研发历程

经过将近三个月的研发测试,超级电容从无到有,前后共历经三版,终于达到了“能够使用”的地步。虽然最终没能成功上车,但每一次进步都足以被记录。

我们的超级电容模块主要分为两部分:电容板和控制板。电容板就是安放电容储存能量,而控制板则是整个超级电容模块的核心,控制电流的输入和输出。一般而言,电容板只需仔细检查电容的正负极就没问题了,而控制板由于元件众多,出问题的一般也是它。要是电路不通,建议用万能表挨个检查通断。

注:以下文件均可在压缩包内找到。

从第一版控制板的pcb view和原理图中很容易看出,超级电容的充放电是由gpio口给高低电平,经bjt放大后控制MOSFET的开关以实现单独控制充放电模块输入端的电压。充电模块(又称恒压模块)会将电池的24v输入以恒压恒流输出给电容板(一般设置为20v)。 放电模块(又称升压模块)会将电容的输出升至恒定电压(一般为27v),以防止电压输出随电容掉电而降低。

第一版控制板和最终版本相差无几,唯一的缺点是没有考虑到市面上大部分恒压恒流模块是无法共地。我们在烧了两个恒压恒流模块后才发现了这一点(奠)。

同时,在测试中我们发现原先选取的升压模块在输出电流大于1a后无法保持恒压,于是在第二版中,我们打算自行设计升压模块。

显而易见的,由于是自行设计升压电路,板子的复杂度急剧上升。为了节省空间而使用的0605贴片也给焊接增加了难度。由于未知原因(虚标?),q5在大电压时发生了击穿。而且在设计时R18的gnd少打了个通孔,导致无法成功升压。建议以后等硬件实力增强后再尝试设计升压/降压电路。

第三版控制板重新回归了第一版超级电容的设计,在其基础上分出了恒压恒流模块的gnd。

控制板3.0 pcb view

第三版经测试完全可以使用,模块化的设计也显著降低了焊锡的难度。相信如果有足够时间调试,一定能在场上有优秀的表现。

改进建议

lv1. 电容板和电压板可以合二为一,即控制板的电容接口焊在背面,用铜柱固定四角。这样两块板子的结构稳定性就能有效提升,也更美观。

lv2. 利用代码检测裁判系统底盘功率,实现自动充电。

lv3. 在赛季末,组委会突然对超级电容的容量提出了3000J的限制,一时间搞得风声鹤唳。虽然最终在一片抗议声中临时额度提高到了10000J,但可以预见的是,下个赛季的电容容量将会继续缩小,而且大概率小于3000J。目前我们的电容容量是3280.5J, 所以在下个赛季,电容板也要重新设计以满足最大空间利用率。

lv4. 在控制板的右下角,设计有一个电压值的读取接口。可以尝试通过此接口实现硬件闭环。

lv5. 在有足够的硬件实力后,可以参照香港科技大学的开源文件,将升压和降压模块都集成在一板上。(高技术力需求)

入坑指北

  1. pcb的设计和更改通常在Altium Designer上进行,不要用学校教的那软件。压缩包里附有ad学习教程。
  2. 一般选择在立创商城购买元器件和印刷pcb, 方便开票。
  3. 注意电子元件以及电线的额定电压,电流,不要超功率。
  4. 我个人更喜欢使用锡膏配合热风枪, 镊子夹住来焊pcb元件。用电烙铁焊的话,如果养护不得当很容易出现虚焊,焊接0603之类的小元件时也非常容易出现短路的情况。但要注意的是,如果锡膏涂抹不均匀或者过薄也容易虚焊。如果对自己的焊工没自信的话,可以先用实验室里的练习板练练手,用万能表测通断。
  5. 在焊完pcb连接完模块后,为确保安全,通常先将控制板单独拿出来作测试(重要)。最常用的方法是用电子负载和电源测试充电控制放电控制。充电的时候,电容接口接电子负载。将电子负载调到CV模式。电压从低往高调,看输出电流变化。放电模式测试就是把电容端接直流电源,电压给到20V,电子负载接到控制板的底盘输出端,电子负载开CI模式,负载电流可以从小开始,一开始设0.1A,一直拉到2A左右,同时看能不能控制放电,以及放电时输出电压稳不稳定。再就是把直流电源端的电压从20v往下调,看20-10V这个区段能不能恒定输出电压。
图中左侧是电子负载,右侧是直流电源