CN114421559A - 一种点火启动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机点火启动装置，包括控制装置、超级电容串、可充电池组和主动均衡电路，超级电容串为发动机提供大电流启动点火能量，超级电容串和可充电池组向控制装置提供自身的工作状态，主动均衡电路根据控制装置下发的充电指令，将发电机产生的电能通过超级电容串输入可充电池组，使可充电池组保持在最佳充电状态，同时均衡超级电容串中各超级电容单体电压；主动均衡电路还可以根据控制装置下发的电荷补充指令，将可充电池组提供的电荷补充能量输入超级电容串，并与此同时均衡各超级电容单体的电压。本发明将超级电容串和可充电池组进行了结合，以保持各个超级电容单体的最佳且均衡的工作电压，并使可充电池组处于最佳充电状态。

Description

一种点火启动装置

技术领域

本发明涉及点火启动技术领域，更具体的说，涉及一种点火启动装置。

背景技术

现有的点火启动装置的启动方式包括：(1)铅酸电池启动，优势为：便宜，但是容易造成严重污染，寿命短，天冷启动困难，体积重量大。(2)锂电池启动，锂电池的寿命比铅酸电池长，体积重量相对降低。但是锂电池在低温充电时容易发生内部短路，造成锂电池损坏。另外，采用锂电池需要配置电池保护板，以防止单串电池过压或欠压，因此，硬件成本高。锂电池启动时的大电流使得锂电池电压难以保证高于电压下限，尤其在电量低的情况下，锂电池的启动时的电压相对较低，容易造成电池损坏。(3)大容量超级电容启动。相对于铅电池和锂电池而言，寿命长，安全，体积和重量均有优势，但是价格高，漏电严重，长期搁置会因为漏电过度而无法启动，而长期使用还可能会因电容不均衡造成超级电容损坏。

因此，如何提供一种点火启动装置克服现有启动装置存在的上述问题，成为了本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明公开一种点火启动装置，根据超级电容功率密度高和电池能量密度高的特点，将超级电容串和可充电池组进行了结合，采用主动均衡方式保持超级电容串的最佳且均衡的工作电压，并使可充电池组处于最佳充电状态，从而实现对超级电容串和可充电池组的双重保护，不仅具有整个点火过程顺畅，寿命长，安全，长期搁置仍能保证启动点火可靠的优势，而且还具有重量轻，体积小的特点。

一种点火启动装置，包括：控制装置、超级电容串、可充电池组和主动均衡电路；

所述超级电容串与所述控制装置连接，用于为发动机点火提供大电流启动点火能量，以及向所述控制装置提供自身的工作状态；

所述可充电电池组与所述控制装置连接，用于向所述控制装置提供自身的工作状态；

所述主动均衡电路分别与所述控制装置、所述超级电容串和所述可充电池组连接，用于根据所述控制装置下发的充电指令，导通所述可充电池组和所述超级电容串之间的通路，并将所述发动机驱动的发电机产生的电能通过所述超级电容串输入所述可充电池组，使所述可充电池组保持在最佳充电状态，并在对所述可充电池组充电的同时均衡所述超级电容串中各个超级电容单体的电压，使所述超级电容串中各个超级电容单体的电压一致；以及根据所述控制装置下发的电荷补充指令，导通所述可充电池组和所述超级电容串之间的通路，将所述可充电池组提供的电荷补充能量输入所述超级电容串，并在对所述超级电容串补充能量的同时均衡所述超级电容串中各个超级电容单体的电压。

可选的，所述可充电池组为单串可充电池或多串可充电池。

可选的，所述主动均衡电路包括：开关矩阵电路；

所述开关矩阵电路用于使所述超级电容串中任意两个相邻串联的超级电容的正负极与所述可充电池组的正负极构成的一条回路，在接收到所述控制装置下发的所述充电指令时，通过控制相应开关的导通和关断，实现所述超级电容串向所述可充电池组充电；

所述开关矩阵电路还用于使所述超级电容串中任意一个超级电容单体的正负极与所述可充电池组的正负极构成的一条回路，在接收到所述控制装置下发的所述电荷补充指令时，通过控制相应开关的导通和关断，实现所述可充电池组向所述超级电容串提供电荷补充能量，并均衡所述超级电容串中各个超级电容单体的电压。

