CN105291862A - 一种基于超级电容的汽车启停系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超级电容的汽车启停系统及方法，其中汽车启停系统包括控制器、启动机、蓄电池电压测量模块和第一支路，第一支路包括串接的第一电子开关和蓄电池，第一支路的两端分别连接在发电机和启动机的两端，还包括温度检测模块、电容电压测量模块、电路选择模块、第二支路，第二支路的两端分别连接在发电机和启动机的两端，第二支路包括串接的超级电容和第二电子开关，温度检测模块分别与发动机与控制器相连，电容电压测量模块分别与超级电容和控制器相连；第一电子开关、第二电子开关分别通过电路选择模块与控制器相连。本发明成本低廉，避免大电流冲击蓄电池，延长了蓄电池的使用寿命；具有冗余可靠性保障；提高了能源利用效率。

Description

一种基于超级电容的汽车启停系统及方法

技术领域

本发明属于汽车控制技术领域，特别涉及一种基于超级电容的汽车启停系统及方法。

背景技术

传统的汽车启停系统，在启动工况下都是采用蓄电池作为启动时刻启动机的能量来源。由于启动时刻电流较大，普通的铅酸蓄电池不能长期经受启动时刻大电流的冲击，寿命一般为3年到5年，因此现阶段具有启停功能的汽车一般采用使用寿命较长的钛酸锂电池。而钛酸锂电池价格较为昂贵并且制造工艺较为复杂，生产成本较高，从而影响了消费者的接受程度。

同时，传统的汽车启停系统在制动环节不能回收储存制动能量，从而造成制动时的制动能量流失，造成能量浪费。

发明内容

现有的汽车启停系统在启动时采用蓄电池作为启动时刻启动机的能量来源，蓄电池使用寿命较短，生产成本较高，同时在制动环节不能回收储存制动能量，造成能量浪费。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种基于超级电容的汽车启停系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于超级电容的汽车启停系统，包括控制器、启动机、蓄电池电压测量模块和第一支路，所述第一支路包括串接的第一电子开关和蓄电池，所述蓄电池电压测量模块分别与蓄电池和控制器相连，所述启动机通过发动机与发电机相连，所述启动机、发动机和发电机均和控制器相连，所述第一支路的两端分别连接在发电机的两端和启动机的两端，还包括温度检测模块、电容电压测量模块、电路选择模块、第二支路，所述第二支路的两端分别连接在发电机的两端和启动机的两端，所述第二支路包括串接的超级电容和第二电子开关，所述温度检测模块分别与发动机与控制器相连，所述电容电压测量模块分别与超级电容和控制器相连；所述第一电子开关、第二电子开关分别通过电路选择模块与控制器相连。

由于超级电容具备发功率充放电的性能，因此能够很好地适应汽车启停工况。蓄电池电压测量模块和温度检测模块，用以判断蓄电池容量和发动机温度是否满足系统工作逻辑。蓄电池电压测量模块，用以判断蓄电池容量是否充满。电容电压测量模块用于测量超级电容两端的电压，控制器根据超级电容两端的电压情况判断超级电容的工作状态是否正常以及是否能满足启动时的电量需求。当满足时，启动时由控制器控制第二电子开关选择超级电容作为启动时刻启动机的能量来源；当不满足时，启动时由控制器控制第一电子开关选择超级电容作为启动时刻启动机的能量来源。

