基于STM32F334R6的超級電容控制器

馮琢成 廖明清 廖明理

摘要：RoboMaster大賽是全國大學生范圍內最大規模的機器人擂臺賽事，機器人分為多個種類，有步兵機器人，英雄機器人，工程機器人和空中機器人，其中，步兵機器人和英雄機器人的底盤輸入功率被規則限制，底盤額定功率800W，限制功率80W，造成步兵機器人和英雄機器人機動力較低，本文旨在研究如何通過在底盤驅動系統上加入超級電容以及超級電容控制器，從而將機器人底盤功率有余的時候把電能儲存到超級電容內，待要使用時，通過控制器將電容內電能釋放出來，使底盤系統在不使用或少量使用電池限制功率的情況下進行超功率加速，從而達到在必要時刻為機器人加速，實現一些機動戰術。

關鍵詞：超級電容；機器人；超功率

前言

在能源技術快速發展的當下，各種新能源技術乘此不窮，超級電容作為一種新型能源存儲單元被廣泛使用，超級電容擁有能量密度高，放電能力強等優點，缺點是單個容量較小，需要多個電容并聯來增加容量。目前，超級電容主要應用在大型后備能源使用，其控制器體積巨大，相對的，也能給目標提供較長時間的后備能源供應。在機器人應用領域，部分設計使用了超級電容用以提供機器人主電源，都利用了超級電容功率密度較高的優點，但放電能力優秀這一點未能被很好的利用，以下設計將超級電容的能量密度和放電能力優秀應用在了RoboMaster大賽步兵機器人技術當中。

RoboMaster大賽中，步兵機器人的底盤功率被嚴格限制，其額定功率為840W，但由規則限定最高輸出功率為80W，故導致步兵機器人的速度、驅動力、機動以及爬坡能力較差，若能提高步兵機動力，將實現步兵奇襲對方基地的經典戰術，但如何提高功率輸出并且不會超出電池功率輸出限制變成了一個難題。

方案

超級電容擁有優秀的充放電能力和較高的能量密度，若能在步兵機器人功率有余的時候，用剩余功率為電容充電，在需要提升速度時，將電容接入底盤供電分流，就能夠提供高于限制功率的電流，由此提出兩個方案。

①：電容利用剩余功率充電，充滿電之后待命，接收到放電命令時用并聯的方式接入底盤，然后斷開電池供電，完全由電容供電，這個方案的好處時，能夠讓機器人瞬間達到額定功率，提速效果非常好，缺點時，加速時間很短，且一場比賽只能夠使用一次。

②：電容利用剩余功率充電，充滿電之后待命，接收到放電命令時用串聯的方式接入DC-DC降壓電源，用提升電壓的方式提升功率，由于電容和電池是串聯關系，故總輸出功率=電池輸出功率*2，是原功率的兩倍，之后利用高效的Buck拓撲電路將高壓電降低到底盤能接受的電壓，但電流可達到原來的兩倍，達到加速的效果。該方案優點在于加速時間持久，充電時間很快，缺點是，加速效果只能達到原來的一半，效果并不非常明顯。

①方案可以用在需要瞬時高速的時刻，②方案可用在長途奔襲的時刻，兩種方案各有優點，因此決定將按現在狀況使用某一種加速方案，而電路結構需要支持以上兩種狀態

用戶可通過CAN總線與超級電容控制器通信，可發出充電、串聯放電、并聯放電、待命等狀態命令，主控MCU是STM32F334R6，是意法半導體公司專為數控電源研發的32位高精度控制器，可產生高精度的PWM（脈寬調制）信號用以控制電容，電容管理部分采用了一顆德州儀器公司的BQ76PL455A電池管理芯片以監視電容組的狀態，該芯片最多可監視16節電容的狀況，監視的狀況包括等效串聯電阻、電壓、電流、溫度、健康狀態等數據，通過PM-BUS與主控芯片通信。

充電時，控制相應的場效應管或繼電器，實現電池經過升壓后給電容充電。

放電時，視所需功率，控制相應的場效應管或繼電器，將電池與電容組串聯并經過降壓給底盤供電，可實現兩倍功率長時間運行。或者將電池組斷開，單獨用電容組給底盤供電，可實現底盤的滿功率短時間運行。

待命時，關斷所有場效管以維持電容容量。

電流采集部分通過檢測一個0.064Ω的大功率采樣電阻上的壓降來計算總線上的電流，電壓采集通過電阻分流以及ADC轉換實現，進而達到功率限制的作用。

結論：

該控制器能夠完好實現預計功能，能夠測出并計算底盤所使用的功率和剩余功率，并通過限流控制，限制電容組的充電功率以滿足電池輸出功率任何時刻都不會超出限制功率，充滿電能夠通過CAN總線通信告知用戶已經充滿，能夠隨時監視電容的狀況并進行電壓平衡。當“使用方案1放電”的命令從CAN總線傳入時，能夠立刻轉換電路狀態，用電容組進行供電，且功率提升現象明顯，當“使用方案2放電”的命令從CAN總線傳入時，能夠立刻切換電路狀態，進行串聯供電，將功率提升為原來的2倍，通過高效的DC電源降壓之后，電壓依舊和電池電壓一樣，但電流達到了原來的兩倍，能將速度提高一倍左右，且提速時間較長。

討論：

通過不同的電路組合，實現了超級電容組在不同狀態下的運行，比如使用串聯接入電路時能夠較長時間提高機器人的機動力，使用并聯接入底盤系統時，可以在短時間內將機器人機動力提高到巔峰，兩種方案可以對應賽場上不同情況下需要提高機動力的情況，例如采用麻雀戰術長途奔襲敵方基地，敵方回防時立即高速撤離。又比如我方遭遇敵方包圍時，將機器人機動力達到峰值使其能夠利用機動優勢突出重圍保護我方等，兩種方案同時利用將為我們應付不同情況下使用不同戰術方案提供更多選擇，并且電路結構簡單，穩定。

參考文獻

[1]袁金壘 超級電容恒功率充放電控制系統研究【D】 大連 大連理工大學

[2]bq76PL455A-Q1 16 節 EV/HEV 集成電池監測器和保護器，Texas Instruments http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/bq76pl455a-q1.pdf

[3]STM32F334x6 Datasheet（PDF）– STMicroelectronics http：//pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/881448/STMICROELECTRONICS/STM32F334x6.html

（作者單位：成都工業學院）