可选的，所述开关矩阵电路为继电器，所述继电器具有多个触点开关，所述继电器的控制端与所述控制装置连接。

可选的，所述开关矩阵电路包括多个场效应管，每个所述场效应管的控制端与所述控制装置连接。

可选的，所述开关矩阵电路包括继电器和场效应管，所述继电器的控制端和各个所述场效应管的控制端均与所述控制装置连接。

可选的，当所述点火启动装置处于闲置待机状态时，所述超级电容串在发电机处于开启状态的情况下，通过所述发电机充电，以使所述超级电容串两端的电压与所述发电机的电压一致；

当所述发电机处于停止状态时，所述超级电容串处于自放电状态，所述开关矩阵电路中所有的开关均处于关断状态，当所述控制装置在确定所述超级电容串的电压低于设定值时，向所述主动均衡电路下发电荷补充指令，所述主动均衡电路轮流导通各个超级电容单体与电池的回路，向各个电容单体补充电荷并均衡各个超级电容单体的电压，使所述超级电容串两端的电压能够启动发动机。

可选的，当所述点火启动装置处于电压采样状态时，将回路开关与所述可充电池组的正极连接的一端确定为所述可充电池组的电池电压采样点，将所述回路开关远离所述可充电池组，且与所述超级电容串连接的一端确定为所述超级电容串的电容电压采样点；

其中，所述回路开关与所述可充电池组的两端通过多路开关连接均衡充放电总线。

可选的，当发电机处于运行状态时，所述控制装置在确定所述可充电池组的电压低于设定值时，向所述主动均衡电路下发电荷补充指令，由所述主动均衡电路导通所述可充电池组和所述超级电容串之间的通路，实现所述超级电容串向所述可充电池组提供电荷补充能量；

当发电机处于停止状态时，所述控制装置在确定所述超级电容串的电压低于设定值时，向所述主动均衡电路下发电荷补充指令，使所述主动均衡电路轮流导通各个超级电容单体与所述可充电池组的回路，由所述可充电池组向各个超级电容单体补充电荷并均衡各个超级电容单体的电压，使所述超级电容串两端的电压能够启动发动机。

可选的，在所述发电机处于停止状态时，所述控制装置在确定所述可充电池组的电池电量低于预定值时，所述控制装置停止运行或处于低功耗状态，并不再给所述超级电容串补充能量，整个点火启动状态进入省电待机状态。

从上述的技术方案可知，本发明公开了一种点火启动装置，包括控制装置、超级电容串、可充电池组和主动均衡电路，超级电容串为发动机点火提供大电流启动点火能量，超级电容串和可充电电池组向控制装置提供自身的工作状态，主动均衡电路作为可充电池组和超级电容串之间的连接纽带，根据控制装置下发的充电指令，导通可充电池组和超级电容串之间的通路，并采用主动均衡方式将发电机产生的电能通过超级电容串输入可充电池组，使可充电池组保持在最佳充电状态，同时均衡超级电容串中的各个超级电容单体的电压；主动均衡电路根据控制装置下发的电荷补充指令，导通可充电池组和超级电容串之间的通路，将可充电池组提供的电荷补充能量输入超级电容串，并在对超级电容串补充能量的同时均衡超级电容串中各个超级电容单体的电压。本发明根据超级电容功率密度高和电池能量密度高的特点，将超级电容串和可充电池组进行了结合，采用主动均衡方式保持超级电容串中各个超级电容单体的最佳且均衡的工作电压，并使可充电池组处于最佳充电状态，从而实现对超级电容串和可充电池组的双重保护，不仅具有整个点火过程顺畅，寿命长，安全，长期搁置仍能保证启动点火可靠的优势，而且还具有重量轻，体积小的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据公开的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种点火启动装置的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种汽车启动系统的拓扑线路图；

