CN205185889U - 一种基于锂离子电容器的汽车启动电源装置 - Google Patents

一种基于锂离子电容器的汽车启动电源装置 Download PDF

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梁亚青
廖运平
闵凡奇
尹传丰
熊栋
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Abstract

本实用新型公开了一种基于锂离子电容器的汽车启动电源装置,包括:控制执行模块,包括锂离子电容器模组,锂离子电容器模组通过点火开关与起动机可形成第一闭合回路;单向直流电源,连接二次电池与锂离子电容器模组可形成第三闭合回路;二次电池还与发电机可形成第二闭合回路;用于转换二次电池电压并对整个汽车启动电源装置中的电路板供电的电源模块,包括与二次电池连接的电源输入端和与电路板中其他耗电模块连接的电源输出端;用于读取控制执行模块中电压、电流、温度数据,对单向直流电源进行控制,并对外部进行通讯的微处理器模块,该微处理器模块采用微处理器模块;将微处理器模块检测到的信号传递给整车控制器的CAN接口。

Description

一种基于锂离子电容器的汽车启动电源装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种基于锂离子电容器的汽车启动电源装置,属于电动车能源技术领域。
背景技术
[0002]现有技术中主要是以铅酸蓄电池作为汽车的启动电源,然而蓄电池却存在着自身无法弥补的缺陷:低温性能差,高倍率输出能力对自身产生不可逆转的影响,自放电能力也比较高。
[0003]由蓄电池的结构特性决定,在低温状态下,电池的充电接受能力,充电效率,容量都会下降,若电动车辆负载过大(大电流放电),长时间大电流放电,电池的实际放电容量将会变得更小。这也是所有蓄电池在冬季使用中不够理想的原因。蓄电池内部直流内阻的大小随着环境温度以及使用环境的变化而产生变化。特别是在_25°C以下的低温环境下,蓄电池的充电接受能力严重下滑,甚至根本达不到其启动电压;另外,其放电容量将会随着温度的降低大幅度下降,甚至可能没用放电能力。当环境温度降至0°C以下,温度每降低10°C,内阻约增大15%左右,因为硫酸溶液粘度变大,所以增大了硫酸溶液电阻,而加重了电极极化影响,蓄电池容量会明显减小。
[0004]在正常使用条件下,起动机在启动的瞬间电流是正常运转时额定电流的几倍,故而导致蓄电池瞬时电压大幅下降,性能变差。且蓄电池作为启动电源在能量使用完毕后充电所需时间较长;且在蓄电池无法使用需要废弃时,重金属铅等对环境污染严重,限制了蓄电池的应用。
[0005]同时,蓄电池的月自放电率高达30%,因此,在长期未用的汽车,需要每三个月启动一次,为蓄电池充电一段时间。这同样对蓄电池的应用有所限制。
[0006]为了改善汽车启动电源的性能,使用超级电容器并联蓄电池的方式来启动汽车,例如专利CN202429148U。超级电容器具有容量大、功率高、寿命长、低温特性好和无污染等特点,可以与蓄电池并联使用。在汽车启动过程中利用超级电容器的瞬时大功率为起动机供电,这样使蓄电池的使用寿命大大增加;然而,超级电容器自身的自放电率极大,基本上3天就会放完,这就大大限制了超级电容器的使用。
[0007]锂离子电池与蓄电池相比,可以明显发现其自放电率很低,基本上放置一年,电量还可维持80%;锂离子电池的循环使用寿命远高于蓄电池。因此,专利CN104037446A直接用锂离子电池替代蓄电池作为汽车启动电源,但是仍未彻底解决蓄电池作为汽车启动电源所存在的问题,主要涉及大功率瞬时放电的能力。
[0008]另外,还有另一种替换型启动电源装置是是利用超级电容器取代蓄电池,例如专利CN203827004U、CN202978396U。在此系统中,蓄电池的主要作用是为超级电容器充电和为车内负载供电。此系统依旧没有改变超级电容器自放电严重而导致大量能量损失的弊端,再次启动之前需要对超级电容器再次充电。实用新型内容
