基于STM32的复合便携式车辆应急启动电源的系统设计

深圳供电局有限公司 杨忠亮 林龙福 李晓波 林 海 佘楚云 深圳市今朝时代股份有限公司 吴 杰

电力工程车辆长时间停放将会导致车辆启动蓄电池过放，同时使汽车蓄电池容量下降，出现车辆无法启动的情况，从而造成车辆外出抢险时间延误。电能储能具有多种形式，通常可分为能量型储能和功率型储能两类。以铅酸蓄电池、锂电池、钠硫电池等为代表的能量型储能，具有能量密度大、储能时间长的优点，但其功率密度小、循环寿命短；以超级电容、飞轮储能、超导磁储能等为代表的功率型储能，具有功率密度大、响应速度快、循环周期寿命长、温度适应范围广等优点，但能量密度小、自放电率高。本文将两种不同特性的储能部件通过电力电子设计，相互组合在一起，形成特性互补[1]，有效地解决车辆长时间停放无法启动以及现有相关设计的短板明显的难题，该车辆应急启动电源，同时具备温度特性好，适应温度范围广，使用寿命长，维护简单的优良特性[2-3]。

1 系统总体设计

该系统主要由以下几个部分组成：磷酸铁锂电池组、超级电容模组、微控制器模块（MCU 智能控制电路）、升降压DC-DC 模块和控制继电器[4]，如图1绿色框图部分所示（图注：船型开关S1是整个车辆应急启动电源的总开关，使用的时候打开此开关，不用需要关闭此开关，目的是为了降低储能部件的系统功耗）。

图1 便携式车辆应急启动电源系统总体结构框图

便携式车辆应急启动电源充电回路设计了两种充电方式：磷酸铁锂电池组给超级电容模组充电：打开船型开关S1，STM32F030芯片检测锂电池组无异常，控制开关S2闭合，锂电池组开始工作，输出电压；按下模式选择轻触开关K1，选择锂电池组电源充电模式，STM32F030芯片控制闭合开关S3，同时检测超级电容模组两端电压，控制升降压DC-DC 回路给超级电容模组充电；车载铅酸电池给超级电容模组充电：打开船型开关S1，STM32F030芯片检测锂电池组无异常，控制开关S2闭合，锂电池组开始工作，输出电压；按下模式选择轻触开关K2，选择汽车铅酸电池电源充电模式，STM32F030芯片控制闭合开关S4，同时检测超级电容模组两端电压，控制升降压DC-DC 回路给超级电容模组充电。

便携式车辆应急启动电源放电回路工作原理：超级电容模组充满电后，接入亏电的车载铅酸电池正负极两端，打开汽车点火开关，STM32F030芯片检测到汽车铅酸电池两端电压突然下降，控制S5开关闭合，闭合时间设定为2S，由超级电容模组输出大功率脉冲电流，提供足够的启动功率实现汽车发动机启动。

2 系统硬件、软件设计

为测试验证以上方案的抗大冲击电流能力以及均衡特性，进行以下试验设计。

2.1 供电模块设计电路

降压模块电路。控制系统电源管理来自磷酸铁锂电池组输出的电能，通过电压转换模块降低为12V 后作为继电器驱动电路的工作电源；进一步通过线性稳压电源3V3-LDO 转换出电压值为3.3V 的电能作为STM32F030型微控制器的工作电源（图2）。

图2 降压模块电路图

升压模块电路。当磷酸铁锂电池组的电压过低，不足以让降压模块正常输出12V 时，控制系统就无法正常工作。因此设计一组升压模块电路，通过连接汽车铅酸电池输出端与降压模块电路输入端，充分利用汽车铅酸电池剩余的电能（此时的电压已经不能启动汽车）为控制系统提供电源：按下开关K6，蓄电池电能经电压转换模块升压为12V 后，并入降压模块电路，为控制系统提供电压为12V 的工作电源（图3），控制系统可正常工作。

图3 升压模块电路图

2.2 超级电容模组充电电路

2.2.1 升降压DC-DC 模块电路

DC-DC 模块电路的输入电压V+_IN 可来自于磷酸铁锂电池组的输出端B+，或者是来自于汽车铅酸电池的输出端V+_OUTPUT，由用户通过按钮开关K1或者按钮开关K2来选择输入模式。DC-DC模块电路的输出电压UC_VALTAGE 直接给超级电容模组充电，如图4所示。由于超级电容模组初始电压值为0V，DC-DC 模块降压给超级电容模组充电，同时MCU 监测超级电容模组两端的电压，当超级电容模组的电压达到输入电压时，DC-DC 模块升压给超级电容模组充电到预先设定的电压值，直到MCU 检测到超级电容模组两端的电压达到预先设定的电压值30V 时（图5），自动停止充电。图5中上面3个分别是对超级电容电压、车载铅酸电池电压和锂电池电压检测电路；下面3个分别对应的是超级电容、车载铅酸电池和锂电池对应的继电器控制电路,判断到对应的K1/K2按钮开关时，闭合对应的继电器。

