CN111864827A - 混合电源启动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合电源启动系统及其控制方法，其中系统包括：稀土电池启动单元和铅酸电池启动单元，所述稀土电池启动单元包括稀土电池模块和与所述稀土电池模块电连接的小型发动机，所述小型发动机连接设备中的小功率用电器件；所述铅酸电池启动单元包括铅酸电池模块和与所述铅酸电池模块电连接的大型发动机，所述大型发动机连接设备中的机械能器件、大功率用电器件和所述小功率用电器件；所述小型发动机通过铅酸电池充电器连接所述铅酸电池模块。本发明先通过稀土电池模块启动小型发动机，给小功率用电器件和铅酸电池模块供电，低温下铅酸电池模块可以较快升温以便启动大型发动机。

Description

混合电源启动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及动力电池终端应用技术领域，更为具体地，涉及一种混合电源启动系统及其控制方法。

背景技术

目前，重型卡车、装甲、柴油机等设备内需要大功耗输出的器件采用铅酸电池作为启动电源，而铅酸电池除了具有污染重、体积大、循环寿命短、自放电率高的弊端外，还具有很差的低温性能，在温度条件恶劣的工况下(-15℃以下)工作效率极低，导致装备车辆可以启动的次数骤减或无法正常启动。

现有技术中，如CN 110492037 A，一种启动电源，尽管比铅酸电池的低温性能有所改善，但在寒冷冬季或高海拔地区，尤其是-30℃，如果器件长时间搁置后，大功率输出下，启动电源输出电压会急剧下降，无法启动大型发动机的电机；如CN 110504503 A，一种汽车用启动电池控制系统及控制方法，采用锂离子电池，并提供加热装置，但同样存在器件长时间搁置后，锂离子电池自身加热就消耗完电量，不仅不能启动发动机的电机工作，自身还存在安全问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种混合电源启动系统及其控制方法，以稀土电池启动单元和铅酸电池启动单元作为混合启动能源，先通过稀土电池模块启动小型发动机，给小功率用电器件和铅酸电池模块供电，低温下铅酸电池模块可以较快升温以便启动大型发动机。

根据本发明的一个方面，提供了一种混合电源启动系统，包括：稀土电池启动单元和铅酸电池启动单元，其中：所述稀土电池启动单元包括稀土电池模块和与所述稀土电池模块电连接的小型发动机，所述小型发动机连接设备中的小功率用电器件；所述铅酸电池启动单元包括铅酸电池模块和与所述铅酸电池模块电连接的大型发动机，所述大型发动机连接设备中的机械能器件、大功率用电器件和所述小功率用电器件；所述小型发动机通过铅酸电池充电器连接所述铅酸电池模块。

所述稀土电池模块包括若干并联的单体稀土电池，所述稀土电池模块连接有电池保护板。

所述电池保护板包括相互连接的采集电路和逻辑电路，所述采集电路和所述逻辑电路均与所述若干并联的单体稀土电池连接，所述采集电路用于采集所述若干并联的单体稀土电池的电流、总电压、温度和单体稀土电池的电压；所述逻辑电路用于接收所述采集电路采集的数据，并根据所述数据控制所述若干并联的单体稀土电池的电量输入。

所述采集电路连接有智能显示屏，用于显示所述采集电路采集的数据。

所述电池保护板和所述稀土电池模块之间连接有第一启动开关，所述第一启动开关用于控制所述电池保护板的通电和断电。

在所述小型发动机上设置有第二启动开关，所述第二启动开关用于启动所述小型发动机。

所述第一启动开关包括自锁开关，所述第二启动开关包括非自锁开关。

所述铅酸电池模块包括若干并联或串联的铅酸电池，所述铅酸电池模块的最大电压为12V或24V。

所述稀土电池模块的最大电压为12V或24V。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述混合电源启动系统的控制方法，在低温和寒冷的环境温度下，先启动所述稀土电池启动单元，所述稀土电池模块为所述小型发动机供电，所述小型发动机为所述小功率用电器件和所述铅酸电池模块提供能量；所述小型发动机工作设定的时间之后，启动所述铅酸电池启动单元，所述铅酸电池模块为所述大型发动机供电，所述大型发动机为所述小功率用电器件、所述大功率用电器件和所述机械能器件提供能量；关闭所述稀土电池启动单元；在常温的环境温度下，直接启动所述铅酸电池启动单元。