[0009]本实用新型所要解决的技术问题是,提供一种新的汽车启动电源装置,该启动电源装置基于锂离子电容器,使该汽车启动电源装置具有高电压保持能力、使用寿命长、免维修、控制精确等优点。
[0010] 锂离子电容器采用锂离子电池和超级电容器混合结构,其正极采用超级电容器的正极,负极采用锂离子电池的负极结构,兼具超级电容器的高功率密度(其功率密度远大于铅酸蓄电池)、长寿命特性和锂离子电池高能量密度的特性。本身具有很高的电压保持能力,常温25°C放置3个月,电压下降<5%;宽使用温度范围(-40°C~70°C)的运行安全性、可靠性。因此,锂离子电容器可完全弥补蓄电池的缺点,直接替代蓄电池作为汽车启动电源。
[0011]基于锂离子电容器所具备的优良性能,本实用新型提出了基于锂离子电容器的汽车启动装置,该汽车启动电源装置主要包括:
[0012]对汽车启动起控制执行命令的控制执行模块,该控制执行模块包括锂离子电容器模组,该锂离子电容器模组通过点火开关与起动机可形成第一闭合回路;还包括单向直流电源,该单向直流电源连接二次电池与锂离子电容器模组可形成第三闭合回路;二次电池还与发电机可形成第二闭合回路;
[0013]用于转换所述二次电池电压并对整个汽车启动电源装置中的电路板供电的电源模块,包括与所述二次电池连接的电源输入端和与电路板中其他耗电模块连接的电源输出端,即电源模块将二次电池12伏电压转换为5伏电压,除了电源模块自身耗电所需外,还为下述的微处理器模块、CAN接口供电;
[0014]用于读取控制执行模块中电压、电流数据,根据所得电压值对单向直流电源进行控制,处理系统异常事件、并对外部进行通讯的微处理器模块;该微控制器模块还根据需求设置有时钟源,编程口,复位口,工作指示灯,系统电源,CAN收发信号接口,单向直流电源DC/DC的控制端口,电压、电流、温度信号输入口,滤波电容。设置在锂离子电容器模组里面的温度采样模块的温度信号、以及其他一些信号也会传输给该微处理器模块进行处理。
[0015]将微处理器模块检测到的电压、电流、温度以及系统状态等信号传递给整车控制器的CAN接口。
[0016]进一步地,所述控制执行模块中分别设置有用于实时监测二次电池、锂离子电容器模组电压的两个电压检测口以及用于导通或断开单向直流电源的控制端口,所述电压检测口、用于导通或断开单向直流电源的控制端口均连接至微处理器模块相应接口。
[0017] 进一步地,所述二次电池为蓄电池、锂离子电池、锂离子聚合物电池、镍镉电池或镍氢电池中的任意一种。
[0018]采用本实用新型的汽车启动电源装置对汽车启动的启动过程如下:
[0019] (1)、收到汽车启动信号,控制执行模块中的点火开关闭合,接通第一闭合回路,锂离子电容器模组为起动机提供瞬时大功率电流,使其带动内燃机运转,内燃机迅速转动并达到发火点转速后,内燃机启动完成,进入正常运转,点火开关断开,第一闭合回路断开;
[0020] (2)、内燃机进入正常运转状态后,带动发电机运转,发电机发电,第二闭合回路接通,发电机二次电池充电至额定电压后,继续浮充至内燃机停止运转,发电机停止发电,第二闭合回路断开;
[0021] (3)、微处理器模块通过两个电压检测口,分别实时监测二次电池和锂离子电容器模组的电压、电流,
[0022]当检测到锂离子电容器模组的电压满足不了汽车启动一次所需的电压条件,并且检测到二次电池有充足的电压对锂离子电容器模组充电时,微处理器模块通过控制端口使单向直流电源导通而接通第三闭合回路,二次电池输出的低压直流通过单向直流电源转换成高压直流对锂离子电容器模组充电至其额定电压或充电至能至少满足一次汽车启动所需电压条件;
[0023]当检测到锂离子电容器模组的电压能至少满足一次汽车启动所需电压条件,并且检测到二次电池已没有能量继续为锂离子电容器模组充电至至少能满足再多一次启动汽车所需电压时,微处理器模块通过控制端口使单向直流电源断开而断开第三闭合回路;