图3为本发明实施例公开的另一种汽车启动系统的拓扑线路图；

图4为本发明实施例公开的一种汽车启动系统中对超级电容串的充电电流示意图；

图5为本发明实施例公开的一种汽车启动系统中对可充电池组的充电电流示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种点火启动装置，包括控制装置、超级电容串、可充电池组和主动均衡电路，超级电容串为发动机点火提供大电流启动点火能量，超级电容串和可充电电池组向控制装置提供自身的工作状态，主动均衡电路作为可充电池组和超级电容串之间的连接纽带，根据控制装置下发的充电指令，导通可充电池组和超级电容串之间的通路，并采用主动均衡方式将发电机产生的电能通过超级电容串输入可充电池组，使可充电池组保持在最佳充电状态，同时均衡超级电容串中的各个超级电容单体的电压；主动均衡电路根据控制装置下发的电荷补充指令，导通可充电池组和超级电容串之间的通路，将可充电池组提供的电荷补充能量输入超级电容串，并在对超级电容串补充能量的同时均衡超级电容串中各个超级电容单体的电压。本发明根据超级电容功率密度高和电池能量密度高的特点，将超级电容串和可充电池组进行了结合，采用主动均衡方式保持超级电容串中各个超级电容单体的最佳且均衡的工作电压，并使可充电池组处于最佳充电状态，从而实现对超级电容串和可充电池组的双重保护，不仅具有整个点火过程顺畅，寿命长，安全，长期搁置仍能保证启动点火可靠的优势，而且还具有重量轻，体积小的特点。

参见图1，本发明实施例公开的一种点火启动装置的结构示意图，该装置包括：控制装置11、超级电容串12、可充电池组13和主动均衡电路14。

其中：

超级电容串12与控制装置11连接，用于为发动机点火提供大电流启动点火能量，以及向控制装置11提供自身的工作状态，比如，超级电容单体电压、温度等。

本实施例中，超级电容串12由多个超级电容单体串联得到，超级电容串12中包含的超级电容单体的数量依据实际需要而定，本发明在此不做限定。

本实施例中，超级电容串12的内阻与现有技术中铅酸启动电池的内阻差不多。

通常超级电容单体的工作电压上限为2.7V或3.0V，如果使用内阻与传统电池相当的超级电容单体，则超级电容单体的体积和重量可以大幅度降低。考虑到发电机输出电压14V左右，需要匹配6串2.7V或5串3.0V的超级电容单体。而超级电容串在充满状态下的总电压的上限16.2V或15V。在电容均衡的状态下，发电机14V电压平均在每个超级电容单体上的电压为2.33V或2.8V。即使各个超级电容单体之间有一定的不均衡，仍然能够确保电压不超过超级电容单体的上限。如果加入电容均衡功能，那么发电机的启动电压可以保持在14V左右。

本发明公开的点火启动装置在发电机停止状态下可以对每各超级电容单体的电压进行设置，使得超级电容串12的总电压保持在14V左右。14V电压会使得发电机启动点火过程变得顺畅。

主动均衡电路14分别与所述控制装置11、所述超级电容串12和所述可充电池组13连接，主动均衡电路14用于根据所述控制装置11下发的充电指令，导通所述可充电池组13和所述超级电容串12之间的通路，并将发动机驱动的发电机产生的电能通过所述超级电容串12输入所述可充电池组13，使所述可充电池组13保持在最佳充电状态，并在对所述可充电池组充电的同时均衡超级电容串12中的各个超级电容单体的电压，使所述超级电容串12中各个超级电容单体的电压一致；以及根据所述控制装置11下发的电荷补充指令，导通可充电池组13和超级电容串12之间的通路，将所述可充电池组13提供的电荷补充能量输入所述超级电容串12，并在对所述超级电容串12补充能量的同时均衡所述超级电容串12中各个超级电容单体的电压。

本发明可以通过主动均衡电路14将发电机产生的电能通过超级电容串12补充给可充电池组13，使可充电池组13保持在最佳充电状态。在可充电池组13充电的同时均衡超级电容串12中的各个超级电容单体电压，保证各个超级电容单体不会受到过压的损伤。

本发明在发动机停止状态下，可以通过主动均衡电路14将可充电池组13存储的电能补充给超级电容串的各个单体，使超级电容串12两端的电压满足发动机启动条件。在补充电能的同时均衡超级电容串12中的各个超级电容单体的电压。

本实施例中，可充电池组13可以为单串可充电池或多串可充电池。在实际应用中，可充电池组13优选单串可充电池，只需要保证单串可充电电池的容量能够足以补偿在发动机停止期间由超级电容串12自放电造成的电荷损失。