图4 升降压DC-DC 模块电路图

图5 电压监测和继电器控制电路图

2.2.2 磷酸铁锂电池组给超级电容模组充电电路

当用户按下按钮开关K1（如图6所示），MCU接收到信号：即磷酸铁锂电池组B+端给超级电容模组UC_VALTAGE 端充电（如图4所示），MCU控制对应的继电器开关S3闭合，磷酸铁锂电池组给超级电容模组充电。U1的引脚6控制MOS 管Q5的开关，来调节输出电压的大小；当充电电流过大时，即U1的引脚3两端的电压大于阈值电压后，U1的引脚6控制MOS 管Q5的关断，减小充电电流；U1的引脚3两端的电压小于阈值电压后，U1的引脚6控制MOS 管Q5打开，正常充电。

U1的引脚2是反馈电压引脚，检测输出电压是否过高，通过控制引脚6控制MOS 管Q5的开关来调节输出电压的大小；当检测到充电电压过高时，U1的引脚2两端的电压大于阈值电压后，U1的引脚6控制MOS 管Q5的关断，减小充电电压；当U1的引脚2两端的电压小于阈值电压后，U1的引脚6控制MOS 管Q5打开，正常充电。

2.2.3 车载铅酸电池给超级电容模组充电电路

用户按下按钮开关K2（如图6所示），MCU 接收到信号：即汽车铅酸电池V+_OUTPUT 端给超级电容模组UC_VALTAGE 端充电。如图4所示。U1的引脚6控制MOS 管Q5的开关，来调节输出电压的大小；当充电电流过大时，即U1的引脚3两端的电压大于阈值电压后，U1的引脚6控制MOS 管Q5的关断，减小充电电流；U1的引脚3两端的电压小于阈值电压后，U1的引脚6控制MOS 管Q5打开，正常充电。

图6 MCU 智能控制电路图

U1的引脚2是反馈电压引脚，检测输出电压是否过高，通过控制引脚6控制MOS 管Q5的开关来调节输出电压的大小；当检测到充电电压过高时，U1的引脚2两端的电压大于阈值电压后，U1的引脚6控制MOS 管Q5的关断，减小充电电压；当U1的引脚2两端的电压小于阈值电压后，U1的引脚6控制MOS 管Q5打开，正常充电。

2.3 MCU 智能控制电路

本系统中的MCU 智能控制电路采用基于ARM 内核的STM32F030芯片。按键开关K1、K2可控制磷酸铁锂电池组作为超级电容模组充电电源和汽车铅酸电池作为超级电容模组充电电源两种充电模式的切换，对应的MCU 控制引脚42和引脚25接收按键开关信号；引脚44、引脚23和引脚3分别控制继电器S3、S4和S5的开和关；引脚16、引脚17和引脚18分别检测磷酸铁锂电池组两端的电压、超级电容模组两端的电压和汽车铅酸电池两端的电压；引脚19、引脚20、引脚21和引脚22则对应的是磷酸铁锂电池组的剩余电量；引脚36到引脚42则对应的是超级电容模组的剩余电量。

2.4 超级电容模组启动控制电路

把超级电容模组输出正负极接在汽车铅酸电池正负极两端，汽车点火，MCU 检测到汽车铅酸电池两端的电压突然下降，引脚3输出高电平，控制继电器S5闭合，超级电容模组给汽车点火，完成汽车启动。

2.5 智能系统软件设计

软件部分主要是对 STM32F030芯片的程序控制，采用C 语言设计，具体模块包括配置 ARM 芯片、配置GPIO 口电压采集和监测、继电器控制、超级电容模组升降压充电电路控制、汽车点火控制等（图7）。

图7 MCU 控制汽车点火流程图

3 结语

本文通过基于STM32F030芯片的DC-DC 升降压电压控制电路、继电器控制电路、电压监测电路等电路，智能控制磷酸铁锂电池组和车载铅酸电池对超级电容模组自动完成升降压充放电全过程，实现了超级电容模组快速应急点火启动系统。本文的便携式车辆应急启动电源结合锂电池的高能量密度和超级电容模组高功率密度的优点，通过电力电子设计形成特性互补，可以在低温等各种复杂环境下稳定提供瞬间大功率脉冲电流放电，最高可达1200A，同时具备循环寿命长，充电一次可以多次给汽车应急点火启动，已在多辆汽车上进行了测试验证。

最后针对公司内部电力工程车辆进行仿真和实践，证明了基于STM32的复合便携式车辆应急启动电源系统设计具备低温性能优越、能量密度大、寿命长、输出功率大、智能过程控制、维护简单的功能特点，在处理各类复杂环境下电力工程车辆应急启动具有安全性、实用性。