RM2023超级电容模组

⚠️ 此拓扑可以用于参考，不建议完全照抄。在制作此开源项目的时候，请确保您已经学过相关基础知识。

我对下一届的培训也是从基础开始，没有一开始就让他们着手制作此项目。

写在前面

本超级电容模块，电容组采用的是学长以前制作留下来的电容组，超级电容控制板的拓扑结构，以及代码框架均由学长的老版本重构而来，由于能力有限，本版本的超级电容模块仍有诸多不正确，不合理的地方，还请多多包涵。

这个版本的超级电容模块仅仅只只是能用的程度。在超级对抗赛中的表现为，血量优先的情况下，开启超级电容能拥有功率优先的性能，也就是超级电容模块差不多只提供了70W的功率。其中一部分原因是超级电容组久经沙场，大限将至，放电能力以及容量远不如额定值；还有一部分原因可能是超级电容控制板的原因，由于测试过程中，没有低压大功率（<15V，>100w）的电源，也不使用超级电容组作为测试电源（一是为了测试安全，二是减少超级电容组的循环，减少损耗）。

硬件电路

超级电容组

⚠️ 不要以此超级电容组的单体容量和串联数量作为参考，这个早期的作品并不合理。

超级电容组由AD进行绘制。超级电容组采用BW6101进行被动均衡充电，并且有一个用于整体过压保护的电路。

超级电容控制板

早期学长的超级电容控制板也是由AD进行绘制，此版本经由我手，所以变成了Kicad。

主控部分电路

平平无奇的F334主控和MAX3051 CAN收发器。

辅助电路

24V降12V的栅极驱动供电使用RT7272，这是一个3A带限流保护的DCDC。由于选型的时候并不知道栅极驱动的电流、功耗如何计算，所以就照着栅极驱动的推拉电流找了一个。实际找个0.5A的就足够包括后级12V降5V的其他电路供电了。12降5V实际降到了4V，减少LDO的损耗。

⚠️ RY8310的R12和R14阻值反了，请自行调换（换文件太麻烦了，懒了）。

功率部分电路

超级电容控制板的主拓扑是一个半桥的“双向”DCDC，正向降压对电容充电，反向升压电容放电，这就是一个最简单的电容充放电路，并且控制方式也较为简单，缺点就是，电容组只能充到电池电压的大小。理想二极管，是因为看见好多接电机的模块什么的都说要接个二极管，所以就带上了，至于有什么影响， 不是很清楚。还有一些开关切换的电路，其中Q5是为了防止车子死亡的时候，电容组还在为底盘供电。

Q4和Q6目前来看是有点多余，后面是用不到这两个MOS的。 关于Q4和Q6，其实是为了让超级电容输出的时候，完全切断来自底盘的供电，因为当时还不知道如何处理电容和电池同时输出的情况，但是后面写出来了，就把Q4短路了。留着Q6是有设计上的一些问题，Q5的关断信号是通过硬件检测电池端口的电压，而在死掉之后，突然断电的情况下，Q5仍处于导通状态，电池端口的电压只会跌落到电容组电压（Q1体二极管）。可以通过关断Q6进而防止电容电压倒灌到电池端口，从而达到关断Q5的目的。

截至2024年4月6日，我已经遇到四个使用UCC27211（可能也有UCC27201）的超级电容控制板出问题了，其中两个表现为上管无法导通，自举电压不正常。这些问题出现在不同的学校，其中有从立创买的芯片，所以我认为这个芯片容易出问题，所以建议更换别的驱动。目前在使用NSD1624（跟UCC27211不兼容），但是经过计算，100Khz的开关频率并不需要4A推拉电流的驱动，太浪费了。像LM5109这样的栅极驱动就已经能满足100Khz的开关频率应用了。

⚠️ D8，D9的TVS方向反了，请自行修改。

采样电路

超级电容模块电流检测的INA282（淘宝买的6块钱一片，当时立创好像二十多）性能不错，甚至觉得还有点多余，可以再考虑换差的，电池电流用的单向的INA195，9块钱一片，还可以换差点的。电压跟随器的话，没有用opa2333，用的是GS8552，还有一个是SGM321，感觉只要是单位增益稳定的就够用了，没用出什么区别。

运放接入STM32的ADC的话，最好经过一个RC滤波器，一是滤波，二是STM32的ADC是SAR-ADC，运放直连的话可能会造成电压不准。

硬件电路就这么完了？没有公式计算分析？

是的，我做的时候也只是照葫芦画瓢，电感只会看电流选，电容，MOS更是啥都不会，电感选大点，电容猛堆，MOS就用一些常用的。

软件算法

⚠️ 代码这部分有一个问题，ADC采样不是采的开关周期中间的值，而是开着DMA一直以一个恒定的频率在采样，而且是进入控制中断环路的时候才会用到ADC的值，可能会造成影响。（后期测试的时候，带载纹波总是很大，怀疑跟这个有很大关系）。

INA282采集出来的电流跳变会非常大， 这个是正常现象，因为他处于开关电流不连续的地方，上管导通有电流，上官关断无电流。解决办法就是，使用定时器触发ADC采样，触发时机为上管导通时间的中间，这样能保证采集到的电流是平均值。

代码写的比较差（有很多测试用的代码没有删掉），请多包涵（我也不想动这个屎山了，能跑就行）。

代码大部分是判断各种状态，应该是还能看懂，非要讲的话，也就讲讲PID了（函数是在网上抄的，似乎也没啥好讲的）。当时我还不知道“状态机”这样的编程思维，现在也还没开始学，有时间再看看。

