整车低电压电容放电优化研究

李书剑

（上汽通用汽车有限公司，上海 201206）

引言

由于电容具有高效的能量存储、极宽的电压范围、超长的使用寿命、安全的使用方式、良好的环境适应性、易于检测等特性[1]，在汽车上得到了广泛的应用，目前主要应用范围包括制动能量回收、短时后备电源、Start-Stop启停系统等。

但电容为带电压零件，零件来料电压为0V，所以无安全隐患。但是一旦车辆启动后，电容就开始充电并带有电压。在遇到返工或者更换零件时，需要8～12个小时的静置车放电，先将电容中电压消耗完才可更换。操作时间较长，若在此过程中强行更换还会有安全隐患。

本文通过分析电容在汽车上的应用现状及工作原理，并针对电容在更换时放电较长的情况，提出放电优化方案，并根据方案制作了一种简易的整车低电压电容放电设备，用于整车低电压电容的放电，缩短放电时间，便于电容拆卸。

1 电容在汽车上的应用

汽车在行驶过程中有一部分能量因热量散发和制动力消耗掉，特别是在城市中行驶，经常遇到交通信号的提示，这样不仅造成能源浪费，而且增加环境污染。如何把制动所消耗的能量回收到电池中是一个能量管理系统中的关键。随着科技的进步，近年来出现了一种新的元器件——超级电容。这种新型的电子器件比蓄电池高10倍以上的功率密度和100倍以上的充放电速率[2]。但这种超级电容一般为低电压电容，主要考虑到与蓄电池的连接，在汽车上的应用主要有以下几个方面。

1.1 在汽车起动时的应用

现在的电动汽车大多采用电机启动方式，在启动的瞬间，电机的转速为0，会产生强大的启动电流，对电动汽车的蓄电池造成严重地损害。而电容器在电动汽车启动时，可以向发动机提供强大的电流支持以带动其运转，在蓄电池克服其内阻开始放电时，发动机已经转动，启动负载变得很小。因此应用电容器后不仅可以提升电机启动速度，还能改善电动汽车的性能和蓄电池的应用状态[3]。

1.2 在汽车制动时的应用

汽车在行驶过程中，制动所消耗的能量占总驱动能50%左右，若能有效地回收制动能源，会使电动汽车的行驶距离延长，因此有效地回收制动能量在能量回收中占有突出的地位。处理制动时产生的能量主要有2种方式：1）通过容量大、充放电快的储能元件来储存能量；2）高速的数字信号处理芯片来实现回馈，使能量回馈到电网。由于电容器具有优良的脉冲充放电性能和大容量储能性能，非常适用于制动过程中能量回收[4]。

1.3 作为汽车辅助电源

将超级电容器作为电动汽车的辅助电源，可以有效延长电池的使用寿命。目前超级电容器作为辅助电源的应用主要有3 类：1）替代高功率电池应用在混合电动汽车上；2）作为燃料电池电动车的辅助动力电源；3）与高能量电池组成混合电源应用于纯电动汽车。

另外，超级电容器的使用还能提升电动汽车转向、空调、音响及座椅加热等电气系统的性能[4]。

2 整车低压电容的工作原理

如图1，一般情况下，电容通过电容控制模块进行控制，而电容模块直接连接蓄电池的正负极并接地。

图1 电容基本原理图

虽然电容在汽车应用中有着明显的优势，但依然存在一些待改进的地方。例如，与蓄电池相比能量密度低，电容如果损坏，需要更换，放电时间较长，一般需要8-12个小时的静置车放电，先将电容中电压消耗完才可更换。在快节奏的今天，谁能把握时间，就能掌控产品。所以需要对放电时间进行优化，降低到人们可以接受的范围。

3 整车低压电容放电时间优化研究

针对电容放电时间长的情况，进行优化研究。由于电容在车辆启动后进行了充电，并带有电压，这时可以认为电容为一个小的蓄电池，如果想加快放电时间，就需要寻找消耗电压元件。

我们知道最简单的电路如下图2，包括电源、电阻、开关。

图2 简单示意电路

如图2所示，电阻有消耗电压的特点，并且并联电阻有分流作用，串联电阻有分压作用，根据此特点，制定电容放电时间优化方案如下图3，基本方案如下：

图3 放电设备原理图

该设备由多个并联电阻组成，用以加快电容模块电流的释放速度，利用欧姆表可以检测电容两端电压，通过显示屏方便读取电容模块剩余电压值，另外有两个电源夹分别连接需要放电电容的正负极。

4 简易放电设备制作

根据图3放电设备的原理图，制作简易放电设备，这种设备的特点是体积小，操作简单，如图4。

图4 简易放电设备

图4 表示出了放电设备的外观构造，从图4，并结合示意图5详细分析该设备的结构组成以及应用方式。从图中可以看出放电设备主要包括了1-放电设备主体盒和2-两根电缆三个大件，更为细化的分析可以看出简易设备还包括一些必需的附件：1-放电设备主体盒包含了11-电压表显示屏，12-设备操作开关，13-外接检测仪接入端口；2-两根电缆分别为21-正极电缆，22-负极电缆，正负极，且需用颜色进行区分电缆，防止误连接（本实例采用正极：红色，负极：黑色）。

图5 放电设备实例立体图

参考图6，表示了1-放电设备主主体盒内部的局部构造（电路走向、连接等部分不含在该图中），主要包含了并联电阻组，该实例针对5V电容进行放电，采用四个1Ω/50W的电阻（需要加快放电速度，可以增加并联电阻数或者增加阻抗），如果对其他电压的电容进行放电，可以由公式U2/R，计算电阻所能承受的最小功率，进而选择合适的电阻。此外，应当意识到，虽然在图3中使用的4个电阻均具有同样的额定阻抗值和额定功率值，但是，图3只是为了方便说明上述计算过程而举出的一个示例，根据实际情况，所选用的电阻可以具有不同的额定阻抗值和额定功率值。

图6 放电设备内部局部图

简易放电设备的操作规范：

更换电容前，需要确认：（1）整车电瓶断电；（2）放电设备控制开关12处于“OFF”档。

确认无误后，放电设备红色电源夹21连接图4电容控制 模块DLC（+）端（Dual Layer Capacitor：双电层电容）或电容的正极（+）端，放电设备黑色电源夹22连接超级电容负极（-）端或者直接接地。此外，需要说明的是，可以根据低电压电容在车型的布局，进而根据连接电容控制模块的难度和连接整车电容的难度来选择是将整车电容放电设备的正极（红色）电源夹21与电容控制模块DLC（+）端连接还是与整车电容的正极（+）端连接。

拨动放电设备开关12到on档，放电10min左右，观察放电设备上电压表11上读数，当读数低于0.5V时，表示电容完成放电。放电完成后，即可拆除电容，但需注意，先拆负极，再拆正极。

安装全新的电容，完成更换。

在操作设备时需注意，如果电压表损坏，可以通过放电设备上外接检测仪接入端口13接入良好的电压表对电容两端电压进行检测。

5 结论

本文主要分析了低电压电容在电动汽车以及汽车新增功能模块上的应用，并针对低电压电容放电速度，从而影响电容更换速度的情况进行了优化分析，并根据分析结果制作了简易放电设备，该设备结构简单，携带、维修都很方便，并且将电容放电时间由8～12小时缩短到10分钟左右，从而缩短电容更换时间，提高客户满意度，这在电容在汽车上的推广使用有着重要的意义。