进一步地，所述第一支路还包括与第一电子开关和蓄电池相串接的电感。

电感成本低廉，作为平抑大电流器件，进一步使得蓄电池免受大电流的冲击。

基于同一个发明构思，本发明还提供一种基于超级电容的汽车启停方法，使用所述的基于超级电容的汽车启停系统，在启停状态下，包括两种工作模式，一种为常规模式，另一种为智能模式；在常规模式下，当汽车处于怠速工况或制动工况时，控制器控制启动机、发动机和发电机关停，当汽车处于启动工况时，控制器控制电路选择模块通过第一电子开关选择蓄电池作为启动时刻启动机的能量来源；在智能模式下，当汽车处于怠速工况时，首先由控制器判断电容电压测量模块检测到的超级电容的电量是否满足下次启动时的需求，若满足，控制器控制发动机关停，若不满足，发动机通过发电机对超级电容充电，当汽车处于启动工况时，首先由控制器判断电容电压测量模块检测到的超级电容的电量是否满足本次启动时的需求，若满足，由控制器控制电路选择模块通过第二电子开关选择超级电容作为启动时刻启动机的能量来源，若不满足，由控制器控制电路选择模块通过第一电子开关选择蓄电池作为启动时刻启动机的能量来源。

进一步地，在智能模式下，当汽车处于制动工况时，首先由控制器判断电容电压测量模块检测到的超级电容的电量是否未充满，若充满，控制器控制发电机关闭，若未充满，控制器控制发电机对超级电容充电。

作为一种优选方式，在初始状态下，由控制器控制电路选择模块通过第一电子开关选择蓄电池作为启动时刻启动机的能量来源；在正常行驶状态下，由发动机带动发电机对蓄电池充电，直至充满。

作为一种优选方式，在启停状态下，当发动机温度大于设置值且超级电容两端的电压值正常时，汽车工作于智能模式，反之，汽车工作于常规启停模式。

作为一种优选方式，所述发动机温度的设置值的取值范围为80℃～100℃。

当发动机温度大于80℃～100℃时，发动机性能较好，能够满足智能模式的工作性能要求。

作为一种优选方式，所述发动机温度的设置值为90℃。

与现有技术相比，本发明成本低廉，启动时刻优选考虑能够承受大电流的超级电容带动启动机，避免大电流冲击蓄电池，延长了蓄电池的使用寿命；再者，本发明具有超级电容和蓄电池两张启动动力来源，具有冗余可靠性保障；最后，本发明能够将汽车制动过程中的制动能量回馈吸收，提高了能源利用效率。

附图说明

图1为本发明启停系统一实施例的结构示意图。

图2为本发明启停方法的流程图。

其中，1为发动机，2为温度检测模块，3为控制器，4为启动机，5为发电机，6为电容电压测量模块，7为第二电子开关，8为超级电容，9为蓄电池电压测量模块，10为电感，11为第一电子开关，12为蓄电池，13为电路选择模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明启停系统的一实施例包括控制器3、启动机4、蓄电池电压测量模块9和第一支路，所述第一支路包括串接的第一电子开关11和蓄电池12，所述蓄电池电压测量模块9分别与蓄电池12和控制器3相连，所述启动机4通过发动机1与发电机5相连，所述启动机4、发动机1和发电机5均和控制器3相连，所述第一支路的两端分别连接在发电机5的两端和启动机4的两端，其特征在于，还包括温度检测模块2、电容电压测量模块6、电路选择模块13、第二支路，所述第二支路的两端分别连接在发电机5的两端和启动机4的两端，所述第二支路包括串接的超级电容8和第二电子开关7，所述温度检测模块2分别与发动机1与控制器3相连，所述电容电压测量模块6分别与超级电容8和控制器3相连；所述第一电子开关11、第二电子开关7分别通过电路选择模块13与控制器3相连。

所述第一支路还包括与第一电子开关11和蓄电池12相串接的电感10。

如图2所示，本发明启停方法使用所述的基于超级电容8的汽车启停系统，在启停状态下，包括两种工作模式，一种为常规模式，另一种为智能模式；在常规模式下，当汽车处于怠速工况或制动工况时，控制器3控制启动机4、发动机1和发电机5关停，当汽车处于启动工况时，控制器3控制电路选择模块13通过第一电子开关11选择蓄电池12作为启动时刻启动机4的能量来源；在智能模式下，当汽车处于怠速工况时，首先由控制器3判断电容电压测量模块6检测到的超级电容8的电量是否满足下次启动时的需求，若满足，控制器3控制发动机1关停，若不满足，发动机1通过发电机5对超级电容8充电，当汽车处于启动工况时，首先由控制器3判断电容电压测量模块6检测到的超级电容8的电量是否满足本次启动时的需求，若满足，由控制器3控制电路选择模块13通过第二电子开关7选择超级电容8作为启动时刻启动机4的能量来源，若不满足，由控制器3控制电路选择模块13通过第一电子开关11选择蓄电池12作为启动时刻启动机4的能量来源。

