jí)電容的充放電是物理過程，不涉及化學(xué)過程，因此損耗極小。保證性能穩(wěn)定和較長的使用壽命。

3) 綠色環(huán)保，安全。和電池不同，超級(jí)電容不使用重金屬和其他有害物質(zhì)。只要選型設(shè)計(jì)合理，在使用過程中，不存在高溫高壓環(huán)境下鼓包爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，非常適合車載產(chǎn)品的應(yīng)用場景。

當(dāng)然，超級(jí)電容也存在放電時(shí)間短，放電過程中電壓變化較大的缺點(diǎn)，因此某些特定場合還需要配合蓄電池使用。

總之，超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)非常適合車載產(chǎn)品的應(yīng)用場景，行車記錄儀就是其中一個(gè)例子。

2 超級(jí)電容在行車記錄儀上的應(yīng)用

行車記錄儀使用過程中需要有備用電源，在車輛行駛過程中，通過點(diǎn)煙器接口給備用電源充電，當(dāng)切斷點(diǎn)煙器口電源或者停車后，行車記錄儀需要備用電源提供足夠的電量來完成關(guān)機(jī)流程，包括視頻的保存，二次上電的檢測，主控和外設(shè)的關(guān)閉等。目前，絕大多數(shù)行車記錄儀采用液態(tài)鋰離子電池來作為備用電源。其優(yōu)點(diǎn)在于成本低，電壓穩(wěn)定，設(shè)計(jì)成熟。但考慮到行車記錄儀的特殊場景，，比如長期使用，或者夏天停車時(shí)車內(nèi)陽光直射溫度可達(dá)90度，這些對液態(tài)鋰離子電池的存儲(chǔ)和工作都是極其不利的，有鼓包爆炸的隱患。而采用超級(jí)電容，通過合理的電路設(shè)計(jì)，就不會(huì)有這些隱患，非常適合應(yīng)用在行車記錄儀上。

一般而言，根據(jù)行車記錄儀體積小，功耗低的特點(diǎn)，采用兩顆5F/2.7V的超級(jí)電容串聯(lián)，組成額定電壓5.4v/2.5F的電容來作為備用電源。同時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間保持電路也可以使用一顆1F/2.7V的電容，可以保持較長的系統(tǒng)時(shí)間。

在電路設(shè)計(jì)方面，采用RC充電方法直接給超級(jí)電容充電，原理圖如圖1所示。

圖1 超級(jí)電容的電路設(shè)計(jì)

圖1的C1，C2兩個(gè)超級(jí)電容是用來關(guān)機(jī)后的流程提供電源，充電時(shí)，根據(jù)式(1)。

(1)

為簡化請見，假設(shè)電容上的初始電壓為0，則式(1)可變?yōu)槭?2)。

(2)

由式(2)可知，

當(dāng)t=RC時(shí)，U(t) = 0.63Us；

當(dāng)t= 2RC時(shí)，U(t)= 0.86Us；

當(dāng)t= 3RC時(shí)，U(t)= 0.95Us；

當(dāng)t= 4RC時(shí)，U(t) = 0.98Us；

當(dāng)t= 5RC時(shí)，U(t) = 0.99Us；

可見，經(jīng)過3～5個(gè)RC時(shí)間常數(shù)后，充電過程基本結(jié)束。

在圖1中，R1，R2均為15歐姆，等效電阻為11歐姆，則時(shí)間常數(shù)為27.5 s，5個(gè)RC約為137 s，即約兩分鐘就可以充滿。

關(guān)機(jī)時(shí)，超級(jí)電容通過電阻向負(fù)載放電，只要關(guān)機(jī)流程合理，就足以滿足關(guān)機(jī)的需求。同理，系統(tǒng)時(shí)間保持的電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)時(shí)間保持電路的設(shè)計(jì)

其計(jì)算方式和圖1相同，需要注意的是，由于加了肖特基二極管，充滿電的電壓無法達(dá)到LDO輸出的標(biāo)稱電壓，實(shí)際測試基本都是減掉0.3v左右。例如LDO輸出3.3v，系統(tǒng)時(shí)間保持的最低電壓要求是1.5V，消耗電流是1μA，由于R1的壓降極小，可以忽略，則根據(jù)式(3)，可以計(jì)算出放電的時(shí)間。

