超級電容在行車記錄儀中的應用

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，車載類的電子產品的種類和數量都極具增長。這些產品中，很多都配有兩種供電方式，一種來自汽車本身，通過車輛標配的點煙器接口供電。另一種來自備用電源，在點煙器的電源關閉后，備用電源來維持設備工作。目前，大部分的車載電子產品都采用液態鋰離子電池作為備用電源。

超級電容作為一種新型的儲能器件，得到了電子技術領域的研究人員的廣泛關注。目前的主要研究和應用都在電動車的能源上，或者與蓄電池組成復合電源系統，或者直接獨立作為電源來解決電動車的動力問題。實際上，在車載電子產品中，超級電容的應用前景也十分廣闊。本文將著重介紹超級電容在行車記錄儀上的應用。

1 超級電容工作參數和原理和特點

超級電容是介于電池和傳統電容之間的一種新型儲能原件[1]。超級電容有兩個電極，當外加電場后，電子立即聚集在電場的負極，同時吸引了超級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離子，這種正負離子的遷移，使充電后的超級電容等效為兩個雙電荷層，構成了雙層電容。這也就是超級電容又稱之為雙電層電容器的原因。超級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，因此超級電容的容量可以做的比較大，從幾法到數萬法[2]。放電時，電極上的電子通過外部負載在外部電路形成電流，離子被釋放到電解液中。因此，超級電容的充放電過程是物理反應，并沒有化學反應，這種充放電的穩定特性可以使得超級電容的充放電次數較化學反應的蓄電池多，可達104次以上[3]。

超級電容和目前的蓄電池相比，它有如下的優點[4]，

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

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

3) 綠色環保，安全。和電池不同，超級電容不使用重金屬和其他有害物質。只要選型設計合理，在使用過程中，不存在高溫高壓環境下鼓包爆炸的風險，非常適合車載產品的應用場景。

當然，超級電容也存在放電時間短，放電過程中電壓變化較大的缺點，因此某些特定場合還需要配合蓄電池使用。

總之，超級電容的優點非常適合車載產品的應用場景，行車記錄儀就是其中一個例子。

2 超級電容在行車記錄儀上的應用

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，通過點煙器接口給備用電源充電，當切斷點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機流程，包括視頻的保存，二次上電的檢測，主控和外設的關閉等。目前，絕大多數行車記錄儀采用液態鋰離子電池來作為備用電源。其優點在于成本低，電壓穩定，設計成熟。但考慮到行車記錄儀的特殊場景，，比如長期使用，或者夏天停車時車內陽光直射溫度可達90度，這些對液態鋰離子電池的存儲和工作都是極其不利的，有鼓包爆炸的隱患。而采用超級電容，通過合理的電路設計，就不會有這些隱患，非常適合應用在行車記錄儀上。

一般而言，根據行車記錄儀體積小，功耗低的特點，采用兩顆5F/2.7V的超級電容串聯，組成額定電壓5.4v/2.5F的電容來作為備用電源。同時，系統時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時間。

在電路設計方面，采用RC充電方法直接給超級電容充電，原理圖如圖1所示。

圖1 超級電容的電路設計

圖1的C1，C2兩個超級電容是用來關機后的流程提供電源，充電時，根據式(1)。

(1)

為簡化請見，假設電容上的初始電壓為0，則式(1)可變為式(2)。

(2)

由式(2)可知，

當t=RC時，U(t) = 0.63Us；

當t= 2RC時，U(t)= 0.86Us；

當t= 3RC時，U(t)= 0.95Us；

當t= 4RC時，U(t) = 0.98Us；

當t= 5RC時，U(t) = 0.99Us；

可見，經過3～5個RC時間常數后，充電過程基本結束。

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

關機時，超級電容通過電阻向負載放電，只要關機流程合理，就足以滿足關機的需求。同理，系統時間保持的電路如圖2所示。

圖2 系統時間保持電路的設計

其計算方式和圖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到LDO輸出的標稱電壓，實際測試基本都是減掉0.3v左右。例如LDO輸出3.3v，系統時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，則根據式(3)，可以計算出放電的時間。

(3)

則根據式(3)，得

(4)

為簡化計算，將放電的指數曲線看作線性，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計要求。

3 超級電容在車載產品中的設計注意事項

3.1 均壓設計

超級電容器串聯時，單體的電壓應盡量保持均衡，從而保證性能和壽命的一致性，但實際運行中，由于容值，內阻或泄漏電流的差異，分布在單體上的電壓會有不同，導致超級電容的使用壽命降低[5]。因此串聯的電容器需要有電壓平衡的措施。即均壓設計，分為被動均壓和主動均壓，行車記錄儀采用被動均壓，即每個超級電容單體都并聯一個電阻。這是由于其設計簡單，成本低。

超級電容的等效電路為一個純電容串連一個等效電阻，同時并聯一個泄露電阻，如圖3所示。

圖3 超級電容的等效模型

其中，Rs為等效電阻，Rp為泄漏電阻，因為漏電流很小，所以泄漏電阻很大。因此每個超級電容并聯同樣的電阻，且電阻值比泄露電阻小很多，等效電阻值可以看做是并聯的電阻值。這樣串聯后的超級電容為并聯電阻回路供電時，能夠保證每個電阻的壓降一致，因此電阻之間的抽頭接到電容之間，就可以使得每個電容兩端的電壓一致，由此到達了均壓的作用。如圖4所示。

圖4 被動均壓設計

這種設計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用場景。

3.2 其他注意事項

3.2.1 不要顛倒極性使用

盡管超級電容的兩極有對稱的特性，初次使用時，任意電極都可以作為正極或負極。但是其電極使用過程中會出現極性化，如果在一個電極上長期使用后，在反向使用，會影響超級電容的壽命。基本上所有的超級電容都用極性的標識，只需按照其標識來使用即可。

3.2.2 降額使用

在使用超級電容時，要注意其參數上限，由于超級電容的一致性差異，需要降額使用。

3.2.3 貯存

超級電容的貯存應該避免高溫高濕，以及腐蝕性的環境。同時避免碰撞和沖擊。

3.2.4 安裝和焊接

安裝超級電容時，不能強行扭動超級電容，否則會導致引線松動。

焊接時，避免超時間的高溫焊接，否則也會影響超級電容的壽命。

4 總結

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