需要特别说明的是，可充电池组13通过超级电容串12间接充电，可充电池组13不直接参与发电机的点火启动，并且无需具备均衡功能。

综上可知，本发明公开了一种点火启动装置，包括控制装置11、超级电容串12、可充电池组13和主动均衡电路14，超级电容串12为发动机点火提供大电流启动点火能量，超级电容串12和可充电电池组向控制装置11提供自身的工作状态，主控均衡电路14作为可充电池组13和超级电容串12之间的连接纽带，根据控制装置11下发的充电指令，导通可充电池组13和超级电容串12之间的通路，并采用主动均衡方式将发电机产生的电能通过超级电容串12输入可充电池组13，使可充电池组13保持在最佳充电状态，同时均衡超级电容串12中的各个超级电容单体的电压；主控均衡电路14根据控制装置11下发的电荷补充指令，导通可充电池组13和超级电容串12之间的通路，将可充电池组13提供的电荷补充能量输入超级电容串12，并在对超级电容串12补充能量的同时均衡超级电容串12中各个超级电容单体的电压。本发明根据超级电容功率密度高和电池能量密度高的特点，将超级电容串12和可充电池组13进行了结合，采用主动均衡方式保持超级电容串12中各个超级电容单体的最佳且均衡的工作电压，并使可充电池组13处于最佳充电状态，从而实现对超级电容串12和可充电池组13的双重保护，不仅具有整个点火过程顺畅，寿命长，安全，长期搁置仍能保证启动点火可靠的优势，而且还具有重量轻，体积小的特点。

下面以汽车点火系统为例，对本发明公开的点火启动装置的工作原理进行说明，具体如下：

可充电池组13采用单串三元锂电池，标称电源为3.7V，实际电压需保持在2.7V和4.2V之间，可充电池组13也可以采用单串磷酸铁锂电池，标称电压为3.3V，电压需保持在2.5V和3.7V之间。当然也可以采用其他类型的可充电池组。

考虑到低温特性，在寒冷地区可充电池组13可使用单串三元锂电池。该单串三元锂电池用于补充由于超级电容串12自放电产生的电压下降以及其他在发电机停止状态下电路系统的电量消耗，其容量可以根据实际需要确定。

需要特别说明的是，本发明的中可充电池组13并不直接参与启动点火过程，而仅仅起到存储能量和补充能量的作用，并在存储和补充能量的同时通过主动均衡的方式将平衡各个超级电容单体的电压。

本发明启动发动机所需要的瞬间能量由超级电容串12提供。按照500F低内阻超级电容的指标，其直流内阻在2毫欧以内，1kHz内阻小于1毫欧，6串超级电容单体(即超级电容串12中有6串超级电容单体)的总内阻不超过10毫欧。如果启动电流在启动瞬间为700A，以14V超级电容串总电压估算，超级电容串12由于内阻产生的压降小于0.01X700，即7V。因此超级电容串12在700A负载条件下的输出电压应大于14V-7V＝7V。这个输出电压随发动机的启动迅速回升，因此完全满足启动点火的需要。

如果需要更大的电流，则需要更低内阻的超级电容单体。超级电容单体充满72小时后的漏电流一般在2毫安以下。按照这个漏电流，如果持续30天通过补充漏电流来维持一串超级电容单体的电压，则电池的容量＝0.002Ax30x24＝1.44Ah。因为需要补充的漏电流是6串超级电容单体，因此补充漏电流电池的容量应该是8.7Ah以下。考虑到充放电效率和充放电电流的大小，可以选择单串20Ah的锂电池，这个电池容量可以维持大约3个月的漏电损失。当然，更大容量的锂电池会使得时间延长更久。

本发明还考虑到超级电容串长期搁置的情况，在持续补充漏电流一定时间后，当锂电池电量达到一个低限时，锂电池停止为超级电容串补电并将控制系统置于休眠状态。当控制装置11获得发动机启动信号之后，主动均衡电路14开始给每串超级电容单体充电，片刻之后发动机可以获得启动点火所需要的启动电压。因此，本发明的启动系统可以根据使用场景选择不同的待机模式。

本发明中主动均衡电路14可以为开关矩阵电路；

开关矩阵电路用于使超级电容串12中任意两个相邻串联的超级电容单体的正负极与可充电池组13的正负极构成的一条回路，在接收到所述控制装置11下发的充电指令时，通过控制相应开关的导通和关断，实现所述超级电容串12向可充电电池13组充电。

所述开关矩阵电路还用于使所述超级电容串12中任意一个超级电容单体的正负极与可充电池组13的正负极构成的一条回路，在接收到控制装置11下发的电荷补充指令时，通过控制相应开关的导通和关断，实现所述可充电池组13向所述超级电容串12提供电荷补充能量，并均衡所述超级电容串12中各个超级电容单体的电压。

