深圳供電局有限公司 楊忠亮 林龍福 李曉波 林 海 佘楚云 深圳市今朝時代股份有限公司 吳 杰

電力工程車輛長時間停放將會導致車輛啟動蓄電池過放，同時使汽車蓄電池容量下降，出現(xiàn)車輛無法啟動的情況，從而造成車輛外出搶險時間延誤。電能儲能具有多種形式，通常可分為能量型儲能和功率型儲能兩類。以鉛酸蓄電池、鋰電池、鈉硫電池等為代表的能量型儲能，具有能量密度大、儲能時間長的優(yōu)點，但其功率密度小、循環(huán)壽命短；以超級電容、飛輪儲能、超導磁儲能等為代表的功率型儲能，具有功率密度大、響應速度快、循環(huán)周期壽命長、溫度適應范圍廣等優(yōu)點，但能量密度小、自放電率高。本文將兩種不同特性的儲能部件通過電力電子設計，相互組合在一起，形成特性互補[1]，有效地解決車輛長時間停放無法啟動以及現(xiàn)有相關設計的短板明顯的難題，該車輛應急啟動電源，同時具備溫度特性好，適應溫度范圍廣，使用壽命長，維護簡單的優(yōu)良特性[2-3]。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：磷酸鐵鋰電池組、超級電容模組、微控制器模塊（MCU 智能控制電路）、升降壓DC-DC 模塊和控制繼電器[4]，如圖1綠色框圖部分所示（圖注：船型開關S1是整個車輛應急啟動電源的總開關，使用的時候打開此開關，不用需要關閉此開關，目的是為了降低儲能部件的系統(tǒng)功耗）。

圖1 便攜式車輛應急啟動電源系統(tǒng)總體結構框圖

便攜式車輛應急啟動電源充電回路設計了兩種充電方式：磷酸鐵鋰電池組給超級電容模組充電：打開船型開關S1，STM32F030芯片檢測鋰電池組無異常，控制開關S2閉合，鋰電池組開始工作，輸出電壓；按下模式選擇輕觸開關K1，選擇鋰電池組電源充電模式，STM32F030芯片控制閉合開關S3，同時檢測超級電容模組兩端電壓，控制升降壓DC-DC 回路給超級電容模組充電；車載鉛酸電池給超級電容模組充電：打開船型開關S1，STM32F030芯片檢測鋰電池組無異常，控制開關S2閉合，鋰電池組開始工作，輸出電壓；按下模式選擇輕觸開關K2，選擇汽車鉛酸電池電源充電模式，STM32F030芯片控制閉合開關S4，同時檢測超級電容模組兩端電壓，控制升降壓DC-DC 回路給超級電容模組充電。

便攜式車輛應急啟動電源放電回路工作原理：超級電容模組充滿電后，接入虧電的車載鉛酸電池正負極兩端，打開汽車點火開關，STM32F030芯片檢測到汽車鉛酸電池兩端電壓突然下降，控制S5開關閉合，閉合時間設定為2S，由超級電容模組輸出大功率脈沖電流，提供足夠的啟動功率實現(xiàn)汽車發(fā)動機啟動。

2 系統(tǒng)硬件、軟件設計

為測試驗證以上方案的抗大沖擊電流能力以及均衡特性，進行以下試驗設計。

2.1 供電模塊設計電路

降壓模塊電路。控制系統(tǒng)電源管理來自磷酸鐵鋰電池組輸出的電能，通過電壓轉換模塊降低為12V 后作為繼電器驅動電路的工作電源；進一步通過線性穩(wěn)壓電源3V3-LDO 轉換出電壓值為3.3V 的電能作為STM32F030型微控制器的工作電源（圖2）。

圖2 降壓模塊電路圖

升壓模塊電路。當磷酸鐵鋰電池組的電壓過低，不足以讓降壓模塊正常輸出12V 時，控制系統(tǒng)就無法正常工作。因此設計一組升壓模塊電路，通過連接汽車鉛酸電池輸出端與降壓模塊電路輸入端，充分利用汽車鉛酸電池剩余的電能（此時的電壓已經(jīng)不能啟動汽車）為控制系統(tǒng)提供電源：按下開關K6，蓄電池電能經(jīng)電壓轉換模塊升壓為12V 后，并入降壓模塊電路，為控制系統(tǒng)提供電壓為12V 的工作電源（圖3），控制系統(tǒng)可正常工作。

圖3 升壓模塊電路圖

2.2 超級電容模組充電電路

2.2.1 升降壓DC-DC 模塊電路

DC-DC 模塊電路的輸入電壓V+_IN 可來自于磷酸鐵鋰電池組的輸出端B+，或者是來自于汽車鉛酸電池的輸出端V+_OUTPUT，由用戶通過按鈕開關K1或者按鈕開關K2來選擇輸入模式。DC-DC模塊電路的輸出電壓UC_VALTAGE 直接給超級電容模組充電，如圖4所示。由于超級電容模組初始電壓值為0V，DC-DC 模塊降壓給超級電容模組充電，同時MCU 監(jiān)測超級電容模組兩端的電壓，當超級電容模組的電壓達到輸入電壓時，DC-DC 模塊升壓給超級電容模組充電到預先設定的電壓值，直到MCU 檢測到超級電容模組兩端的電壓達到預先設定的電壓值30V 時（圖5），自動停止充電。圖5中上面3個分別是對超級電容電壓、車載鉛酸電池電壓和鋰電池電壓檢測電路；下面3個分別對應的是超級電容、車載鉛酸電池和鋰電池對應的繼電器控制電路,判斷到對應的K1/K2按鈕開關時，閉合對應的繼電器。