双环竞争PID

我这里充放电都定义了一个PID函数，电流和电压分别进行PID计算之后，进行竞争才会赋给CMR来更新PWM占空比。

关于为什么我把充放电PID都作为单独的函数来定义，因为充放电的电流方向是相反的（其实就只有这里有区别），然后我就在PID函数里面负负得正了。

我这个双环竞争，两个函数的区别也就只是取大取小的区别，这个就得好好讲讲了。

处于充电状态（也就是Buck）时，假设输入（电池）电压24V，输出（电容）电压12V，理论占空比为50%，如果电流超过相应的电流限制，那程序应当拉低输出电压，也就是降低占空比，所以此时就需要使用较小的PID输出值来作为CMP的值。

HRTIM中CMP/PER的值即为PWM占空比的值（我程序设置的是正占空比模式，且HRTIM_CHA1为正通道，HRTIM_CHA2为互补通道，故我文中所说的所有占空比均为HRTIM_CHA1的正占空比）。

处于放电状态（也就是Boost）时，假设输入（电容）电压12V，输出（底盘）电压24V，理论占空比为50%，如果电流超过相应的电流限制，那程序应该拉低输出电压，也就是降低占空比，那这不应该是跟上面的情况是一致的吗？

我们从Buck和Boost的占空比计算以及原理来看，《精通开关电源设计》附录中总结了这些公式：

Buck：$Duty = V_o / V_{in}$

Boost：$Duty = V_o / (V_{in} + V_o)$

这里就出现差别了，两个的占空比计算公式不一样？

这就需要看到Buck和Boost如何从电路中计算推导出这个公式了。

上图是典型的Buck和Boost的拓扑，Duty是通过MOS导通与关断的时间来进行计算的。其实这里已经可以发现了，他们的MOS位置是不一样的，对应的"MOS的占空比"指的并不是同一个MOS的占空比。而放到这个超级电容控制板的拓扑来看，一个很正常的同步DCDC，但是正反两个方向分别对应同步Buck和同步Boost。

• 工作于Buck状态时，MOS占空比的控制应该是以上管的占空比作为正占空比；
• 而工作于Boost状态时，MOS占空比的控制应该是以下管的占空比作为正占空比；

在我的程序中，HRTIM_CHA1正通道对应控制上管的通断，HRTIM_CHA2互补通道对应控制下管的通断，所以我永远是以上管的正占空比作为控制对象。由于上下管占空比互补，所以：

处于放电状态（也就是Boost）时，假设输入（电容）电压12V，输出（底盘）电压24V，理论占空比为50%，如果电流超过相应的电流限制，那程序应该拉低输出电压，也就是降低占空比，那这不应该是跟上面的情况是一致的吗？

这段话中的占空比指的是下管的占空比，为了使输出电压降低而减小下管占空比时，上管占空比就会增大，故需要取较大的值赋值给CMP就可以达到降低输出电压的目的。

并联输出算法

这里的可以说是一个取巧的办法，只能说能用，但是不好用。目前是想到了别的方法来实现这个功能，但是暂时没时间验证。

这个方法是从一次测试中得到的启发：电池和数字电源并联向电子负载供电，由于电池和数字电源同时输出，并且电压不一致，所以我不知道表头显示的是什么电压。在电池满电的时候，电压大概是25V，调节数字电源的输出电压，接近25V的时候，电池那路的电流就开始下降，数字电源开始输出电流，数字电源的设定输出电压值在电池实际电压（电池大功率输出的时候电压会有所降低）附近的时候，他们两路的电流就跟电压有一定的比例关系（你问我怎么算？好像基尔霍夫定理啥的能算，不会！）。

然后就是根据电池的输出功率来调整超级电容的升压输出电压，超级电容开启升压输出时，电池输出功率在最外层的if进行调整，我这里是将电池输出功率限定在功率限制-10W左右。

测试

测试仪器

• 电子负载（负载电阻）
• 程控电源（学生电源）
• 示波器
• 万用表

测试流程

• 板子各电源电压正常；
• 单片机可以正常运行；
• 使单片机输出设定频率的互补PWM；
• 以固定占空比（如50%）输入半桥驱动来使半桥工作，测量半桥输入输出电压关系是否约为1：2（会有误差）；
• 调节上下管Vgs驱动波形正常（一般来说，走线正常就不会出问题）；

注意接地点，不要让探头爆炸。

• 调节上下管导通死区时间（至少空载不能让管子发烫）；
• 开环带载测试，测试效率，进一步查看Vgs波形，死区时间；

以上为硬件测试，以下为软件测试。

• 写ADC采样代码；
• 给各个电压/电流采样点输入电压/电流，万用表测试运放输出是否在计算值误差内，ADC采样值是否正确。
• 写PI控制代码，将电压作为反馈环路，尝试对PWM进行闭环控制，使其不震荡；
• 对电压环进行负载测试（半载，满载），确保真的不震荡；

调试电压环的时候，电子负载设定恒流模式；调试电流环的时候，电子负载设定恒压模式。

• 在反馈环路中加入电流反馈，一般使用电流内环，电压外环的反馈环路，调PI；
• 进行恒流/恒压跳变测试，确保电压电流环之间切换不会有太大的波动；

这个恒压/恒流跳变测试我喜欢用恒阻模式来调试。

• 写控制逻辑代码；
• 对电容进行充放电测试。
• 写通信代码；
• 爆炸💥！

测试视频

此视频数据不完全正确，请勿以此为参考。