利用上述根据本发明的混合电源启动系统及其控制方法，以稀土电池启动单元和铅酸电池启动单元作为混合启动能源，两种启动单元又彼此独立，稀土电池作为小型发动机的启动电源，小型发动机可以给铅酸电池充电预热，铅酸电池在低温下可以较快启动大型发动机。实现了稀土电源和铅酸电池两者优势的集成，解决了铅酸电池低温下难启动，大型发动机长时间待命能耗高的问题。提高了在低温下铅酸电池的工作效率和寿命，提高了大型装备和车辆的启动电源工作效率。稀土电池具有具备绿色环保、高容量、低温高温性好的优点。本发明能够解决极寒或高海拔冬季设备中的器件因启动电源被冻住而无法工作的难题，可以满足-55℃～80℃环境温度内的启动需要，通过大型发动机和小型发动机结合，实现稀土电池和铅酸电池两者优势的集成，可以直接应用在北极和南极这样极寒的地区。

稀土电池启动单元和铅酸电池启动单元彼此独立，根据环境温度选择启动方式，极大提高本混合电源启动系统在全寿命周期、全天候工况下的可靠性。

本系统不改变现有发动机启动模式，也不进行通讯，简单可靠，方便推广应用。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明的混合电源启动系统的结构构成示意图；

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

名词解释

稀土电池：采用水系电解液，自身非常安全，所用KOH作为电解质与纯水组成的电解液，在所有动力蓄电池电解液中具有最高的电导率，因此，稀土新电源还具有超高的功率输出，能满足车辆在任何工况下的功率需求；此外，稀土新电源负极采用分层涂布实现了镍氢电池能量密度和非对称超级电容器功率密度兼具的优势，具有超长的循环寿命和耐极端低温性能，-40℃可以放出80％的电量，-55℃可以放出50％的电量。因此，稀土新电源可以作为低温下的启动电源，满足小型发动机全天候工况下的启动需求。

铅酸电池：采用动力型号，作为大型发动机的启动电源。铅酸电池非常稳定可靠，还能经受长时间浮充，与现有大型发动机具有上百年的工程技术结合，可以适应多种工况下的启动；尽管在低温下输出功率急剧下降，但可以通过充电，从内部进行加热，可以快速恢复大功率输出能力，从而实现在极低温度下对大型起动机的启动能力，因此，选择铅酸电池作为大型发动机的启动电源，稳定功率输出，寿命和可靠性获得极大提高。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

实施例1

图1为根据本发明的混合电源启动系统的结构构成示意图；

如图1所示，本实施例提供了一种混合电源启动系统，有利于以铅酸电池为启动电源的大功率设备在低温下的启动。包括稀土电池启动单元和铅酸电池启动单元，在大功率设备原有的铅酸电池启动单元的基础上增加了稀土电池启动单元，稀土电池启动单元用于启动设备中功率较小的器件，并同时为铅酸电池启动单元预热，提高铅酸电池的温度，有助于铅酸电池启动单元的启动。

铅酸电池启动单元包括铅酸电池模块和与铅酸电池模块电连接的大型发动机，铅酸电池模块为大型发动机供电，启动大型发动机。大型发动机为设备中的大功率的发动机，功率>20KW。大型发动机通过AC/DC转换器连接设备中的所有用电器件，为其提供电能，所有用电器件包括大功率用电器件和小功率用电器件，AC/DC转换器用于将发动机产生的交流电能转化为用电器件所需的直流电能。大型发动机还连接设备中的机械能器件，为其提供机械能。铅酸电池模块包括若干并联或串联的铅酸电池，铅酸电池模块的最大电压为12V或24V。

稀土电池启动单元包括稀土电池模块和与稀土电池模块电连接的小型发动机，稀土电池模块为小型发动机供电，在小型发动机设置有第二启动开关，用于启动和关闭小型发动机。小型发动机为设备中的小功率的发动机，额定功率≤20KW。小型发动机通过AC/DC转换器连接设备中的小功率用电器件，例如加热取暖装置、照明装置、仪表装置等，为其提供电能。第二启动开关包括非自锁开关。

