基于STM32F334R6的超级电容控制器

冯琢成 廖明清 廖明理

摘要：RoboMaster大赛是全国大学生范围内最大规模的机器人擂台赛事，机器人分为多个种类，有步兵机器人，英雄机器人，工程机器人和空中机器人，其中，步兵机器人和英雄机器人的底盘输入功率被规则限制，底盘额定功率800W，限制功率80W，造成步兵机器人和英雄机器人机动力较低，本文旨在研究如何通过在底盘驱动系统上加入超级电容以及超级电容控制器，从而将机器人底盘功率有余的时候把电能储存到超级电容内，待要使用时，通过控制器将电容内电能释放出来，使底盘系统在不使用或少量使用电池限制功率的情况下进行超功率加速，从而达到在必要时刻为机器人加速，实现一些机动战术。

关键词：超级电容；机器人；超功率

前言

在能源技术快速发展的当下，各种新能源技术乘此不穷，超级电容作为一种新型能源存储单元被广泛使用，超级电容拥有能量密度高，放电能力强等优点，缺点是单个容量较小，需要多个电容并联来增加容量。目前，超级电容主要应用在大型后备能源使用，其控制器体积巨大，相对的，也能给目标提供较长时间的后备能源供应。在机器人应用领域，部分设计使用了超级电容用以提供机器人主电源，都利用了超级电容功率密度较高的优点，但放电能力优秀这一点未能被很好的利用，以下设计将超级电容的能量密度和放电能力优秀应用在了RoboMaster大赛步兵机器人技术当中。

RoboMaster大赛中，步兵机器人的底盘功率被严格限制，其额定功率为840W，但由规则限定最高输出功率为80W，故导致步兵机器人的速度、驱动力、机动以及爬坡能力较差，若能提高步兵机动力，将实现步兵奇袭对方基地的经典战术，但如何提高功率输出并且不会超出电池功率输出限制变成了一个难题。

方案

超级电容拥有优秀的充放电能力和较高的能量密度，若能在步兵机器人功率有余的时候，用剩余功率为电容充电，在需要提升速度时，将电容接入底盘供电分流，就能够提供高于限制功率的电流，由此提出两个方案。

①：电容利用剩余功率充电，充满电之后待命，接收到放电命令时用并联的方式接入底盘，然后断开电池供电，完全由电容供电，这个方案的好处时，能够让机器人瞬间达到额定功率，提速效果非常好，缺点时，加速时间很短，且一场比赛只能够使用一次。

②：电容利用剩余功率充电，充满电之后待命，接收到放电命令时用串联的方式接入DC-DC降压电源，用提升电压的方式提升功率，由于电容和电池是串联关系，故总输出功率=电池输出功率*2，是原功率的两倍，之后利用高效的Buck拓扑电路将高压电降低到底盘能接受的电压，但电流可达到原来的两倍，达到加速的效果。该方案优点在于加速时间持久，充电时间很快，缺点是，加速效果只能达到原来的一半，效果并不非常明显。

①方案可以用在需要瞬时高速的时刻，②方案可用在长途奔袭的时刻，两种方案各有优点，因此决定将按现在状况使用某一种加速方案，而电路结构需要支持以上两种状态

用户可通过CAN总线与超级电容控制器通信，可发出充电、串联放电、并联放电、待命等状态命令，主控MCU是STM32F334R6，是意法半导体公司专为数控电源研发的32位高精度控制器，可产生高精度的PWM（脉宽调制）信号用以控制电容，电容管理部分采用了一颗德州仪器公司的BQ76PL455A电池管理芯片以监视电容组的状态，该芯片最多可监视16节电容的状况，监视的状况包括等效串联电阻、电压、电流、温度、健康状态等数据，通过PM-BUS与主控芯片通信。

充电时，控制相应的场效应管或继电器，实现电池经过升压后给电容充电。

放电时，视所需功率，控制相应的场效应管或继电器，将电池与电容组串联并经过降压给底盘供电，可实现两倍功率長时间运行。或者将电池组断开，单独用电容组给底盘供电，可实现底盘的满功率短时间运行。

待命时，关断所有场效管以维持电容容量。

电流采集部分通过检测一个0.064Ω的大功率采样电阻上的压降来计算总线上的电流，电压采集通过电阻分流以及ADC转换实现，进而达到功率限制的作用。

结论：

该控制器能够完好实现预计功能，能够测出并计算底盘所使用的功率和剩余功率，并通过限流控制，限制电容组的充电功率以满足电池输出功率任何时刻都不会超出限制功率，充满电能够通过CAN总线通信告知用户已经充满，能够随时监视电容的状况并进行电压平衡。当“使用方案1放电”的命令从CAN总线传入时，能够立刻转换电路状态，用电容组进行供电，且功率提升现象明显，当“使用方案2放电”的命令从CAN总线传入时，能够立刻切换电路状态，进行串联供电，将功率提升为原来的2倍，通过高效的DC电源降压之后，电压依旧和电池电压一样，但电流达到了原来的两倍，能将速度提高一倍左右，且提速时间较长。

讨论：

通过不同的电路组合，实现了超级电容组在不同状态下的运行，比如使用串联接入电路时能够较长时间提高机器人的机动力，使用并联接入底盘系统时，可以在短时间内将机器人机动力提高到巅峰，两种方案可以对应赛场上不同情况下需要提高机动力的情况，例如采用麻雀战术长途奔袭敌方基地，敌方回防时立即高速撤离。又比如我方遭遇敌方包围时，将机器人机动力达到峰值使其能够利用机动优势突出重围保护我方等，两种方案同时利用将为我们应付不同情况下使用不同战术方案提供更多选择，并且电路结构简单，稳定。

参考文献

[1]袁金垒 超级电容恒功率充放电控制系统研究【D】 大连 大连理工大学

[2]bq76PL455A-Q1 16 节 EV/HEV 集成电池监测器和保护器，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

（作者单位：成都工业学院）