本发明中超级电容串12和可充电池组13之间无需设置双向DCDC开关电源电压转换电路，仅仅通过开关矩阵电路，并结合超级电容串12就能够实现超级电容串12和可充电池组13之间的双向能量转换，并能够保证超级电容串12单体之间的电压处于均衡状态。与此同时，可充电池组13不存在均衡问题，只需要保证可充电池组13的电压处于电压上限和电压下限之间。因此可以使得整个系统的安全性、可靠性和寿命都优于传统的点火启动方式。

在实际应用中，开关矩阵电路为继电器，所述继电器具有多个触点开关，所述继电器的控制端与所述控制装置连接。开关矩阵电路中也可以包括多个场效应管，每个场效应管的控制端与控制装置连接，其中，场效应管可以为NMOS或是PMOS管。在实际应用中，开关矩阵电路可以同时包括继电器和场效应管，继电器的控制端以及各个场效应管的控制端均与控制装置连接。

针对开关矩阵电路为继电器和场效应管的情况，为便于理解点火启动装置的具体工作原理，本发明还提供了具体实施例，如下：

(1)开关矩阵电路用继电器实现

参见图2，本发明实施例公开的一种汽车启动系统的拓扑线路图，汽车启动系统包括：发动机的启动电机M1和点火启动装置，本实施例中，点火启动装置包括：超级电容串、开关矩阵电路和单串锂离子电池B1，本实施例中的开关矩阵电路为继电器。

超级电容串包括：6个串联在一起的超级电容单体(C1-C6)，超级电容串12的正负极与发电机的启动电极相连。

继电器包括触点开关(S1～S14)，其中，有七路(S1～S7)连线分别连接三路均衡充放电总线(L、M和H)的开关，其中，S1，S4，S7连接L均衡充放电总线，S2和S5连接M总线，S3和S6连接H总线。

在开关矩阵电路的右端有单串锂离子电池B1和一个与单串锂离子电池B1串联的回路开关S14。回路开关S14与单串锂离子电池B1(即可充电池组)的两端通过多路开关(参见图2中示出的六路开关S8-S13)连接上述三路(L，M，H)均衡充放电总线。

本实施例中，超级电容串和单串锂离子电池B1通过控制装置对上述触点开关的操控来实现点火启动装置的如下几个状态：

1、闲置待机状态。闲置待机状态可以处于发电机停止和发电机运行状态下。当发电机处于开启状态时，超级电容串通过发电机充电，此时超级电容串两端的电压与发电机的电压一致。而发电机停止状态下超级电容串处于自放电状态，开关矩阵电路中所有的开关(S1-S14)均处于关断状态，当所述控制装置在确定所述超级电容串的电压低于设定值时，向所述主动均衡电路下发电荷补充指令，所述主动均衡电路轮流导通各个超级电容单体与电池的回路，向各个电容单体补充电荷并均衡各个超级电容单体的电压，使所述超级电容串两端的电压能够启动发动机。

2、电压采样状态。无论发电机处于运行状态还是停止状态，电压采样状态下，图2中的A点为超级电容串的电容电压采样点，B点为单串锂离子电池的电池电压采样点。电池电压采样(B点)无需任何开关帮助，只需S14处于断开状态。超级电容串采样通过开关矩阵的帮助进行。电压采样状态下，S14总是保持断路状态。如果采样超级电容单体C1的电压，则开关S2，S11，S8和S1导通，其余开关关断，此时A点电压等同于C1电压。采样C1完毕之后，S1，S8，S11关断，S3，S12，S9和S2导通，其余开关关断，此时在A点采样C2电压。采样C3同理，导通S4，S13，S10和S3，其余开关断路。采样C4开启S5，S11，S8，S4，关断其他开关。采样C5导通S6，S12，S9和S4，断开其他开关。采样C6导通S7，S13，S10和S6，断开其他开关。

3、电池充电状态。电池充电的能量从发电机获得，因此必须在发电机运行时进行电池充电。控制装置在上述采样过程中，如果发现单串锂离子电池B1的电压低于设定值，则需要对电池充电补充能量。点火启动状态通过两串相邻串联的超级电容单体向单串锂离子电池充电。其中，可以有多种组合，如C1+C2，C2+C3，C3+C4，C4+C5，C5+C6。无论哪种组合，S14都处于导通状态。如果按照C1+C2组合，C3+C4组合，C5+C6组合的顺序轮流向单串锂离子电池充电，则需要导通S3，S12，S8，S1，此时C1+C2串联电压约4.7V向电池输送电荷。充电电流会大于发电机补充的电流，因此超级电容串的电压开始下降，当A点电压达到一个预定值时，断开上述四个开关S3，S12，S8，S1，并导通S5，S11，S10，S3，由C3+C4组合向电池充电。当A点电压达到设定值之后，断开导通的四个开关S5，S11，S10，S3，并导通S7，S13，S9，S5，由C5+C6组合向电池充电。这个过程可以多次循环，直至电池电压达到一个预定值时结束。

