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超级电容在行车记录仪中的应用

超级电容在行车记录仪中的应用

产品说明:摘要:超级电容充放电速度快,性能稳定,环保安全,目前相关研究都集中在电动车能源方面,但其在行车记录仪之类的车载电子产品的应用也非常适合。

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  • 产品说明

    摘要超级电容充放电速度快性能稳定环保安全目前相关研究都集中在电动车能源方面但其在行车记录仪之类的车载电子产品的应用也非常适合介绍并分析了在行车记录仪应用中的充放电电路设计原理和实例给出了设计中的注意事项如增加均压设计通过分析验证提供了具体解决方法和实际电路同时也给出了实际使用安装贮存时的注意事项可为今后超级电容在车载电子用品的应用提供参考

    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好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

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

    超级电容和目前的蓄电池相比它有如下的优点

    功率密度较高可以达到102104Wkg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

    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

    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

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.7V 的超级电容串联组成额定电压.4v.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.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所示

 超级电容的电路设计

超级电容的电路设计

C1C2两个超级电容是用来关机后的流程提供电源充电时根据式)。

 20181123104707.jpg

为简化请见假设电容上的初始电压为则式可变为式)。

 20181123104714.jpg

由式可知

RC =063

=2RC =086

=3RC =095

=4RC =098

=5RC =099

可见经过RC 时间常数后充电过程基本结束

在图均为15欧姆等效电阻为11欧姆则时间常数为275sRC 约为137s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所示

 系统时间保持电路的设计

系统时间保持电路的设计

其计算方式和图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系统时间保持的好低电压要求是1.5V消耗电流是μ由于的压降极小可以忽略则根据式),可以计算出放电的时间

 

 20181123104737.jpg

则根据式),

 20181123104748.jpg

为简化计算将放电的指数曲线看作线性=1μ=1F=3.0-1.5=1.5V代入式),=1.5×106s接近17因此完全可以满足设计要求

超级电容在车载产品中的设计注意事项

.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所示

 超级电容的等效模型

超级电容的等效模型

其中为等效电阻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所示

 被动均压设计

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

.其他注意事项

..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

..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

..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

..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

.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

 

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