圖4 升降壓DC-DC 模塊電路圖

圖5 電壓監(jiān)測和繼電器控制電路圖

2.2.2 磷酸鐵鋰電池組給超級電容模組充電電路

當用戶按下按鈕開關K1（如圖6所示），MCU接收到信號：即磷酸鐵鋰電池組B+端給超級電容模組UC_VALTAGE 端充電（如圖4所示），MCU控制對應的繼電器開關S3閉合，磷酸鐵鋰電池組給超級電容模組充電。U1的引腳6控制MOS 管Q5的開關，來調節(jié)輸出電壓的大?。划敵潆婋娏鬟^大時，即U1的引腳3兩端的電壓大于閾值電壓后，U1的引腳6控制MOS 管Q5的關斷，減小充電電流；U1的引腳3兩端的電壓小于閾值電壓后，U1的引腳6控制MOS 管Q5打開，正常充電。

U1的引腳2是反饋電壓引腳，檢測輸出電壓是否過高，通過控制引腳6控制MOS 管Q5的開關來調節(jié)輸出電壓的大??；當檢測到充電電壓過高時，U1的引腳2兩端的電壓大于閾值電壓后，U1的引腳6控制MOS 管Q5的關斷，減小充電電壓；當U1的引腳2兩端的電壓小于閾值電壓后，U1的引腳6控制MOS 管Q5打開，正常充電。

2.2.3 車載鉛酸電池給超級電容模組充電電路

用戶按下按鈕開關K2（如圖6所示），MCU 接收到信號：即汽車鉛酸電池V+_OUTPUT 端給超級電容模組UC_VALTAGE 端充電。如圖4所示。U1的引腳6控制MOS 管Q5的開關，來調節(jié)輸出電壓的大?。划敵潆婋娏鬟^大時，即U1的引腳3兩端的電壓大于閾值電壓后，U1的引腳6控制MOS 管Q5的關斷，減小充電電流；U1的引腳3兩端的電壓小于閾值電壓后，U1的引腳6控制MOS 管Q5打開，正常充電。

圖6 MCU 智能控制電路圖

U1的引腳2是反饋電壓引腳，檢測輸出電壓是否過高，通過控制引腳6控制MOS 管Q5的開關來調節(jié)輸出電壓的大??；當檢測到充電電壓過高時，U1的引腳2兩端的電壓大于閾值電壓后，U1的引腳6控制MOS 管Q5的關斷，減小充電電壓；當U1的引腳2兩端的電壓小于閾值電壓后，U1的引腳6控制MOS 管Q5打開，正常充電。

2.3 MCU 智能控制電路

本系統(tǒng)中的MCU 智能控制電路采用基于ARM 內(nèi)核的STM32F030芯片。按鍵開關K1、K2可控制磷酸鐵鋰電池組作為超級電容模組充電電源和汽車鉛酸電池作為超級電容模組充電電源兩種充電模式的切換，對應的MCU 控制引腳42和引腳25接收按鍵開關信號；引腳44、引腳23和引腳3分別控制繼電器S3、S4和S5的開和關；引腳16、引腳17和引腳18分別檢測磷酸鐵鋰電池組兩端的電壓、超級電容模組兩端的電壓和汽車鉛酸電池兩端的電壓；引腳19、引腳20、引腳21和引腳22則對應的是磷酸鐵鋰電池組的剩余電量；引腳36到引腳42則對應的是超級電容模組的剩余電量。

2.4 超級電容模組啟動控制電路

把超級電容模組輸出正負極接在汽車鉛酸電池正負極兩端，汽車點火，MCU 檢測到汽車鉛酸電池兩端的電壓突然下降，引腳3輸出高電平，控制繼電器S5閉合，超級電容模組給汽車點火，完成汽車啟動。

2.5 智能系統(tǒng)軟件設計

軟件部分主要是對 STM32F030芯片的程序控制，采用C 語言設計，具體模塊包括配置 ARM 芯片、配置GPIO 口電壓采集和監(jiān)測、繼電器控制、超級電容模組升降壓充電電路控制、汽車點火控制等（圖7）。

圖7 MCU 控制汽車點火流程圖

3 結語

本文通過基于STM32F030芯片的DC-DC 升降壓電壓控制電路、繼電器控制電路、電壓監(jiān)測電路等電路，智能控制磷酸鐵鋰電池組和車載鉛酸電池對超級電容模組自動完成升降壓充放電全過程，實現(xiàn)了超級電容模組快速應急點火啟動系統(tǒng)。本文的便攜式車輛應急啟動電源結合鋰電池的高能量密度和超級電容模組高功率密度的優(yōu)點，通過電力電子設計形成特性互補，可以在低溫等各種復雜環(huán)境下穩(wěn)定提供瞬間大功率脈沖電流放電，最高可達1200A，同時具備循環(huán)壽命長，充電一次可以多次給汽車應急點火啟動，已在多輛汽車上進行了測試驗證。

最后針對公司內(nèi)部電力工程車輛進行仿真和實踐，證明了基于STM32的復合便攜式車輛應急啟動電源系統(tǒng)設計具備低溫性能優(yōu)越、能量密度大、壽命長、輸出功率大、智能過程控制、維護簡單的功能特點，在處理各類復雜環(huán)境下電力工程車輛應急啟動具有安全性、實用性。