小型发动机还通过铅酸电池充电器连接铅酸电池模块并为铅酸电池模块充电。在低温下，触动第二启动开关，小型发动机启动，稀土电池模块为其供电，小功率用电器件得电工作，同时铅酸电池充电器从小型发动机取电，给铅酸电池模块充电，在低温下的铅酸电池模块，伴随充电过程，内部温度快速稳定上升，从而实现铅酸电池模块在低温下启动大型发动机。大型发动机启动后，设备中的所有用电器件和机械能器件均由大型发动机提供能量。触动第二启动开关关闭小型发动机，稀土电池模块停止给小型发动机供电，小型发动机也停止了对酸电池模块的充电。

本实施例中的稀土电池模块包括若干并联的单体稀土电池，稀土电池模块的最大电压为12V或24V，容量可以满足宽温度范围内启动额定功率≤20KW的小型发动机。小型发动机功率越大，需要启动的电流就更大，但稀土电池在低温下长时间搁置后，输出电压会瞬间下降，尽管电流输出很高，但整体功率很小，难以启动大功率发动机，而小型发动机功率通常比较小，同时输出的功率能满足照明、红外仪、通信等小型器件的功耗需求，还能降低待命工作下的油耗与振动度。

若干并联的单体稀土电池连接有电池保护板，电池保护板包括相互连接的采集电路和逻辑电路，采集电路和逻辑电路均与若干并联的单体稀土电池连接。采集电路用于采集稀土电池模块的电流、单体稀土电池的电压、总电压、电池温度等参数；逻辑电路用于接收采集电路采集的参数数据，并根据数据通过芯片程序进行计算判断，稀土电池模块充入电量达到设定值，从而对稀土电池模块输入端发出指令，关闭输入，停止对稀土电池模块充电，保护稀土电池模块。

电池保护板的采集电路还连接有智能显示屏，用于显示采集电路采集的参数数据，便于查看稀土电池模块的状态。

电池保护板和稀土电池模块之间连接有第一启动开关，第一启动开关为自锁开关，控制电池保护板的断电和通电。由于稀土电池不能浮充，需要电池保护板对其进行保护，电池保护板内部有集成的MOS开关，对外输出不控制，但控制外部对内的输入。但电池保护板自身会耗电，稀土电池自身带电量不足以支持半年以上的自我损失，因此，设置第一启动开关控制电池保护板与稀土电池的电连接，可以人工触动第一启动开关给电池保护板上电和断电，节约稀土电池模块自身的电量。智能显示屏在稀土电池模块旁边，方便人工维修或更换时直接观察。

在实际应用中，铅酸电池能量密度低，体积大，为了方便安装，通常分组，若是吊装方便，就不用分组，这种通常用在固定场所；若是移动的设备中的器件，通常分两组或四组；组合为24V或12V体系。稀土电池能量密度比较高和电池保护板集成，直接一组就可以，但电压体系需要和铅酸电池一致，如铅酸电池模块电压体系为24V，稀土电池模块电压体系也是24V。方便在特殊情况下稀土电池模块和铅酸电池模块可以互换代替使用。

实施例2

本实施例提供了一种混合电源启动系统的控制方法，对实施例1中的混合电源启动系统进行控制。

在低温下和寒冷的环境温度下，先启动稀土电池启动单元，稀土电池模块为小型发动机供电，小型发动机为小功率用电器件和铅酸电池模块提供能量。小型发动机工作设定的时间之后，启动铅酸电池启动单元，铅酸电池模块为大型发动机供电，大型发动机为小功率用电器件、大功率用电器件和机械能器件提供能量。铅酸电池启动单元启动后，关闭稀土电池启动单元。

在低温下，低温设定为环境温度为-15℃-8℃。不论设备中的哪种功率的器件需要工作，先启动稀土电池启动单元。具体为触动第一启动开关，电池保护板得电，可以同时查看智能显示屏的电池参数，若参数数据合理，说明稀土电池模块状态良好；再触动第二启动开关，启动小型发动机，稀土电池模块开始给小型发动机供电，小型发动机给小功率用电器件供能工作，同时通过铅酸电池充电器给铅酸电池模块充电；若需要大功率用电器件和机械能器件工作，则小型发动机工作设定的时间后，可启动大型发动机，铅酸电池模块开始给大型发动机供电，大型发动机从而带动大功率用电器件、小功率用电器件和机械能器件工作；触动第二启动开关，关闭小型发动机，停止稀土电池启动单元的工作。

