「2019」「RM圆桌」第四期 超级电容哪家强？
RM圆桌
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2019-01-23
圆桌时间：2019年1月25日（周五） 19:00-20:00
圆桌嘉宾：@昊汧（论坛昵称：neutdthq）
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在前20分钟内，为主持人嘉宾对话时间，这段时间内嘉宾是不会回答其他参与者的问题的，大家可以在后面40分钟的自由问答时间内提问。
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1、 什么是超级电容？
通常意义上上超级电容的定义：
双电层电容器（EDLC）有时也称为电双层电容器，或超级电容器，是拥有高能量密度的电化学电容器，比传统的电解电容容量高上数百倍至千倍不等。双电层电容器主要用于能源储存，而非通用电路元件，特别适用于精密能源控制和瞬间负载设备。EDLC也有作为能量储存和KERS设备在车辆使用，另外亦有用于其他小型系统，例如需要快速充／放电的家用太阳能系统。
缺点：
能量密度低于电化学电池；
存在介质吸收效应；
高自放电 - 大大高于电化学电池；
工作电压低；
非常低的内部电阻允许极快速放电，有发生电火花的危险；
循环周期内电压变化幅度大，放电不平稳，往往需搭配DC-DC电路。
优点：
寿命长；
每周期的成本低；
可逆性好；
充电和放电效率高；
非常低的内部电阻（ESR）；
高周期效率（95％以上）；
高输出功率；
功率密度高。
一般采用腐蚀性较低，或无腐蚀性的中性电解质，提高了使用和储存的安全性。
比赛中我们所说的超级电容器：
a) RM比赛中用到的超级电容（下文中均使用超级电容代指超级电容模块，包括其他dc-dc器件）大部分时候指的不仅仅是通常意义上的超级电容组，而是由其他电子器件、功能模块一起构成的组合体。
b) 超级电容是用来在底盘低功率消耗时存储能量，在底盘需要输出大功率时释放能量的功率缓冲单元。
c) 超级电容通常还能起到限制输入功率的作用，常常通过软件和硬件一起来实现底盘输入功率限制和底盘短时间的爆发输出。
d) 综上所述，什么是超级电容呢？简单来说就是可以让你的机器人在80W功率限制下能跑的更快（你是需要付出代价的，这个我们后面再谈），并且不超功率的一个模块。
e) 要是做个类比的话，超级电容和裁判系统的60j缓冲能量（2018年步兵机器人）有着相似的作用，不过也有一些不同，这个我们在之后讨论。
f) 超级电容是一把双刃剑，亲身经历，使用需谨慎！！！使用不稳定的超级电容，就是在自寻死路！！！
2、 有很多队伍都做了超级电容，那么东大的优势体现在哪里？
东大的超级电容并没有什么技术上的优势，相比之下港科、大交、桂电开源的功率控制和超级电容方案都非常值得借鉴，我衷心的感谢以上三所学校的RM队员对整个大赛中功率方案带来的推进作用，同时也发自内心对他们的开源精神致以敬意。
3、 为什么要做超级电容？在2018年比赛时，超级电容给你们队伍带来的收获是什么？
a) 就像刚刚提到的跑得比人快，你就得付出代价，2018赛季我们的超级电容使得我们的机器人勉强赶上了国赛8强队伍机器人的速度，付出的代价就是不持久。你的电容早晚会没电，你的速度迟早会慢下来，因此，这需要超级电容设计时考虑到电容没电的问题，队伍制定战术方案时做一些额外考虑。这也是我们分区赛失利的一大因素。
b) 另一方面，因为有超级电容的存在，使得我们可以采用硬件限制输入功率，再通过搭配软件控制充分利用60J的能量。
4、 超级电容要在备赛的哪个阶段去做呢？最应该避免犯的错误是什么呢？
a) 超级电容最好从备赛开始时就开始设计，并且在第一代机器人投入测试前就应该具有较为完备的功能，这是为了有足够的时间验证方案的稳定性，和对超级电容的性能的进行改善。
b) 最应该避免放的错误（没有之一）：千万不要把电容组极性接错（电解电容的话我相信你会毕生难忘的，毕竟这么大的电容，爆炸也很有排面是吧。）