(3)

則根據(jù)式(3)，得

(4)

為簡化計(jì)算，將放電的指數(shù)曲線看作線性，則i=1 μA，C=1 F，du=3.0-1.5=1.5V，代入式(4)，得dt=1.5×106s，接近17天，因此完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3 超級(jí)電容在車載產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1 均壓設(shè)計(jì)

超級(jí)電容器串聯(lián)時(shí)，單體的電壓應(yīng)盡量保持均衡，從而保證性能和壽命的一致性，但實(shí)際運(yùn)行中，由于容值，內(nèi)阻或泄漏電流的差異，分布在單體上的電壓會(huì)有不同，導(dǎo)致超級(jí)電容的使用壽命降低[5]。因此串聯(lián)的電容器需要有電壓平衡的措施。即均壓設(shè)計(jì)，分為被動(dòng)均壓和主動(dòng)均壓，行車記錄儀采用被動(dòng)均壓，即每個(gè)超級(jí)電容單體都并聯(lián)一個(gè)電阻。這是由于其設(shè)計(jì)簡單，成本低。

超級(jí)電容的等效電路為一個(gè)純電容串連一個(gè)等效電阻，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)泄露電阻，如圖3所示。

圖3 超級(jí)電容的等效模型

其中，Rs為等效電阻，Rp為泄漏電阻，因?yàn)槁╇娏骱苄?，所以泄漏電阻很大。因此每個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)同樣的電阻，且電阻值比泄露電阻小很多，等效電阻值可以看做是并聯(lián)的電阻值。這樣串聯(lián)后的超級(jí)電容為并聯(lián)電阻回路供電時(shí)，能夠保證每個(gè)電阻的壓降一致，因此電阻之間的抽頭接到電容之間，就可以使得每個(gè)電容兩端的電壓一致，由此到達(dá)了均壓的作用。如圖4所示。

圖4 被動(dòng)均壓設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)使得直流功耗一直存在。但是綜合考慮，仍然非常適合行車記錄儀的應(yīng)用場景。

3.2 其他注意事項(xiàng)

3.2.1 不要顛倒極性使用

盡管超級(jí)電容的兩極有對稱的特性，初次使用時(shí)，任意電極都可以作為正極或負(fù)極。但是其電極使用過程中會(huì)出現(xiàn)極性化，如果在一個(gè)電極上長期使用后，在反向使用，會(huì)影響超級(jí)電容的壽命?；旧纤械某?jí)電容都用極性的標(biāo)識(shí)，只需按照其標(biāo)識(shí)來使用即可。

3.2.2 降額使用

在使用超級(jí)電容時(shí)，要注意其參數(shù)上限，由于超級(jí)電容的一致性差異，需要降額使用。

3.2.3 貯存

超級(jí)電容的貯存應(yīng)該避免高溫高濕，以及腐蝕性的環(huán)境。同時(shí)避免碰撞和沖擊。

3.2.4 安裝和焊接

安裝超級(jí)電容時(shí)，不能強(qiáng)行扭動(dòng)超級(jí)電容，否則會(huì)導(dǎo)致引線松動(dòng)。

焊接時(shí)，避免超時(shí)間的高溫焊接，否則也會(huì)影響超級(jí)電容的壽命。

4 總結(jié)

超級(jí)電容的優(yōu)勢使得其可以作為備用電源很好的應(yīng)用在行車記錄儀之類的車載電子產(chǎn)品中。在電路設(shè)計(jì)中，可以采用簡單實(shí)用的RC充放電電路設(shè)計(jì)，合理選擇超級(jí)電容的工作環(huán)境溫度范圍和耐壓值，盡量避免長期在高溫高壓的環(huán)境中使用。如果超級(jí)電容的一致性不滿足需要，可以采用低成本的被動(dòng)均壓設(shè)計(jì)來改善。這些設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)可以為今后超級(jí)電容在車載電子產(chǎn)品的應(yīng)用中提供參考和方向。