也就是说，当发电机处于运行状态时，所述控制装置在确定所述可充电池组的电压低于设定值时，向所述主动均衡电路下发电荷补充指令，由所述主动均衡电路导通所述可充电池组和所述超级电容串之间的通路，实现所述超级电容串向可充电池组提供电荷补充能量。

当发电机处于停止状态时，所述控制装置在确定所述超级电容串的电压低于设定值时，向所述主动均衡电路下发电荷补充指令，使所述主动均衡电路轮流导通各个超级电容单体与所述可充电池组的回路，由所述可充电池组向各个超级电容单体补充电荷并均衡各个超级电容单体的电压，使所述超级电容串两端的电压能够启动发动机。

4、电容均衡状态。在上述充电完成之后或汽车系统处于闲置状态预设时间段后，超级电容电压会因自放电降低或失衡，此时可进行电容均衡并补充电能。开关通路的设定与电压采样基本相同，唯一不同的是S14需要导通。显然此时电池电压高于超级电容电压，电流由单串锂离子电池流向当前导通的超级电容单体。当系统检测到A点的电压达到预定电压值时，关闭单串锂离子电池与当前超级电容单体的通路开关。然后转移至下一个超级电容串。这个过程持续至所有的超级电容单体均达到预定电压为止。当发电机停止之后，超级电容串的总电压约14V。如果需要增强启动效果，可以通过上述均衡过程将所有的电容电压都均衡至2.7V。此时超级电容串的总电压可达16.2V，该电压可以使得启动过程更为顺畅和短促。

5、省电待机状态。在发电机停止状态下，如果控制装置检测到可充电池组的电池电量低于预定值时(预留数次启动所需要的电量)，控制装置停止运行或处于低功耗状态，并不再给超级电容串补充能量。因而由于自放电电容电压继续下降。很显然，此时如果启动发电机会由于电容电压太低而无法启动。但启动信号可以唤醒汽车启动系统，并开始向超级电容串充电。稍等片刻之后超级得到启动所需要的能量就可以正常启动发电机。这个过程可以避免传统启动方式由于电池搁置时间过长而需要应急启动的尴尬局面。

在实际应用中，控制装置可以为一个单片机。单片机通过ADC进行电压采样，并通过输出口控制各个开关，以实现上述各个状态。

(2)开关矩阵电路用场效应管实现

参见图3，本发明实施例公开的另一种汽车启动系统的拓扑线路图，汽车启动系统包括：发动机的启动电机M1和点火启动装置，本实施例中，点火启动装置包括：超级电容串、开关矩阵电路和单串锂离子电池B1。图3中的VREG为稳压器，用附图标记U1表示。单串锂离子电池B1的电压经稳压器U1提供给控制装置。

超级电容串包括：6个串联在一起的超级电容单体(C1-C6)，超级电容串12的正负极与发电机的启动电极相连。6个超级电容单体选择低内阻类型，内阻之和优选与所替换的启动电池相当。由于超级电容单体的电压可以通过系统维持在16V左右，即使总内阻稍高也能够顺利地完成启动功能。

开关矩阵电路包括15个MOSFET开关管，通过控制15个MOSFET开关管实现点火启动装置上述的各个状态，包括：闲置待机状态、电压采样状态、电池充电状态、电容均衡状态和省电待机状态。

在闲置待机状态下，所有的MOSFET开关管均处于关断状态。选用的MOSFET开关管可以是N沟道的，也可以是P沟道的。图3所示实施例全部采用N沟道MOSFET开关管实现。当点火启动装置进入电压采样状态时，Q14断路，Q1至Q13的各个MOSFET开关管根据目标电容而设定开关状态。其中Q1-Q7负责选定目标待测电容。值得注意的是，C3正极通路与其他电容通路不同，C3正极通路是一组由两个MOSFET开关管组成的双向开关，而控制其他通路的Q1、Q2、Q3、Q5、Q6和Q7都是一个MOSFET开关管组成的单向开关。这是因为C3正极的电压与L总线之间的电压差会在正点压和负电压之间切换。当L总线的电压低于C3正极的电压时，即当Q1导通时，Q41无法阻止C3正极流向L总线的电流，因此必须用Q42来切断。同理，当C3正极的电压低于L总线电压时，即当Q7导通时，Q42无法阻止L总线流向C3正极的电流，因此必须用Q41切断。而其他总线只需要单向开关即可实现控制电流的流向。