c) 此外，电容组一定要设计过充保护，事关安全。。
d) 硬件设计时一定要认真阅读器件手册，不要全照搬照抄典型应用。。
5、 一般做超级电容有什么工作流程？（包括需求分析、元器件选型等内容）
一、需求分析
功能需求：
1、 限制输入功率，超级电容在没电时对直流的阻抗很小，这就意味着一开始给电容的充电功率会非常大，需要增加一些额外的硬件来限制输入功率，以避免机器人在一上电时因为给超级电容充电而导致超功率暴毙。。。。
2、 需要稳压输出，随着超级电容的放电，电容组电压会大幅度下降，如果直接把电容组电压供给底盘，轻则造成底盘电机效率降低，特性变软，影响底盘控制；重则导致电调欠压重启，造成致命问题。。
3、 能存储足够多的能量，一方面这涉及到电容组的选型，和机械尺寸，重量的限制，需要在设计时综合机器人的实际情况考虑，另一方面涉及到超级电容的方案中是否对电容电压进行升压，这直接关系到你能使用你电容组总容量的多少。
4、 功率路径的管理和切换：一般情况下电容迟早会没电，电容充电需要时间，而赛场上没有人会给你时间回复自己的电容能量。这就需要能够控制什么时候用电容作为底盘电源，什么时候用裁判系统输出作为底盘电源。而对于这个问题，我粗略的把它划分为主动式功率路径管理和被动式功率路径管理，他们的区别会在之后提到。
5、 当裁判系统切断底盘供电，不论超级电容有电与否，超级电容模块必须停止底盘供电。
6、 底盘输出功率不足80W时，剩余功率对超级电容充电，并且当底盘功率大于80W且超级电容有电时，输入功率恒定为80W左右。。
性能需求：
1、 稳定，啥都不用说了，这是重中之重。比赛功率出问题了，设计者是要谢罪的！！！(玩笑归玩笑，但后果非常严重，平时测试绝对不能凑合，不行就是不行!!)
2、 超级电容自身损耗小，这之中有MOS的开关损耗（buck和boost）、传导损耗（Powerpath管理），功率二极管的损耗（视具体方案而定，如果你的功率路径上串联有大功率二极管的话，需要考虑），电容组冲放电的损耗，和控制电路正常工作消耗掉的功率。
二、结构框图：
我给出一个超级电容的结构框图，比较简单，省略了一万个可能遇到现实问题，重在帮助大家理清思路，明确各部分存在的意义，其中各个黄色模块会分开详细叙述。
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1、 输入功率（输出功率）的检测：采集输入电压和输入电流得到，输入电压的采集可以分压之后直接ADC采集，但我建议加上一级有源RC滤波后再用ADC采集。关于电流的采集可以在低侧（其实高侧也完全可以，不在乎成本的话。。）串联采样电阻再用运放放大得到，另一种可以采用基于霍尔原理的电流传感器。就目前的需求来说低侧串联采样电阻就完全够用。
2、 降压：这一部分可以采用一些降压恒流恒压模块，某宝上很多，很多都可以设置输出电压、电流，稍微改动一下就可以用stm32实现闭环。另外肝比较健壮的也可以自己设计这一部分电路，可以大幅提高整个超级电容模块的集成度。采用降压模块的目的是为了限制给电容的充电功率。
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3、 功率二极管：可以采用大功率二极管，但一般都有0.6V到0.7V的导通压降，会产生不小的导通损耗。。。白白浪费功率。。因此可以换成用低导通内阻的NMOS来设计理想二极管以此来减小由于导通内阻造成的传导损耗。。但这么做也会造成新的功率损失，当降压电路限制电容的充电功率时，会造成充当理想二极管的NMOS频繁开关，因此会引入开关损耗，一方面取决于你的Mos驱动能力，另一方面取决于你的MOS门极寄生电容的大小，这两个因素决定了你的mos上升沿和下降沿的陡峭程度，决定了你的mos有多长时间工作在放大状态产生开关损耗。。。至于哪种方案损耗小，我没有具体测试过，留给各位大牛自己去寻找答案。。。
4、 升压：同上，可以购买具有恒压功能的升压模块，肾好技术也好的大佬也可以自己设计，全功能集成，想想都觉得美丽。
