超级电容在行车记录仪中的应用

杨沛

(亮锐(上海)管理有限公司， 上海 200072)

近年来，随着汽车的普及，车载类的电子产品的种类和数量都极具增长。这些产品中，很多都配有两种供电方式，一种来自汽车本身，通过车辆标配的点烟器接口供电。另一种来自备用电源，在点烟器的电源关闭后，备用电源来维持设备工作。目前，大部分的车载电子产品都采用液态锂离子电池作为备用电源。

超级电容作为一种新型的储能器件，得到了电子技术领域的研究人员的广泛关注。目前的主要研究和应用都在电动车的能源上，或者与蓄电池组成复合电源系统，或者直接独立作为电源来解决电动车的动力问题。实际上，在车载电子产品中，超级电容的应用前景也十分广阔。本文将着重介绍超级电容在行车记录仪上的应用。

1 超级电容工作参数和原理和特点

超级电容是介于电池和传统电容之间的一种新型储能原件[1]。超级电容有两个电极，当外加电场后，电子立即聚集在电场的负极，同时吸引了超级电容电极之间的电解液中的正离子。在电场的正极上，电极的正电荷吸引了电解液中的负离子，这种正负离子的迁移，使充电后的超级电容等效为两个双电荷层，构成了双层电容。这也就是超级电容又称之为双电层电容器的原因。超级电容的电极采用活性炭多孔电极，电极表面积很大，可以吸附大量的离子，因此超级电容的容量可以做的比较大，从几法到数万法[2]。放电时，电极上的电子通过外部负载在外部电路形成电流，离子被释放到电解液中。因此，超级电容的充放电过程是物理反应，并没有化学反应，这种充放电的稳定特性可以使得超级电容的充放电次数较化学反应的蓄电池多，可达104次以上[3]。

超级电容和目前的蓄电池相比，它有如下的优点[4]，

1) 功率密度较高，可以达到102～104W/kg,这是由于超级电容的内阻比较小，离子可以很快的聚集和释放，远远高于蓄电池的功率水平，这就使得超级电容的充放电速度比较快，对行车记录仪的应用极其适合。

2) 性能稳定，循环寿命长，由于超级电容的充放电是物理过程，不涉及化学过程，因此损耗极小。保证性能稳定和较长的使用寿命。

3) 绿色环保，安全。和电池不同，超级电容不使用重金属和其他有害物质。只要选型设计合理，在使用过程中，不存在高温高压环境下鼓包爆炸的风险，非常适合车载产品的应用场景。

当然，超级电容也存在放电时间短，放电过程中电压变化较大的缺点，因此某些特定场合还需要配合蓄电池使用。

总之，超级电容的优点非常适合车载产品的应用场景，行车记录仪就是其中一个例子。

2 超级电容在行车记录仪上的应用

行车记录仪使用过程中需要有备用电源，在车辆行驶过程中，通过点烟器接口给备用电源充电，当切断点烟器口电源或者停车后，行车记录仪需要备用电源提供足够的电量来完成关机流程，包括视频的保存，二次上电的检测，主控和外设的关闭等。目前，绝大多数行车记录仪采用液态锂离子电池来作为备用电源。其优点在于成本低，电压稳定，设计成熟。但考虑到行车记录仪的特殊场景，，比如长期使用，或者夏天停车时车内阳光直射温度可达90度，这些对液态锂离子电池的存储和工作都是极其不利的，有鼓包爆炸的隐患。而采用超级电容，通过合理的电路设计，就不会有这些隐患，非常适合应用在行车记录仪上。

一般而言，根据行车记录仪体积小，功耗低的特点，采用两颗5F/2.7V的超级电容串联，组成额定电压5.4v/2.5F的电容来作为备用电源。同时，系统时间保持电路也可以使用一颗1F/2.7V的电容，可以保持较长的系统时间。

在电路设计方面，采用RC充电方法直接给超级电容充电，原理图如图1所示。

图1 超级电容的电路设计

图1的C1，C2两个超级电容是用来关机后的流程提供电源，充电时，根据式(1)。

(1)

