【RM2025-超小体积1980J电容组开源】

今年队里的机器人都有缩小体积的需求，在一段时间的探索后发现3V的电容单体能量密度有很大提高，通过巧妙的排布可以将整个电容组+CM01缩入装甲板支架后，无需占用任何额外的底盘空间，安装效果如图：

电容组关键参数如下：

方案	3.0V34F+ 3.0V10F 10串
标称容量	1980J
体积（有TPU保护外壳）	L78mmW44mmH66mm
理论峰值电流	约30A
理论内阻	(68mΩ∥45mΩ)×10=271mΩ
成本（手工焊接）	约￥150

欢迎加入开源交流QQ群：581184202

联系方式：微信 xianziming0531，邮箱 [email protected]

需求分析

规则限制：

标称容量不得超过2000J，实测容量不得超过2200J
供电电压不能超过30V
充放电电流不超过15A

其他需求：

体积尽可能小，要有完善的保护外壳
实际容量尽可能大
放电功率尽可能大

电容组方案

现在可以购买到的超级电容单体电压一般有2.5V、2.7V和3.0V三种（锂离子电容由于功率过小且不能完全放电不考虑在内）。由于本赛季队内对于机器人体积压缩要求很高，所以设计时优先考虑能量密度更高的3.0V电压单体。

电容组总能量的及算法方式为 E=1/2×(C/b)×(bU)^2 < 2000J

其中 C 为单串容量，b 为串数，U 为单体电压。由于单体耐压越高，理论上最大放电功率越大（放电电流被CM01限制在15A），所以设计时满电电压尽量接近30V。

根据公式反推，10串3V电容组单体容量最大为44.44F，在进行反复的配对组合尝试后，最终选择使用3.0V 34F的单体+10F的单体来使得单串容量为44F，此时 E=1980J<2000J，符合规则要求。

这种电容单体组合方式有ETN TV或CDA品牌可选，经不严谨的测试发现ETN的电容内阻较小（实际容量较小可能是淘宝买的拆机货了），CDA的电容单体实际容量更大，所以后续本赛季选择CDA的CXP-3R106R-TWQ和CXP-3R0346R-TW两个型号制作电容组。如果需要买CDA超级电容单体直接问我要CDA代理的联系方式就行，比淘宝便宜而且不容易买到假货。

均衡/保护电路及元件选型

对于电容组单体，需要相应的保护电路防止其过压或产生负压。受限于电容组PCB体积，过压保护采用被动泄放的方式，没有引入主动均衡（主动均衡可以看吉林大学和哈工深的开源，链接在文末）。

泄放电路由队内2023年开源的电容组修改而来。保护芯片采用BW6103（BW6101的3.0V版本），虽然其实测精度不是很理想（后文会提到），但外围元件较少。泄放由两个串联的 1.5Ω 2512电阻配合AP2045Q外置NMOS加大泄放功率，这里的电阻需要使用大功率的2W厚膜电阻，NMOS可以替换但是需要注意Vgsth不能太高。

BW6103的IOUT引脚输出电流可以达到200mA左右，对于驱动外置MOS完全足够。LED引脚输出高电平的阈值电压比触发泄放的电压更高（3.25V左右），主要用于警告，所以为了方便观察泄放情况，在IOUT引脚也加上一个LED灯。

当特定电容单体被被动均衡后，其中的电荷量会少于其他单体，此时如果将电容组整体放电到比较低的电压，会导致部分电容单体出现负压的情况，所以这里使用肖特基势垒二极管（VF很低）来进行负压保护。

电容组输入部分采用1808封装的快断保险丝和TVS进行保护，仅用于防止输出短路等极端情况发生。

外壳

电容组使用柔性TPU外壳来保护防止导电材料掉入并减小冲击，分为上下盖，使用TPU95A打印。参数调整减小跨越外墙，根据情况调大一点回抽，如果要一次性打印多件建议选择逐件而不是逐层打印（这些都是为了打出来外壳能好看点，跟强度没啥关系）。

焊接步骤和注意事项（重要！）

焊好板背面所有元件，使用洗板水清理。如果财力雄厚可以考虑SMT，SMT之后也可以考虑送我两片（

使用可调电源，限流1.5A，电压在2.8V-3.0V间微调，分别测试每一串的泄放阈值电压（2.93V-2.98V都算正常），如果范围在这之外则是因为BW6103的精度不是很理想，需要更换BW6103再试，如果在电压较低时就有负载电流则需要检查焊接。
焊接正面的XT30接口（或焊线引出）与LED灯。
焊接正面的10个34F电容和5个10F电容，34F电容比较瘦高容易焊歪，建议打印一个辅助焊接的3D件。焊接时建议使用大功率电烙铁焊接，一定要保证不能虚焊、不能焊反。焊接好后剪掉电容组的引线。
通过3D打印下盖辅助，弯折剩余5个10F电容的引脚并进行焊接。
用分电板连接电容组输出、可调电源和可调负载，将可调电源输出设置为28.5V 1A对电容组进行充电，电容组电压应该在2分钟左右均匀、缓慢上升。主要这个时候由于电容组没有保护和固定，需要格外小心。
确认好没问题后使用UV胶或其他胶对背面的电容单体进行固定，注意打胶前要清理好板的表面（不要有助焊剂残留等）。效果如图：