基于STM32的復(fù)合便攜式車輛應(yīng)急啟動(dòng)電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)代股份有限公司 吳 杰

電力工程車輛長(zhǎng)時(shí)間停放將會(huì)導(dǎo)致車輛啟動(dòng)蓄電池過放，同時(shí)使汽車蓄電池容量下降，出現(xiàn)車輛無法啟動(dòng)的情況，從而造成車輛外出搶險(xiǎn)時(shí)間延誤。電能儲(chǔ)能具有多種形式，通?？煞譃槟芰啃蛢?chǔ)能和功率型儲(chǔ)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(chǔ)能，具有能量密度大、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但其功率密度小、循環(huán)壽命短；以超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等為代表的功率型儲(chǔ)能，具有功率密度大、響應(yīng)速度快、循環(huán)周期壽命長(zhǎng)、溫度適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但能量密度小、自放電率高。本文將兩種不同特性的儲(chǔ)能部件通過電力電子設(shè)計(jì)，相互組合在一起，形成特性互補(bǔ)[1]，有效地解決車輛長(zhǎng)時(shí)間停放無法啟動(dòng)以及現(xiàn)有相關(guān)設(shè)計(jì)的短板明顯的難題，該車輛應(yīng)急啟動(dòng)電源，同時(shí)具備溫度特性好，適應(yīng)溫度范圍廣，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)良特性[2-3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：磷酸鐵鋰電池組、超級(jí)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(guān)S1是整個(gè)車輛應(yīng)急啟動(dòng)電源的總開關(guān)，使用的時(shí)候打開此開關(guān)，不用需要關(guān)閉此開關(guān)，目的是為了降低儲(chǔ)能部件的系統(tǒng)功耗）。

圖1 便攜式車輛應(yīng)急啟動(dòng)電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

便攜式車輛應(yīng)急啟動(dòng)電源充電回路設(shè)計(jì)了兩種充電方式：磷酸鐵鋰電池組給超級(jí)電容模組充電：打開船型開關(guān)S1，STM32F030芯片檢測(cè)鋰電池組無異常，控制開關(guān)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(guān)K1，選擇鋰電池組電源充電模式，STM32F030芯片控制閉合開關(guān)S3，同時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容模組兩端電壓，控制升降壓DC-DC 回路給超級(jí)電容模組充電；車載鉛酸電池給超級(jí)電容模組充電：打開船型開關(guān)S1，STM32F030芯片檢測(cè)鋰電池組無異常，控制開關(guān)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(guān)K2，選擇汽車鉛酸電池電源充電模式，STM32F030芯片控制閉合開關(guān)S4，同時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容模組兩端電壓，控制升降壓DC-DC 回路給超級(jí)電容模組充電。

便攜式車輛應(yīng)急啟動(dòng)電源放電回路工作原理：超級(jí)電容模組充滿電后，接入虧電的車載鉛酸電池正負(fù)極兩端，打開汽車點(diǎn)火開關(guān)，STM32F030芯片檢測(cè)到汽車鉛酸電池兩端電壓突然下降，控制S5開關(guān)閉合，閉合時(shí)間設(shè)定為2S，由超級(jí)電容模組輸出大功率脈沖電流，提供足夠的啟動(dòng)功率實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)

為測(cè)試驗(yàn)證以上方案的抗大沖擊電流能力以及均衡特性，進(jìn)行以下試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.1 供電模塊設(shè)計(jì)電路

降壓模塊電路?？刂葡到y(tǒng)電源管理來自磷酸鐵鋰電池組輸出的電能，通過電壓轉(zhuǎn)換模塊降低為12V 后作為繼電器驅(qū)動(dòng)電路的工作電源；進(jìn)一步通過線性穩(wěn)壓電源3V3-LDO 轉(zhuǎn)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(dāng)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(shí)，控制系統(tǒng)就無法正常工作。因此設(shè)計(jì)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(shí)的電壓已經(jīng)不能啟動(dòng)汽車）為控制系統(tǒng)提供電源：按下開關(guān)K6，蓄電池電能經(jīng)電壓轉(zhuǎn)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(jí)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(guān)K1或者按鈕開關(guān)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(jí)電容模組充電，如圖4所示。由于超級(jí)電容模組初始電壓值為0V，DC-DC 模塊降壓給超級(jí)電容模組充電，同時(shí)MCU 監(jiān)測(cè)超級(jí)電容模組兩端的電壓，當(dāng)超級(jí)電容模組的電壓達(dá)到輸入電壓時(shí)，DC-DC 模塊升壓給超級(jí)電容模組充電到預(yù)先設(shè)定的電壓值，直到MCU 檢測(cè)到超級(jí)電容模組兩端的電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電壓值30V 時(shí)（圖5），自動(dòng)停止充電。圖5中上面3個(gè)分別是對(duì)超級(jí)電容電壓、車載鉛酸電池電壓和鋰電池電壓檢測(cè)電路；下面3個(gè)分別對(duì)應(yīng)的是超級(jí)電容、車載鉛酸電池和鋰電池對(duì)應(yīng)的繼電器控制電路,判斷到對(duì)應(yīng)的K1/K2按鈕開關(guān)時(shí)，閉合對(duì)應(yīng)的繼電器。