为简化请见，假设电容上的初始电压为0，则式(1)可变为式(2)。

(2)

由式(2)可知，

当t=RC时，U(t) = 0.63Us；

当t= 2RC时，U(t)= 0.86Us；

当t= 3RC时，U(t)= 0.95Us；

当t= 4RC时，U(t) = 0.98Us；

当t= 5RC时，U(t) = 0.99Us；

可见，经过3～5个RC时间常数后，充电过程基本结束。

在图1中，R1，R2均为15欧姆，等效电阻为11欧姆，则时间常数为27.5 s，5个RC约为137 s，即约两分钟就可以充满。

关机时，超级电容通过电阻向负载放电，只要关机流程合理，就足以满足关机的需求。同理，系统时间保持的电路如图2所示。

图2 系统时间保持电路的设计

其计算方式和图1相同，需要注意的是，由于加了肖特基二极管，充满电的电压无法达到LDO输出的标称电压，实际测试基本都是减掉0.3v左右。例如LDO输出3.3v，系统时间保持的最低电压要求是1.5V，消耗电流是1μA，由于R1的压降极小，可以忽略，则根据式(3)，可以计算出放电的时间。

(3)

则根据式(3)，得

(4)

为简化计算，将放电的指数曲线看作线性，则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，因此完全可以满足设计要求。

3 超级电容在车载产品中的设计注意事项

3.1 均压设计

超级电容器串联时，单体的电压应尽量保持均衡，从而保证性能和寿命的一致性，但实际运行中，由于容值，内阻或泄漏电流的差异，分布在单体上的电压会有不同，导致超级电容的使用寿命降低[5]。因此串联的电容器需要有电压平衡的措施。即均压设计，分为被动均压和主动均压，行车记录仪采用被动均压，即每个超级电容单体都并联一个电阻。这是由于其设计简单，成本低。

超级电容的等效电路为一个纯电容串连一个等效电阻，同时并联一个泄露电阻，如图3所示。

图3 超级电容的等效模型

其中，Rs为等效电阻，Rp为泄漏电阻，因为漏电流很小，所以泄漏电阻很大。因此每个超级电容并联同样的电阻，且电阻值比泄露电阻小很多，等效电阻值可以看做是并联的电阻值。这样串联后的超级电容为并联电阻回路供电时，能够保证每个电阻的压降一致，因此电阻之间的抽头接到电容之间，就可以使得每个电容两端的电压一致，由此到达了均压的作用。如图4所示。

图4 被动均压设计

这种设计使得直流功耗一直存在。但是综合考虑，仍然非常适合行车记录仪的应用场景。

3.2 其他注意事项

3.2.1 不要颠倒极性使用

尽管超级电容的两极有对称的特性，初次使用时，任意电极都可以作为正极或负极。但是其电极使用过程中会出现极性化，如果在一个电极上长期使用后，在反向使用，会影响超级电容的寿命。基本上所有的超级电容都用极性的标识，只需按照其标识来使用即可。

3.2.2 降额使用

在使用超级电容时，要注意其参数上限，由于超级电容的一致性差异，需要降额使用。

3.2.3 贮存

超级电容的贮存应该避免高温高湿，以及腐蚀性的环境。同时避免碰撞和冲击。

3.2.4 安装和焊接

安装超级电容时，不能强行扭动超级电容，否则会导致引线松动。

焊接时，避免超时间的高温焊接，否则也会影响超级电容的寿命。

4 总结

超级电容的优势使得其可以作为备用电源很好的应用在行车记录仪之类的车载电子产品中。在电路设计中，可以采用简单实用的RC充放电电路设计，合理选择超级电容的工作环境温度范围和耐压值，尽量避免长期在高温高压的环境中使用。如果超级电容的一致性不满足需要，可以采用低成本的被动均压设计来改善。这些设计和经验可以为今后超级电容在车载电子产品的应用中提供参考和方向。