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5、 功率路径的管理：需要解决两个问题，一个是电压高的电源不会给低压电源倒灌，另一个是我可以控制此时由哪个电源供给底盘。常见的方案有两种，但不仅限于此。
a)每路电源串连二极管Diode ORing。通过功率二极管来实现功率路径的切换，如下图所示：（对应上文提到的被动式Powerpath管理）
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原理比较简单，通过调节升压模块输出电压或者在升压模块之后加MOS可以实现两路电源的切换。但由于此时NMOS的高侧驱动会增加成本和硬件的复杂度，如果能控制升压模块输出电压，就尽量避免采用MOS。
（注：可以使用Pmos，这样驱动问题会得到解决。。但Nmos相对Pmos来说选择范围会大很多）
缺点：在功率路径上增加了二极管。。产生损耗较大。。。
优点：简单稳定。
b)每路电源串联背对背NMOS开关，如图所示：（对应上文提到的主动式Powerpath管理）
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Mos有寄生二极管（body diode），每路电源只靠单颗Mos会导致较高压的电源回灌电流到电压较低的电源。为解决这问题，在每路电源再多放一颗mos，source接source，两颗mos的寄生二极管互相抵销，解决电流倒灌问题。要接通该路电源时，同时把两个mos接通。
优点：输出的电路不受该路电源的电压影响，不会因输出电流波动而意外切换输出电路；可以省略升压稳压器，节省空间和重量。视乎升压稳压器，超级电容直接供电能允许更大输出电流，并且能够实现刹车回冲，刹车能量得到利用。但不采用升压也会造成电容有效利用率降低。。。大家自己权衡。。。mos驱动电源由裁判系统底盘输出口供电，底盘被裁判系统杀掉后即使电容有电，底盘也不会连接至电源。
缺点：两路电源切换时间要短，mos控制次序要对，否则会导致输出不稳定或电流倒灌。Mos驱动电路较为复杂。。。关于背对背Mos的驱动方案，可以采用ADI的方案，有兴趣可以自己去了解。
6、 电容组的选择：电容选择时要注意几点，电容的容量、耐压、内阻。市面上大部分超级电容都为2.7V XXXF的，可以自己购买单个电容来针对机器人的机械安装设计电容组PCB，但需要注意一定要设计过充保护。以防出现事故。。。
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另外也可以选择购买成品电容组，这种一般都带有过充保护，但并没有均压功能，一般会随着使用时间的增加各个电容的差异。。导致性能下降。。。
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另外还一些体积小，价格贵的超级电容，贫穷的我们并没有尝试过，有钱的大佬请自行安排。。。
7、 Mos的选型(后半部分来自网络，大家适当参考。。。)：
对于Powerpath上使用的Mos，它作为开关使用，这个开关实际上始终处于导通状态，MOS管只相当于一个导体。因此设计人员最关心的是最小传导损耗。一般而言，MOS管制造商采用RDS(ON) 参数来定义导通阻抗;对ORing FET（和我们的作用稍微不同）应用来说，RDS(ON) 也是最重要的器件特性。数据手册定义RDS(ON) 与栅极 (或驱动) 电压 VGS 以及流经开关的电流有关，但对于充分的栅极驱动，RDS(ON) 是一个相对静态参数。一般来说，一个低RDS(ON) 值的MOS管，具备大额定电流。
开关电源中的MOS管：从定义上而言，这种应用需要MOS管定期导通和关断。同时，有数十种拓扑可用于开关电源，这里考虑一个简单的例子。DC-DC电源中常用的基本降压转换器依赖两个MOS管来执行开关功能(图2)，这些开关交替在电感里存储能量，然后把能量释放给负载。目前，设计人员常常选择数百kHz乃至1 MHz以上的频率，因为频率越高，磁性元件可以更小更轻。
