整車低電壓電容放電優(yōu)化研究

李書劍

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

引言

由于電容具有高效的能量存儲、極寬的電壓范圍、超長的使用壽命、安全的使用方式、良好的環(huán)境適應(yīng)性、易于檢測等特性[1]，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用，目前主要應(yīng)用范圍包括制動能量回收、短時后備電源、Start-Stop啟停系統(tǒng)等。

但電容為帶電壓零件，零件來料電壓為0V，所以無安全隱患。但是一旦車輛啟動后，電容就開始充電并帶有電壓。在遇到返工或者更換零件時，需要8～12個小時的靜置車放電，先將電容中電壓消耗完才可更換。操作時間較長，若在此過程中強(qiáng)行更換還會有安全隱患。

本文通過分析電容在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀及工作原理，并針對電容在更換時放電較長的情況，提出放電優(yōu)化方案，并根據(jù)方案制作了一種簡易的整車低電壓電容放電設(shè)備，用于整車低電壓電容的放電，縮短放電時間，便于電容拆卸。

1 電容在汽車上的應(yīng)用

汽車在行駛過程中有一部分能量因熱量散發(fā)和制動力消耗掉，特別是在城市中行駛，經(jīng)常遇到交通信號的提示，這樣不僅造成能源浪費，而且增加環(huán)境污染。如何把制動所消耗的能量回收到電池中是一個能量管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵。隨著科技的進(jìn)步，近年來出現(xiàn)了一種新的元器件——超級電容。這種新型的電子器件比蓄電池高10倍以上的功率密度和100倍以上的充放電速率[2]。但這種超級電容一般為低電壓電容，主要考慮到與蓄電池的連接，在汽車上的應(yīng)用主要有以下幾個方面。

1.1 在汽車起動時的應(yīng)用

現(xiàn)在的電動汽車大多采用電機(jī)啟動方式，在啟動的瞬間，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為0，會產(chǎn)生強(qiáng)大的啟動電流，對電動汽車的蓄電池造成嚴(yán)重地?fù)p害。而電容器在電動汽車啟動時，可以向發(fā)動機(jī)提供強(qiáng)大的電流支持以帶動其運轉(zhuǎn)，在蓄電池克服其內(nèi)阻開始放電時，發(fā)動機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)動，啟動負(fù)載變得很小。因此應(yīng)用電容器后不僅可以提升電機(jī)啟動速度，還能改善電動汽車的性能和蓄電池的應(yīng)用狀態(tài)[3]。

1.2 在汽車制動時的應(yīng)用

汽車在行駛過程中，制動所消耗的能量占總驅(qū)動能50%左右，若能有效地回收制動能源，會使電動汽車的行駛距離延長，因此有效地回收制動能量在能量回收中占有突出的地位。處理制動時產(chǎn)生的能量主要有2種方式：1）通過容量大、充放電快的儲能元件來儲存能量；2）高速的數(shù)字信號處理芯片來實現(xiàn)回饋，使能量回饋到電網(wǎng)。由于電容器具有優(yōu)良的脈沖充放電性能和大容量儲能性能，非常適用于制動過程中能量回收[4]。

1.3 作為汽車輔助電源

將超級電容器作為電動汽車的輔助電源，可以有效延長電池的使用壽命。目前超級電容器作為輔助電源的應(yīng)用主要有3 類：1）替代高功率電池應(yīng)用在混合電動汽車上；2）作為燃料電池電動車的輔助動力電源；3）與高能量電池組成混合電源應(yīng)用于純電動汽車。

另外，超級電容器的使用還能提升電動汽車轉(zhuǎn)向、空調(diào)、音響及座椅加熱等電氣系統(tǒng)的性能[4]。

2 整車低壓電容的工作原理

如圖1，一般情況下，電容通過電容控制模塊進(jìn)行控制，而電容模塊直接連接蓄電池的正負(fù)極并接地。

圖1 電容基本原理圖

雖然電容在汽車應(yīng)用中有著明顯的優(yōu)勢，但依然存在一些待改進(jìn)的地方。例如，與蓄電池相比能量密度低，電容如果損壞，需要更換，放電時間較長，一般需要8-12個小時的靜置車放電，先將電容中電壓消耗完才可更換。在快節(jié)奏的今天，誰能把握時間，就能掌控產(chǎn)品。所以需要對放電時間進(jìn)行優(yōu)化，降低到人們可以接受的范圍。

3 整車低壓電容放電時間優(yōu)化研究

針對電容放電時間長的情況，進(jìn)行優(yōu)化研究。由于電容在車輛啟動后進(jìn)行了充電，并帶有電壓，這時可以認(rèn)為電容為一個小的蓄電池，如果想加快放電時間，就需要尋找消耗電壓元件。