本发明常规模式的工作流程由于与现有技术中的仅仅使用蓄电池12供电时的工作流程一致，在附图2中未详细体现。

在智能模式下，当汽车处于制动工况时，首先由控制器3判断电容电压测量模块6检测到的超级电容8的电量是否未充满，若充满，控制器3控制发电机5关闭，若未充满，控制器3控制发电机5对超级电容8充电。

在初始状态下，由控制器3控制电路选择模块13通过第一电子开关11选择蓄电池12作为启动时刻启动机4的能量来源；在正常行驶状态下，由发动机1带动发电机5对蓄电池12充电，直至充满。

在启停状态下，当发动机1温度大于设置值且超级电容8两端的电压值正常时，汽车工作于智能模式，反之，汽车工作于常规启停模式。

所述发动机1温度的设置值为90℃。

考虑到车载蓄电池12电压为12V，单个超级电容8充满电后的电压为2.5V，并且有衰减的情况，因此采用6个超级电容8串联作为一个模组的形式。

怠速时停止发动机1，减少尾气排放，节约油料消耗。一般汽车的怠速油耗为1L/小时，假设车辆在城市平均行驶速度20km/h，等待时间占总行驶时间20％，则每百公里可省油1升，理论上减少二氧化碳排放2.4kg，减少油料开支6元。以百公里8升油耗计算，此举可省油12.5％。以出租车一天运行400Km为例，此举每月可节约油耗近600元，半年之内节约油费可以超过硬件系统成本费用，以家用汽车一天运行40Km计算，每年可节约油费近千元。

在智能模式下，当汽车处于怠速工况，即在发动机1转速低于750r/min且温度不低于90℃的情况下，通过电容电压测量模块6以判断超级电容8的电量是否满足下次启动需要，如果超级电容8或蓄电池12所含能量能够确保下一次启动，此时，控制器3控制发动机1关停。

在智能模式下，当汽车处于制动工况，将发动机1动能通过发电机5转化为电能输出至超级电容8，并通过电容电压测量模块6以判断超级电容8的容量是否充满。

在智能模式下，制动过程中，发动机1带动发电机5工作，输出电能。发动机1动能为：

$\begin{array}{cc}{E}_1=\frac{1}{2}J(w_1^2-w_2^2)=37& kJ\end{array}$

约合0.01度电，其中J,w₁,w₂分别为电机的转动惯量和开始制动时刻发动机1转速和发电机5停止发电时发动机1转速。

由于车载发电机5功率为1600W，制动时间为5s,可以看出，在这段时间内以上得出的制动时发动机1能量不能完全被发电机5吸收并输出，因此发动机1能量能够被发电机5以电能形式输出的量为

E′₁＝PT＝8kJ

其中P,T分别为发电机5功率和发电持续时间(制动过程持续时间)。

在智能模式下，启动工况下，通过超级电容8或蓄电池12给启动机4供电，并通过启动机4带动发动机1发动，并通过电容电压测量模块6和蓄电池电压测量模块9，判断超级电容8和蓄电池12的容量，以选择启动机4的电源。

启动过程能量为怠速能量的30％,因此启动需要的能量为：

$E_3=30\%*\frac{1}{2}J*{w_2}^2=3.7kJ$

约合0.001度电，其中w₂为怠速时发动机1转速(750r/min)。

由此可知，制动时吸收的制动能量(8kJ)基本能够维持启动时所需要的能量(3.7kJ)。

Claims (8)