小型发动机启动后，通过铅酸电池充电器直接给铅酸电池模块充电，铅酸电池在充电过程中，内部温度逐渐上升，设定的时间可为5分钟，5分钟基本足够上升到大功率输出能力，这个时候再启动大型发动机较好。

在寒冷的温度下，寒冷的温度设定为环境温度为-15℃以下。先触动第一启动开关，电池保护板得电，可以同时查看智能显示屏的电池参数，若参数数据合理，说明稀土电池模块状态良好。再触动第二启动开关，启动小型发动机，小型发动机得电工作，同时通过铅酸电池充电器给铅酸电池模块充电；若需要大功率用电器件和机械能器件工作，则小型发动机工作设定的时间后，可启动大型发动机，大型发动机工作，从而带动大功率用电器件、小功率用电器件和机械能器件工作；触动第二启动开关，关闭小型发动机。但是，铅酸电池模块在温度极低时，启动较易失败，若在第一次启动大型发动机失败后，可间隔2分钟后再次启动大型发动机，直到启动成功，触动第二启动开关，关闭小型发动机。

由于环境温度太低，设备的器件搁置时间太长，铅酸电池完全被冻住，小型发动机尽管发电5分钟，给铅酸电池模块充电5分钟，可以间隔2分钟后再启动，多次启动大型发动机，直到启动成功。这期间，小型发动机一直工作中，也就一直在给铅酸电池模块充电，充不进去的电转化为热量给铅酸电池模块加热。

如果在常温下，常温设定在8℃以上。两种启动单元是彼此独立的，常温下，铅酸电池模块不需要加热，可以不用启动小型发动机，即无需稀土电池启动单元工作，直接采用铅酸电池启动单元，启动大型发动机工作。

根据本混合电源启动系统的具体工作场景，举例如下：

例1：

某80t载重的重型卡车在现有基础上安装一个20KW小型发动机和一组24V/200Ah稀土电池模块，小型发动机产生的电量可以满足车载信号发射器、加热取暖等小功耗用电器件的需要。

a、在20±-5℃的室外环境下，设备的器件搁置10天，对大型发动机启动测试，铅酸电池启动单元一次启动成功；用稀土电池模块对小型发动机启动，也一次启动成功，小型发动机给铅酸电池模块充电，器件上的信号发射器等工作，器件处于待命状态。

b、在-40±2℃的实验环境下，设备的器件冷冻10天，对大型发动机启动测试，铅酸电池启动单元无法启动，启动失败；用稀土电池模块对小型发动机启动，一次启动成功，小型发动机给铅酸电池模块充电，器件上的信号发射器等工作，器件处于待命状态，5分钟后启动大型发动机，也一次启动成功，大型发动机开始工作。

c、在-55±2℃的实验环境下，模拟极地地区的室外环境，系统器件冷冻10天，对大型发动机启动测试，铅酸电池启动单元无法启动，启动失败；对小型发动机启动，一次启动成功，小型发动机给铅酸电池模块充电，器件上的信号发射器等工作，器件处于待命状态，5分钟后启动大型发动机，如启动失败，间隔2分钟后启动成功，大型发动机开始工作。

例1重型卡车用本混合电源启动系统在全天候下均可可靠工作，小型发动机在低温下可以一次启动，整体降低车载自身油料消耗速度的同时，还能满足车载人员基本的取暖需求和信号发射器等用电工作，使重型卡车自身油料只能满足大型发动机待命工作24h基础上提高到两个月，极大满足极寒地区的重型卡车工作，也能满足同类型重量或重量更重的军用装甲在极寒地区工作需要。