[0024]或,当检测到锂离子电容器模组达到其额定电压后,并且检测到二次电池依旧有剩余的能量时,微处理器模块通过控制端口使单向直流电源断开而断开第三闭合回路,锂离子电容器模组处于自然状态,待下一次汽车启动。
[0025]本实用新型充分发挥了锂离子电容器高功率密度、低温充放电能力、长循环使用寿命以及高能量密度和高电压保持能力的特性,弥补了蓄电池在作为汽车启动电源时的缺点。
[0026] 使用单向直流电源DC/DC可以使二次电池对锂离子电容器模组进行低压转高压的充电,有效增加了二次电池的使用寿命。
[0027] 本装置采用二次电池对锂离子电容器供电,锂离子电容器直接对起动机供电,启动机带动发电机发电,发电机对二次电池供电的模式,可以有效避免二次电池的瞬时大功率放电,尤其是低温条件下的瞬时大功率的放电,对二次电池的使用要求相对低了很多。
[0028]由于锂离子电容器具有高电压保持能力,因此不必担心几个月没有使用而导致无法启动汽车。
[0029]又由于锂离子电容器具有宽温度范围内的高安全性和高稳定性,因此该汽车启动电源装置可以免维护,而不必类似于蓄电池,一年维护一次。
[0030]又由于锂离子电容器的高功率密度,其值远高于蓄电池的功率密度,因此在满足相同启动使用条件下,锂离子电容器所需的数量大幅度减少,进而使汽车启动电源装置的重量和体积有很大的节省。
[0031] 采用微处理器模块对二次电池和锂离子电容器模组的电压、电流和温度进行实时监测,保证了整个系统的正常运转,尤其是保证了第三回路闭合和断开的精准控制,避免造成能量浪费。
[0032]本实用新型的汽车启动电源装置的控制系统与整车系统连接,保证了系统运行的稳定性。
附图说明
[0033]图1:本实用新型控制执行模块的电路原理图;
[0034]图2:本实用新型电源模块的电路电力原理图;
[0035]图3:本实用新型微控制器的电路原理图;
[0036]图4:本实用新型CAN接口的电路原理图。
[0037] 图1中:二次电池BAT12V,单向直流电源DC/DC,锂离子电容器模组LIC,点火开关S,起动机Mo tor,发电机Generator,二次电池BATl 2V电压检测端口 OutAD,锂离子电容器模组LIC的电压检测端口 InterAD,单向直流电源DC/DC控制端口 E,二次电池正极端+,二次电池负极端_,锂离子电容器模组第一正极端S+,锂离子电容器模组第二正极端B+,锂离子电容器模组负极端GND。
[0038]图2中:12V+为与二次电池连接的电源输入端,+5V为与电路板相连接的电源输出端。
[0039]图3中:时钟源I,编程口 2,复位口 3,工作指示灯4,系统电源5,CAN收发信号接口 6,单向直流电源DC/DC的控制端口 7,信号输入口 8,滤波电容9。
[0040]图4中:TXCAN、RXCAN是收发微处理器模块中的电压、电流、温度以及系统状态的信号接口,L-CANH、L-CANI是往整车控制器收发电压、电流、温度以及系统状态的信号接口。
具体实施方式
[0041 ] 实施例1:
[0042]本实用新型主要包括控制执行模块,电源模块,微处理器模块和CAN接口,
[0043]所述控制执行模块如图1所示,包括有两个正极端子(分别为第一正极端S+、第二正极端B+)和一个负极端子GND的锂离子电容器模组LIC,该锂离子电容器模组LIC通过点火开关S与起动机Motor可形成第一闭合回路;还包括二次电池BAT(12V),该二次电池BAT通过单向直流电源DC/DC与锂离子电容器模组LIC可形成第三闭合回路;所述二次电池BAT还与发电机Generator可形成第二闭合回路,起动机Motor和发电机Generator均连接汽车内燃机,该控制执行模块对汽车启动起控制执行命令。控制执行模块中还设置有用于检测二次电池BAT电压的电压检测端口OutAD,以及用于检测锂离子电容器模组LIC电压的电压检测端口 InterAD。单向直流电源DC/DC的负极端导通,正极端通过控制端口 E控制其断开和闭入口 ο