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一般来说，可以采用一个综合品质因数(栅极电荷QG ×导通阻抗RDS(ON))来评估MOS管或对之进行等级划分。栅极电荷和导通阻抗之所以重要，是因为二者都对电源的效率有直接的影响。对效率有影响的损耗主要分为两种形式--传导损耗和开关损耗。
栅极电荷是产生开关损耗的主要原因。栅极电荷单位为纳库仑(nc)，是MOS管栅极充电放电所需的能量。栅极电荷和导通阻抗RDS(ON) 在半导体设计和制造工艺中相互关联，一般来说，器件的栅极电荷值较低，其导通阻抗参数就稍高。开关电源中第二重要的MOS管参数包括输出电容、阈值电压、栅极阻抗和雪崩能量。
开关器件长期工作于高电压大电流状态，承受着很大的功耗，一但过压或过流就会导致功耗大增，晶圆结温急剧上升，如果散热不及时，就会导致器件损坏，甚至可能会伴随爆炸，非常危险。
这里就衍生一个概念，安全工作区。安全工作区(SOA)曲线，该曲线同时描述了漏极电流和漏源电压的关系。基本上，SOA定义了MOSFET能够安全工作的电源电压和电流。
安全工作区的定义：SOA（Safe operating area）是由一系列（电压，电流）坐标点形成的一个二维区域，开关器件正常工作时的电压和电流都不会超过该区域。简单的讲，只要器件工作在SOA区域内就是安全的，超过这个区域就存在危险。
开关器件的各项参数在数据手册中都会明确标注，这里我们先来解读两个参数：
VDS（Drain-source voltage）：漏源电压标称值，反应的是漏源极能承受的最大的电压值；
IDM（Draincurrent(pulsed)）：漏源最大单脉冲电流（非重复脉冲），反应的是漏源极可承受的单次脉冲电流强。
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器件手册一般都会提供SOA（Safe operating area）数据图表，主要和晶圆的散热、瞬间电压和电流的承受能力有关，通过IDM和VDS及器件晶圆沟道损耗的限制形成一个工作区域，称为安全工作区，如下图所示。安全工作区可以避免管子因结温过高而损坏。
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mos管初选基本步骤：
a)电压应力
在电源电路应用中，往往首先考虑漏源电压VDS的选择。在此上的基本原则为MOSFET实际工作环境中的最大峰值漏源极间的电压不大于器件规格书中标称漏源击穿电压的 90% 。
即：
VDS_peak ≤ 90% *V(BR)DSS
注：一般地，V(BR)DSS 具有正温度系数。故应取设备最低工作温度条件下之 V(BR)DSS 值作为参考。
b)漏极电流
其次考虑漏极电流的选择。基本原则为MOSFET实际工作环境中的最大周期漏极电流不大于规格书中标称最大漏源电流的90%；漏极脉冲电流峰值不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的 90% 。
即：
ID_max ≤ 90% * ID
ID_pulse ≤ 90% * IDP
注：一般地，ID_max及ID_pulse具有负温度系数，故应取器件在最大结温条件下之ID_max及ID_pulse值作为参考。器件此参数的选择是极为不确定的—主要是受工作环境，散热技术，器件其它参数（如导通电阻，热阻等）等相互制约影响所致。最终的判定依据是结点温度。根据经验，在实际应用中规格书目中之ID会比实际最大工作电流大数倍，这是因为散耗功率及温升之限制约束。建议初选于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max 。
c)驱动要求
MOSFEF的驱动要求由其栅极总充电电量（Qg）参数决定。在满足其它参数要求的情况下，尽量选择Qg小者以便驱动电路的设计。驱动电压选择