圖4 升降壓DC-DC 模塊電路圖

圖5 電壓監(jiān)測(cè)和繼電器控制電路圖

2.2.2 磷酸鐵鋰電池組給超級(jí)電容模組充電電路

當(dāng)用戶按下按鈕開關(guān)K1（如圖6所示），MCU接收到信號(hào)：即磷酸鐵鋰電池組B+端給超級(jí)電容模組UC_VALTAGE 端充電（如圖4所示），MCU控制對(duì)應(yīng)的繼電器開關(guān)S3閉合，磷酸鐵鋰電池組給超級(jí)電容模組充電。U1的引腳6控制MOS 管Q5的開關(guān)，來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小；當(dāng)充電電流過大時(shí)，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(guān)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(cè)輸出電壓是否過高，通過控制引腳6控制MOS 管Q5的開關(guān)來調(diào)節(jié)輸出電壓的大?。划?dāng)檢測(cè)到充電電壓過高時(shí)，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(guān)斷，減小充電電壓；當(dāng)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(jí)電容模組充電電路

用戶按下按鈕開關(guān)K2（如圖6所示），MCU 接收到信號(hào)：即汽車鉛酸電池V+_OUTPUT 端給超級(jí)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(guān)，來調(diào)節(jié)輸出電壓的大??；當(dāng)充電電流過大時(shí)，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(guān)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(cè)輸出電壓是否過高，通過控制引腳6控制MOS 管Q5的開關(guān)來調(diào)節(jié)輸出電壓的大??；當(dāng)檢測(cè)到充電電壓過高時(shí)，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(guān)斷，減小充電電壓；當(dāng)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(guān)K1、K2可控制磷酸鐵鋰電池組作為超級(jí)電容模組充電電源和汽車鉛酸電池作為超級(jí)電容模組充電電源兩種充電模式的切換，對(duì)應(yīng)的MCU 控制引腳42和引腳25接收按鍵開關(guān)信號(hào)；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(guān)；引腳16、引腳17和引腳18分別檢測(cè)磷酸鐵鋰電池組兩端的電壓、超級(jí)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(duì)應(yīng)的是磷酸鐵鋰電池組的剩余電量；引腳36到引腳42則對(duì)應(yīng)的是超級(jí)電容模組的剩余電量。

2.4 超級(jí)電容模組啟動(dòng)控制電路

把超級(jí)電容模組輸出正負(fù)極接在汽車鉛酸電池正負(fù)極兩端，汽車點(diǎn)火，MCU 檢測(cè)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(jí)電容模組給汽車點(diǎn)火，完成汽車啟動(dòng)。

2.5 智能系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

圖7 MCU 控制汽車點(diǎn)火流程圖

3 結(jié)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(cè)電路等電路，智能控制磷酸鐵鋰電池組和車載鉛酸電池對(duì)超級(jí)電容模組自動(dòng)完成升降壓充放電全過程，實(shí)現(xiàn)了超級(jí)電容模組快速應(yīng)急點(diǎn)火啟動(dòng)系統(tǒng)。本文的便攜式車輛應(yīng)急啟動(dòng)電源結(jié)合鋰電池的高能量密度和超級(jí)電容模組高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，通過電力電子設(shè)計(jì)形成特性互補(bǔ)，可以在低溫等各種復(fù)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(dá)1200A，同時(shí)具備循環(huán)壽命長(zhǎng)，充電一次可以多次給汽車應(yīng)急點(diǎn)火啟動(dòng)，已在多輛汽車上進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

最后針對(duì)公司內(nèi)部電力工程車輛進(jìn)行仿真和實(shí)踐，證明了基于STM32的復(fù)合便攜式車輛應(yīng)急啟動(dòng)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備低溫性能優(yōu)越、能量密度大、壽命長(zhǎng)、輸出功率大、智能過程控制、維護(hù)簡(jiǎn)單的功能特點(diǎn)，在處理各類復(fù)雜環(huán)境下電力工程車輛應(yīng)急啟動(dòng)具有安全性、實(shí)用性。