1.一种基于超级电容的汽车启停系统，包括控制器（3）、启动机（4）、蓄电池电压测量模块（9）和第一支路，所述第一支路包括串接的第一电子开关（11）和蓄电池（12），所述蓄电池电压测量模块（9）分别与蓄电池（12）和控制器（3）相连，所述启动机（4）通过发动机（1）与发电机（5）相连，所述启动机（4）、发动机（1）和发电机（5）均和控制器（3）相连，所述第一支路的两端分别连接在发电机（5）的两端和启动机（4）的两端，其特征在于，还包括温度检测模块（2）、电容电压测量模块（6）、电路选择模块（13）、第二支路，所述第二支路的两端分别连接在发电机（5）的两端和启动机（4）的两端，所述第二支路包括串接的超级电容（8）和第二电子开关（7），所述温度检测模块（2）分别与发动机（1）与控制器（3）相连，所述电容电压测量模块（6）分别与超级电容（8）和控制器（3）相连；所述第一电子开关（11）、第二电子开关（7）分别通过电路选择模块（13）与控制器（3）相连。

2.如权利要求1所述的基于超级电容的汽车启停系统，其特征在于，所述第一支路还包括与第一电子开关（11）和蓄电池（12）相串接的电感（10）。

3.一种基于超级电容的汽车启停方法，其特征在于，使用如权利要求1或2所述的基于超级电容的汽车启停系统，在启停状态下，包括两种工作模式，一种为常规模式，另一种为智能模式；在常规模式下，当汽车处于怠速工况或制动工况时，控制器（3）控制启动机（4）、发动机（1）和发电机（5）关停，当汽车处于启动工况时，控制器（3）控制电路选择模块（13）通过第一电子开关（11）选择蓄电池（12）作为启动时刻启动机（4）的能量来源；在智能模式下，当汽车处于怠速工况时，首先由控制器（3）判断电容电压测量模块（6）检测到的超级电容（8）的电量是否满足下次启动时的需求，若满足，控制器（3）控制发动机（1）关停，若不满足，发动机（1）通过发电机（5）对超级电容（8）充电，当汽车处于启动工况时，首先由控制器（3）判断电容电压测量模块（6）检测到的超级电容（8）的电量是否满足本次启动时的需求，若满足，由控制器（3）控制电路选择模块（13）通过第二电子开关（7）选择超级电容（8）作为启动时刻启动机（4）的能量来源，若不满足，由控制器（3）控制电路选择模块（13）通过第一电子开关（11）选择蓄电池（12）作为启动时刻启动机（4）的能量来源。

4.如权利要求3所述的基于超级电容的汽车启停方法，其特征在于，在智能模式下，当汽车处于制动工况时，首先由控制器（3）判断电容电压测量模块（6）检测到的超级电容（8）的电量是否未充满，若充满，控制器（3）控制发电机（5）关闭，若未充满，控制器（3）控制发电机（5）对超级电容（8）充电。

5.如权利要求3或4所述的基于超级电容的汽车启停方法，其特征在于，在初始状态下，由控制器（3）控制电路选择模块（13）通过第一电子开关（11）选择蓄电池（12）作为启动时刻启动机（4）的能量来源；在正常行驶状态下，由发动机（1）带动发电机（5）对蓄电池（12）充电，直至充满。

6.如权利要求3或4所述的基于超级电容的汽车启停方法，其特征在于，在启停状态下，当发动机（1）温度大于设置值且超级电容（8）两端的电压值正常时，汽车工作于智能模式，反之，汽车工作于常规启停模式。

7.如权利要求5所述的基于超级电容的汽车启停方法，其特征在于，所述发动机（1）温度的设置值的取值范围为80℃~100℃。

8.如权利要求7所述的基于超级电容的汽车启停方法，其特征在于，所述发动机（1）温度的设置值为90℃。