通过各个MOSFET开关管的设置，每个超级电容单体的电压轮流通过控制装置获取A点采样电压。与此同时，电池电压在B点通过ADC采样获得。

超级电容串与单串锂离子电池之间的通路可以通过MOSFET开关管组成的开关矩阵电路实现。如需要超级电容单体C6与电池形成通路，由电池向C6补充电荷，可将MOSFET驱动电压(>10V，相对于电池的负极)施加在Q7，Q6，Q13，Q10和Q14的G极和S极之间。此时控制系统接地的电平通过Q6和Q10的导通提升至超级电容单体C6负极的水平，也就是说H总线的电平相当于于电池负极的电平，而L总线的电平相当于电池正极的电平。当然，电池电压高于电容电压会产生一个由电池正极经Q14，Q13，Q7，Q6，Q10流向电池负极的电流(如图4所示)，对于超级电容而言的充电电流，单串锂离子电池与超级电容串之间的电压差由回路中的内阻，包括MOSFET开关管的内阻，连接电路的内阻，及C6的内阻而平衡，从而产生电荷转移过程中的损耗。当电荷补充完成后，去除施加在上述5个MOSFET开关管G极和S极之间的电压，使单串锂离子电池所在的电平与超级电容串的电平隔离。其他超级电容单体与电池的通路可以通过导通相应的MOSFET管而产生。由此可以看出，单串锂离子电池的负极的电平总是相应于所在超级电容负极的电平。因此，控制装置只需要一个高于接地10V以上的正电压，并将其施加在相应的MOSFET开关的G极上即可实现上述通路。

超级电容串向单串锂离子电池充电的通路同样可以通过相应的MOSFET开关管组成的开关矩阵电路实现。如需要超级电容C3+C4向单串锂离子电池充电，C3的负极与H总线导通，并使之与电池负极形成通路。而C4的正极与M总线导通，并使之与单串锂离子电池正极形成通路。具体实现是在Q5，Q11，Q14，Q10，Q3的G极上施加驱动电压，使其处于导通状态，从而形成C3+C4的超级电容串与单串锂离子电池的回路。此时超级电容串的电压高于电容电压，从而形成由C4正极经Q5，Q11，Q14流向电池正极，并从电池负极经Q10，Q3流向C3负极的电流，对于单串锂离子电池而言的充电电流(详见图5)。同理，超级电容串与单串锂离子电池之间的电压差由回路中的内阻，包括MOSFET开关管的内阻，连接电路的内阻，及C3+C4的内阻而平衡，从而产生电荷转移过程中的损耗。当充电完成时，去除施加在上述5个MOSFET开关管G极上的电压，使单串锂离子电池所在的电平与超级电容串的电平隔离。其他超级电容串与单串锂离子电池的通路可以通过导通相应的MOSFET开关管而产生。无论连接哪对电容串，单串锂离子电池的负极的电平总是相应于所在电容串负极的电平。

对于开关矩阵电路用场效应管实现的点火启动装置，各个状态通过MOSFET开关管的控制与图2所示的拓扑图的方式一致，此处不再赘述。

本发明中，维持汽车启动系统的能量可以直接由所示单串电池取得。如果控制装置采用单片机，电源至少包括单片机的供电(3-5V)和MOSFET开关管的驱动电压(10V-15V)。很明显，单片机可用3V的单片片作为点火启动装置的核心，锂电池电压经稳压器直接提供给单片机控制装置。而MOSFET开关管的驱动电压同样可以用电池供电，通过升压开关电源电路如升压泵电路直接获得。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种点火启动装置，其特征在于，包括：控制装置、超级电容串、可充电池组和主动均衡电路；

