### 10. 超级电容管理模块

#### 模块描述
超级电容管理模块用于超级电容的充电、放电和均衡管理。超级电容（也称法拉电容）具有充放电速度快、循环寿命长（>100万次）、功率密度高等特点，但单体电压低（2.7V）、能量密度低。多个串联使用时需要均衡管理防止过压。本模块集成充电控制、主动均衡、升降压变换等功能，适用于电赛中的快速储能、脉冲功率、能量回收等应用，是新型储能技术的代表。

#### 工作原理
```
[输入12V] → [Buck充电] → [超级电容组] → [Boost升压] → [12V输出]
                ↓            2.7V×4串           ↓
         [恒流/恒压充电]   [10.8V/100F]    [稳压输出]
                              ↓
                      [主动均衡电路]
                              ↓
                    [检测各单体电压]
                              ↓
            [高电压单体] → [电阻放电/Buck转移]
            [低电压单体] ← [接收能量]

充电过程：
恒流充电：电压<额定值，以恒定电流充电
恒压充电：电压=额定值×串联数，保持恒压

均衡原理：
被动均衡：高压单体并联电阻放电
主动均衡：高压→低压能量转移（效率高）
```

#### 技术指标
- **电容类型**: 超级电容/法拉电容
- **单体规格**: 2.7V/100F-3000F
- **串联数**: 2-6串（5.4V-16.2V）
- **充电电流**: 0.5-10A可调
- **充电电压**: 单体2.7V，总压=2.7V×N
- **均衡电流**: 主动均衡1-5A
- **输出方式**: 直接输出或升压至12V
- **循环寿命**: >100万次
- **自放电**: 约10%/月
- **ESR**: <1mΩ (单体)

#### 接口管脚定义
| 接口 | 名称 | 功能 | 规格 |
|------|------|------|------|
| CHG+/- | 充电输入 | 充电电源 | 12-24V |
| CAP1-4 | 电容连接 | 各单体电压 | 2.7V×4 |
| OUT+/- | 输出 | 升压输出 | 12V/5A |
| BAL1-4 | 均衡 | 均衡电路 | - |
| I_CHG | 电流设定 | 充电电流 | 电阻设定 |
| EN | 使能 | 充电使能 | 高电平充电 |

#### 板上设置和信号指示
- **充电电路**: Buck变换器，恒流恒压控制
- **均衡电路**: 每个单体并联主动均衡模块
- **电压采样**: 每个单体独立采样（ADC多通道）
- **电流采样**: 霍尔传感器或分流器
- **升压电路**: Boost升至12V稳压输出
- **显示**: LCD显示各单体电压、电流、SOC
- **保护**: 过压、欠压、过流、过温保护
- **测试点**: 各单体电压、均衡电流测试

#### 电气指标
- **单体电压**: 0-2.7V工作范围
- **总电压**: 4串=0-10.8V
- **充电电流**: 最大10A (取决于电容容量)
- **充电时间**: C(F)×ΔV(V)/I(A) 秒，如100F×10V/5A=200s
- **均衡精度**: ±10mV (各单体压差)
- **均衡电流**: 被动0.1-1A, 主动1-5A
- **输出电压**: 12V±5%
- **输出电流**: 最大10A (脉冲更高)
- **转换效率**: 充电>90%, 放电>92%
- **ESR总**: <5mΩ (4串)
- **能量**: E=0.5×C×V²，100F×10.8²=5832J≈1.62Wh

#### 使用说明
1. **电容选择**: 根据能量需求选择容量，E=0.5CV²
2. **串联连接**: 正负极正确连接，注意极性（有极性电容）
3. **首次充电**: 小电流（0.5A）首充，观察各单体电压
4. **均衡启动**: 电压差>50mV时启动主动均衡
5. **充电限流**: 设置充电电流≤电容额定电流
6. **放电应用**: 大电流脉冲放电，如启动电机
7. **SOC估算**: SOC = (V-Vmin)/(Vmax-Vmin) × 100%
8. **维护**: 长期不用保持50%电量，定期充放电

#### 全国大学生电子设计竞赛相关赛题
- **2017年A题**: 微电网模拟系统（超级电容储能）
- **2015年A题**: 风力摆控制系统（能量缓冲）
- **2013年**: 能量回收系统（制动能量回收）
- **2009年**: 新能源系统（快速储能单元）

#### 应用技术要点总结
1. **快速充放电**: 利用超低ESR特性，实现大电流脉冲
2. **主动均衡**: 比被动均衡效率高50%，必须采用
3. **能量计算**: 精确计算所需能量，选择合适容量
4. **脉冲应用**: 启动电机、激光发射等大功率脉冲
5. **混合储能**: 超级电容+锂电池，功率+能量互补
6. **能量回收**: 制动/下坡能量回收，提升效率
7. **寿命优势**: 代替电池在高循环次数场合
8. **温度特性**: -40°C至+65°C宽温工作

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