CN102957212A - 一种超级电容发动机启动电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于超级电容替代现有发动机启动电瓶的车辆及设备启动电源替代系统。它由A1电源转换系统，E2超级电容组储能系统，A2储能完成告警系统构成。该系统利用A1电源转换系统将任意形式的辅助电源转换成启动马达所需要的电源并储存在E2超级电容组储能系统，A2储能完成告警系统提供超级电容储存完成信号，最后供给发动机启动马达用于启动发动机。该系统利用辅助电源对超级电容充电，启动时由超级电容组为启动马达提供强劲的起动能量。

Description

一种超级电容发动机启动电源装置
技术领域
本发明涉及一种基于超级电容蓄能的发动机启动电源装置。该装置涉及汽车及工程车辆、工程设备领域。 
背景技术
蓄电池是汽车启动系统中的关键部件之一，其性能直接影响汽车的启动效果。汽车启动需要大的启动电流，然而蓄电池在高倍率放电和低温放电时性能变得很差，而且启动过程中的电压剧烈变化会造成电气设备掉电死机。且传统蓄电池对设备本身和环境污染严重，使用寿命仅为2-3年，维护麻烦。为有效解决上述问题，经我们理论研究及实践研制出我们的超级电容发动机启动电源，用于替代现有设备车辆启动蓄电池。 
超级电容作为一种新型储能装置，具有超级储电能力。 
在储能机理上，高度可逆，寿命很长，可千万次反复地充、放电，而且有很大的电流，具有很宽的电压范围和工作温度范围。 
超级电容兼具传统电容器的大电流快速充放电特性与电池的储能特性，填补了普通电容器与电池之间比能量与比功率的空白，其放电比功率较蓄电池高近十倍，弥补了铝电解电容和可充电电池之间的技术缺口，同时又克服了两者的缺陷，既具有电池的能量贮存特性，又具有电容器的功率特性，超级电容比传统电解电容器的能量密度高上千倍，可达1000W/kg数量级。 
超级电容具有高至数千法拉甚至上万法拉的超大电容量，储电能量大、时间长；能够瞬间释放数百至数千A电流，大电流放电甚至短路也不会对其有任何影响；可充放电10万次以上而不需要任何维护和保养，寿命长达十年以上。 
超级电容可用于以极大电流瞬间放电的工作状态，而不易产生发热着火等现象；充电时间很短，可在几秒之内完成，是一种理想的大功率二次电源。 
超级电容可在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且无环境污染，具有安全可靠、适用范围宽、绿色环保、易维护等特点，是改善和解决电能动力应用的突破性元器件。 
超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能容器。电容量取决于电极间距离和电极表面积，为了得到尽量大的电容量，要尽可能缩小超级电容器电极间距离，增加电极表面积，所以采用双电层结构、活性炭多孔化电极。 
超级电容容量大、寿命长，可以大电流快速充放电，工作的温度范围为-40℃～70℃。利用超级电容作为启动源，可以进行大电流放电，提供快速的功率响应，进而改善启动性能，且超级电容在低温下的良好工作性能，可以有效改善汽车在低温时的启动状况。 
蓄电池是车辆上的关键电器部件，其性能直接影响车辆的启动。现在的车载发动机启动绝大部分采用电动机启动方式。装置结构 
超级电容发动机启动电源装置，如图1包括A1电源转换系统，E2超级电容组储能系统，A2储能完成告警系统。 
A1：电源转换系统，将辅助电源转换成发动机所需要的工作电源。系统电路可以是如图2BOOST非隔离升压形式电路构成、或如图3BUCK非隔离降压形式电路构成、或如图4隔离升降压形式电路构成。 
E2：E2超级电容组储能系统，该系统用于储存转换器转换的能量，系统构成如图5构成，由于单体超级电容耐压较低(一般是2.75V)实际使用中通过对若干超级电容串并联的形式得到所需的耐压和容量。图中JLQ是单体电容的均流装置，其作用是防止因电容组单体电容性能差异导致的个别电容端电压过高损坏电容，将高于2.75V电压旁路泄流。 
A2：储能完成告警系统，该系统用来监视超级电容组的能量是否达到要求，当电容组电源达到要求时提供告警信号，提醒操作人员或控制系统已完成充电过程，可以启动工作。 
电路构成如图6构成。 
其工作过程： 
将辅助电源连接到A1输入端，A1输出端口连接到E2输入端口，E2输出端口连接到A2输入口，同时A2输出口连接到负载(启动马达)。 
工作原理： 
先由A1将辅助电源的电压转换为所需要的电压并储存在E2内，当E2电源达到要求的电压时，A2将提供充电完成信号。这时可以通过超级电容发动机启动电源装置启动发动机。 
由于超级电容的等效串联电阻远小于蓄电池(辅助电源)的内阻，所以启动电流将由超级电容提供，蓄电池(辅助电源)只需要提供电容充电电流，避免了蓄电池(辅助电源)的大倍率放电，使蓄电池的平稳电压得到有效提高，从而改善了汽车的启动性能，提高了蓄电池的寿命。 
启动功率的选择 
启动机功率的选择取决于2个因素，即发动机的最低启动转速和启动阻力矩，计算公式为： 
P＝MQ nQ/9550    (1) 
其中，MQ为发动机启动阻力矩nQ为最低启动转速。MQ、nQ具体数据由发动机厂家提供。 
超级电容容量的选择 
超级电容容量可由下式计算： 
C2＝Q/ΔU    (8) 
其中，C2为超级电容容量；Q为超级电容放出的电量；ΔU为超级电容的电压变化值。 
超级电容放出的容量可以由下式计算： 
Q＝∫idt    (9) 
其中，Q为超级电容储存的电量；i为超级电容的放电电流；t为超级电容的放电时间。 
在计算过程中，可按下式计算： 
Q＝P(U)-1R0(R0+R1)-1t(10) 
实际操作中建议电容量以每次充电能够完成连续3次启动为准。 
试验过程发现，在低温启动时，由于蓄电池在低温状态下的特性变差，试验中出现难以启动或需要多次点火才能启动的状况。但超级电容特性受低温影响小，则不会出现这种状况，只需一次点火就能启动。 
超级电容混合蓄电池的新型汽车启动系统，有效地提高了汽车的启动性能和电池(辅助电源)的使用寿命。与现有的启动系统相比，该新型启动系统的特点是可靠性高、启动性能高、启动电源寿命长及低温启动效果好，无污染。该启动系统能有效应用在大功率发动机启动，尤其对低温地区或冬季车辆的启动效果，具有明显改善。同时由于使用了电源转换系统A2，辅助电源可以方便的使用，比如使用小的方便移动的小容量蓄电池等。 
附图说明：
图1是本发明原理框图 
图2是本发明的1种电源转换原理 
图3是本发明的另1种电源转换原理图 
图4是本发明的另1种电源转换原理图 
图5是本发明超级电容组原理图 
图6是本发明超级电容充满指示原理图 