所述超级电容串与所述控制装置连接，用于为发动机点火提供大电流启动点火能量，以及向所述控制装置提供自身的工作状态；

所述可充电电池组与所述控制装置连接，用于向所述控制装置提供自身的工作状态；

所述主动均衡电路分别与所述控制装置、所述超级电容串和所述可充电池组连接，用于根据所述控制装置下发的充电指令，导通所述可充电池组和所述超级电容串之间的通路，并将所述发动机驱动的发电机产生的电能通过所述超级电容串输入所述可充电池组，使所述可充电池组保持在最佳充电状态，并在对所述可充电池组充电的同时均衡所述超级电容串中各个超级电容单体的电压，使所述超级电容串中各个超级电容单体的电压一致；以及根据所述控制装置下发的电荷补充指令，导通所述可充电池组和所述超级电容串之间的通路，将所述可充电池组提供的电荷补充能量输入所述超级电容串，并在对所述超级电容串补充能量的同时均衡所述超级电容串中各个超级电容单体的电压。

2.根据权利要求1所述的点火启动装置，其特征在于，所述可充电池组为单串可充电池或多串可充电池。

3.根据权利要求1所述的点火启动装置，其特征在于，所述主动均衡电路包括：开关矩阵电路；

所述开关矩阵电路用于使所述超级电容串中任意两个相邻串联的超级电容的正负极与所述可充电池组的正负极构成的一条回路，在接收到所述控制装置下发的所述充电指令时，通过控制相应开关的导通和关断，实现所述超级电容串向所述可充电池组充电；

所述开关矩阵电路还用于使所述超级电容串中任意一个超级电容单体的正负极与所述可充电池组的正负极构成的一条回路，在接收到所述控制装置下发的所述电荷补充指令时，通过控制相应开关的导通和关断，实现所述可充电池组向所述超级电容串提供电荷补充能量，并均衡所述超级电容串中各个超级电容单体的电压。

4.根据权利要求1所述的点火启动装置，其特征在于，所述开关矩阵电路为继电器，所述继电器具有多个触点开关，所述继电器的控制端与所述控制装置连接。

5.根据权利要求1所述的点火启动装置，其特征在于，所述开关矩阵电路包括多个场效应管，每个所述场效应管的控制端与所述控制装置连接。

6.根据权利要求1所述的点火启动装置，其特征在于，所述开关矩阵电路包括继电器和场效应管，所述继电器的控制端和各个所述场效应管的控制端均与所述控制装置连接。

7.根据权利要求3所述的点火启动装置，其特征在于，当所述点火启动装置处于闲置待机状态时，所述超级电容串在发电机处于开启状态的情况下，通过所述发电机充电，以使所述超级电容串两端的电压与所述发电机的电压一致；

当所述发电机处于停止状态时，所述超级电容串处于自放电状态，所述开关矩阵电路中所有的开关均处于关断状态，当所述控制装置在确定所述超级电容串的电压低于设定值时，向所述主动均衡电路下发电荷补充指令，所述主动均衡电路轮流导通各个超级电容单体与电池的回路，向各个电容单体补充电荷并均衡各个超级电容单体的电压，使所述超级电容串两端的电压能够启动发动机。

8.根据权利要求3所述的点火启动装置，其特征在于，当所述点火启动装置处于电压采样状态时，将回路开关与所述可充电池组的正极连接的一端确定为所述可充电池组的电池电压采样点，将所述回路开关远离所述可充电池组，且与所述超级电容串连接的一端确定为所述超级电容串的电容电压采样点；

其中，所述回路开关与所述可充电池组的两端通过多路开关连接均衡充放电总线。

9.根据权利要求1所述的点火启动装置，其特征在于，当发电机处于运行状态时，所述控制装置在确定所述可充电池组的电压低于设定值时，向所述主动均衡电路下发电荷补充指令，由所述主动均衡电路导通所述可充电池组和所述超级电容串之间的通路，实现所述超级电容串向所述可充电池组提供电荷补充能量；

当发电机处于停止状态时，所述控制装置在确定所述超级电容串的电压低于设定值时，向所述主动均衡电路下发电荷补充指令，使所述主动均衡电路轮流导通各个超级电容单体与所述可充电池组的回路，由所述可充电池组向各个超级电容单体补充电荷并均衡各个超级电容单体的电压，使所述超级电容串两端的电压能够启动发动机。

10.根据权利要求1所述的点火启动装置，其特征在于，在所述发电机处于停止状态时，所述控制装置在确定所述可充电池组的电池电量低于预定值时，所述控制装置停止运行或处于低功耗状态，并不再给所述超级电容串补充能量，整个点火启动状态进入省电待机状态。

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