例2

东北某柴油发电机组旁边增加一个5KW小型发动机和一组12V/100Ah稀土电池模块，小型发动机产生的电量可以满足数个工作人员生活基本用电器件等需要。

a、在20±-5℃的室外环境下，设备的器件搁置10天，对大型发动机启动测试，铅酸电池启动单元一次启动成功；用稀土电池模块对小型发动机启动，也一次启动成功，小型发动机给铅酸电池模块充电，器件上的信号发射器等工作，器件处于待命状态。

b、在-40±2℃的东北黑河冬季测试，设备的器件冷冻20天，对大型发动机启动测试，铅酸电池模块无法输出，启动失败；用稀土电池模块对小型发动机启动，一次启动成功，小型发动机给铅酸电池模块充电，器件上的信号发射器等工作，器件处于待命状态，5分钟后启动大型发动机，也一次启动成功，大型发动机开始工作。

c、在-55±2℃的实验环境下，模拟极地地区的室外环境，设备的器件冷冻10天，对大型发动机启动测试，铅酸电池模块无法输出，启动失败；用稀土电池模块对小型发动机启动，一次启动成功，小型发动机给铅酸电池模块充电，器件上的信号发射器等工作，器件处于待命状态，5分钟后启动大型发动机，启动失败，间隔2分钟后启动成功，大型发动机开始工作。

例2柴油发电机用本混合电源启动系统在极端气候下能正常启动，在不改变现有装置的情况下，设备的器件低温工作能力得到极大提升，也能满足同类型装置在南极或北极工作站发电装置工作需要。

Claims (10)

1.一种混合电源启动系统，其特征在于，包括：稀土电池启动单元和铅酸电池启动单元，其中：

所述稀土电池启动单元包括稀土电池模块和与所述稀土电池模块电连接的小型发动机，所述小型发动机连接设备中的小功率用电器件；

所述铅酸电池启动单元包括铅酸电池模块和与所述铅酸电池模块电连接的大型发动机，所述大型发动机连接设备中的机械能器件、大功率用电器件和所述小功率用电器件；

所述小型发动机通过铅酸电池充电器连接所述铅酸电池模块。

2.如权利要求1所述的混合电源启动系统，其特征在于，所述稀土电池模块包括若干并联的单体稀土电池，所述稀土电池模块连接有电池保护板。

3.如权利要求2所述的混合电源启动系统，其特征在于，所述电池保护板包括相互连接的采集电路和逻辑电路，所述采集电路和所述逻辑电路均与所述若干并联的单体稀土电池连接，所述采集电路用于采集所述若干并联的单体稀土电池的电流、总电压、温度和单体稀土电池的电压；所述逻辑电路用于接收所述采集电路采集的数据，并根据所述数据控制所述若干并联的单体稀土电池的电量输入。

4.如权利要求3所述的混合电源启动系统，其特征在于，所述采集电路连接有智能显示屏，用于显示所述采集电路采集的数据。

5.如权利要求2所述的混合电源启动系统，其特征在于，所述电池保护板和所述稀土电池模块之间连接有第一启动开关，所述第一启动开关用于控制所述电池保护板的通电和断电。

6.如权利要求1所述的混合电源启动系统，其特征在于，在所述小型发动机上设置有第二启动开关，所述第二启动开关用于启动所述小型发动机。

7.如权利要求5或6所述的混合电源启动系统，其特征在于，所述第一启动开关包括自锁开关，所述第二启动开关包括非自锁开关。

8.如权利要求1所述的混合电源启动系统，其特征在于，所述铅酸电池模块包括若干并联或串联的铅酸电池，所述铅酸电池模块的最大电压为12V或24V。

9.如权利要求1所述的混合电源启动系统，其特征在于，所述稀土电池模块的最大电压为12V或24V。

10.一种如权利要求1-9任意一项所述的混合电源启动系统的控制方法，其特征在于，包括：

在低温和寒冷的环境温度下，先启动所述稀土电池启动单元，所述稀土电池模块为所述小型发动机供电，所述小型发动机为所述小功率用电器件和所述铅酸电池模块提供能量；

所述小型发动机工作设定的时间之后，启动所述铅酸电池启动单元，所述铅酸电池模块为所述大型发动机供电，所述大型发动机为所述小功率用电器件、所述大功率用电器件和所述机械能器件提供能量；关闭所述稀土电池启动单元；

在常温的环境温度下，直接启动所述铅酸电池启动单元。

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