我們知道最簡單的電路如下圖2，包括電源、電阻、開關(guān)。

圖2 簡單示意電路

如圖2所示，電阻有消耗電壓的特點，并且并聯(lián)電阻有分流作用，串聯(lián)電阻有分壓作用，根據(jù)此特點，制定電容放電時間優(yōu)化方案如下圖3，基本方案如下：

圖3 放電設(shè)備原理圖

該設(shè)備由多個并聯(lián)電阻組成，用以加快電容模塊電流的釋放速度，利用歐姆表可以檢測電容兩端電壓，通過顯示屏方便讀取電容模塊剩余電壓值，另外有兩個電源夾分別連接需要放電電容的正負(fù)極。

4 簡易放電設(shè)備制作

根據(jù)圖3放電設(shè)備的原理圖，制作簡易放電設(shè)備，這種設(shè)備的特點是體積小，操作簡單，如圖4。

圖4 簡易放電設(shè)備

圖4 表示出了放電設(shè)備的外觀構(gòu)造，從圖4，并結(jié)合示意圖5詳細(xì)分析該設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成以及應(yīng)用方式。從圖中可以看出放電設(shè)備主要包括了1-放電設(shè)備主體盒和2-兩根電纜三個大件，更為細(xì)化的分析可以看出簡易設(shè)備還包括一些必需的附件：1-放電設(shè)備主體盒包含了11-電壓表顯示屏，12-設(shè)備操作開關(guān)，13-外接檢測儀接入端口；2-兩根電纜分別為21-正極電纜，22-負(fù)極電纜，正負(fù)極，且需用顏色進(jìn)行區(qū)分電纜，防止誤連接（本實例采用正極：紅色，負(fù)極：黑色）。

圖5 放電設(shè)備實例立體圖

參考圖6，表示了1-放電設(shè)備主主體盒內(nèi)部的局部構(gòu)造（電路走向、連接等部分不含在該圖中），主要包含了并聯(lián)電阻組，該實例針對5V電容進(jìn)行放電，采用四個1Ω/50W的電阻（需要加快放電速度，可以增加并聯(lián)電阻數(shù)或者增加阻抗），如果對其他電壓的電容進(jìn)行放電，可以由公式U2/R，計算電阻所能承受的最小功率，進(jìn)而選擇合適的電阻。此外，應(yīng)當(dāng)意識到，雖然在圖3中使用的4個電阻均具有同樣的額定阻抗值和額定功率值，但是，圖3只是為了方便說明上述計算過程而舉出的一個示例，根據(jù)實際情況，所選用的電阻可以具有不同的額定阻抗值和額定功率值。

圖6 放電設(shè)備內(nèi)部局部圖

簡易放電設(shè)備的操作規(guī)范：

更換電容前，需要確認(rèn)：（1）整車電瓶斷電；（2）放電設(shè)備控制開關(guān)12處于“OFF”檔。

確認(rèn)無誤后，放電設(shè)備紅色電源夾21連接圖4電容控制 模塊DLC（+）端（Dual Layer Capacitor：雙電層電容）或電容的正極（+）端，放電設(shè)備黑色電源夾22連接超級電容負(fù)極（-）端或者直接接地。此外，需要說明的是，可以根據(jù)低電壓電容在車型的布局，進(jìn)而根據(jù)連接電容控制模塊的難度和連接整車電容的難度來選擇是將整車電容放電設(shè)備的正極（紅色）電源夾21與電容控制模塊DLC（+）端連接還是與整車電容的正極（+）端連接。

撥動放電設(shè)備開關(guān)12到on檔，放電10min左右，觀察放電設(shè)備上電壓表11上讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)低于0.5V時，表示電容完成放電。放電完成后，即可拆除電容，但需注意，先拆負(fù)極，再拆正極。

安裝全新的電容，完成更換。

在操作設(shè)備時需注意，如果電壓表損壞，可以通過放電設(shè)備上外接檢測儀接入端口13接入良好的電壓表對電容兩端電壓進(jìn)行檢測。

5 結(jié)論

本文主要分析了低電壓電容在電動汽車以及汽車新增功能模塊上的應(yīng)用，并針對低電壓電容放電速度，從而影響電容更換速度的情況進(jìn)行了優(yōu)化分析，并根據(jù)分析結(jié)果制作了簡易放電設(shè)備，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，攜帶、維修都很方便，并且將電容放電時間由8～12小時縮短到10分鐘左右，從而縮短電容更換時間，提高客戶滿意度，這在電容在汽車上的推廣使用有著重要的意義。