Claims (4)

1.一种超级电容发动机启动电源装置，其特征在于：电源转换系统A1、超级电容组储能系统E2、储能完成告警系统A2。其中电源转换系统A1的输入端口1、2接外部的辅助电源，电源转换系统A1的输出端口3与超级电容组储能系统E2的输入端口5连接，电源转换系统A1输出端口4与超级电容组储能系统E2的输入端口6连接。超级电容组储能系统E2的输出端口7与储能完成告警系统A2的端口9连接，同时超级电容组储能系统E2的输出端口7与负载正极连接，超级电容组储能系统E2的输出端口8与储能完成告警系统A2的端口10连接，同时超级电容组储能系统E2的输出端口8与负载的负极连接。其中A2的完成告警信号可以是以LED信号灯、蜂鸣器或开关信号。
2.如权利要求1所述的一种超级电容发动机启动电源装置，其特征在于：电源转换系统A1用于按照启动马达的需要，将任意形式辅助电源(可以是小容量蓄电池或交流电源)转换成启动马达的需要电源输送给超级电容组储能系统E2进行存储。其中辅助电源与电源转换系统A1的输入端1、2连接，电源转换系统A1的输出端3与超级电容组储能系统E2的输入端5连接，电源转换系统A1的输出端4与超级电容组储能系统E2的输入端6连接。其中电源转换系统A1的电路形式可以是电路，如图2BOOST非隔离升压形式电路构成、或如图3BUCK非隔离降压形式电路构成、或如图4隔离升降压形式电路构成。 
3.如权利要求1所述的一种超级电容发动机启动电源装置，其特征在于：超级电容组储能系统E2的输入端5与电源转换系统A1的输出端3连接，超级电容组储能系统E2的输入端6与电源转换系统A1的输出端4连接，超级电容组储能系统E2的输出端口7与储能完成告警系统A2的端口9连接，同时超级电容组储能系统E2的输出端口7与负载正极连接，超级电容组储能系统E2的输出端口8与储能完成告警系统A2的端口10连接，同时超级电容组储能系统E2的输出端口8与负载的负极连接。超级电容组储能系统E2用于存储启动马达启动发动机所需要的能量，超级电容组储能系统E2的系统构成如图5由若干超级电容串联或并联构成，以满足需要的电压和容量。 
4.如权利要求1所述的一种超级电容发动机启动电源装置，其特征在于：储能完成告警系统A2用于提供储能完成告警信号，提示操作人员或设备可以启动操作。储能完成告警系统A2的端口9与超级电容组储能系统E2的输出端口7连接。储能完成告警系统A2的端口10与超级电容组储能系统E2的输出端口8连接。储能完成告警系统A2的完成告警信号可以是以LED信号灯，蜂鸣器或开关信号。 
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