[0044] 所述二次电池为蓄电池、锂离子电池、锂离子聚合物电池、镍镉电池或镍氢电池中的任意一种。
[0045]所述电源模块如图2所示,12V端口为与二次电池BAT连接的电源输入端,5V端口为与电路板中其他耗电模块连接的电源输出端,用于将二次电池BAT的12V电压转换为5V电压,除了电源模块自身耗电所需外,还为下述的微处理器模块、CAN接口供电。
[0046] 所述微处理器模块如图3所示,主要包括用于读取电压检测端口 OutAD/InterAD的电压信号的信号输入口 8、用于控制单向直流电源DC/DC控制端口 E的导通与闭合的控制端口 7以及将读取信号发送至CAN接口的CAN收发信号接口 6,微处理器模块上根据需要,还设置有时钟源I,编程口 2,复位口 3,工作指示灯4,系统电源5,滤波电容9。微处理器模块还处理系统的一些异常事件和对外部进行通讯。
[0047]所述CAN接口如图4所示,将微处理器模块检测到的电压、电流、温度以及系统状态等信号传递给整车控制器的CAN接口。包括:TXCAN、RXCAN,是收发微处理器模块中的电压、电流、温度以及系统状态的信号接口,L-CANH、L-CANI是往整车控制器收发电压、电流、温度以及系统状态的信号接口。CAN接口在本启动电源装置中的的作用是将微处理器模块检测到的电压、电流、温度以及系统状态等信号传递给整车控制器。
[0048]采用本实用新型的汽车启动电源装置对汽车启动的过程如下:
[0049] (1)、收到汽车启动信号,控制执行模块中的点火开关S闭合,锂离子电容器模组LIC第一正极端S+通过点火开关S与起动机Motor形成第一闭合回路,锂离子电容器模组LIC为起动机Motor提供瞬时大功率电流,使其带动内燃机运转,内燃机迅速转动并达到发火点转速后,内燃机启动完成,进入正常运转,此时,点火开关S断开,第一闭合回路断开;
[0050] (2)、内燃机进入正常运转状态后,内燃机带动发电机Generator运转,发电机Generator发电,此时发电机Generator与二次电池BAT形成第二闭合回路,对二次电池BAT进行充电,发电机Generator对二次电池BAT充电至额定电压后,继续浮充至内燃机停止运转,发电机Generator停止发电,第二闭合回路断开;
[0051]以上过程通过微处理器模块实时监控,并作出发出相应的指令。
[0052] (3)、微处理器模块通过电压检测端口OutAD实时检测二次电池BAT的电压,通过电压检测端口 InterAD实时检测锂离子电容器模组LIC的电压,由信号输入口8读取相应信号,
[0053]当检测到锂离子电容器模组LIC的电压满足不了汽车启动一次所需的电压条件,并且检测到二次电池BAT有充足的电压对锂离子电容器模组LIC充电时,由微处理器模块上的控制端口 7使单向直流电源DC/DC的控制端口 E导通而接通第三闭合回路,二次电池BAT输出的低压直流通过单向直流电源DC/DC转换成高压直流对锂离子电容器模组LIC充电至其额定电压或充电至能至少满足一次汽车启动所需电压条件;
[0054]当检测到锂离子电容器模组LIC的电压能至少满足一次汽车启动所需电压条件,并且检测到二次电池BAT已没有能量继续为锂离子电容器模组LIC充电至至少能满足再多一次启动汽车所需电压时,微处理器模块上的控制端口 7使单向直流电源DC/DC的控制端口E断开而断开第三闭合回路;
[0055]或,当检测到锂离子电容器模组LIC达到其额定电压后,并且检测到二次电池BAT依旧有剩余的能量时,微处理器模块上的控制端口 7使单向直流电源DC/DC的控制端口 E断开而断开第三闭合回路,锂离子电容器模组LIC处于自然状态,待下一次汽车启动。(本系统中单向直流电源DC/DC正极端是通过控制端口 E控制其断开/闭合,而其负极端是导通的。)
[0056] 微处理器模块获取到来自InterAD、0UtAD两个检测口检测到锂离子电容器模组LIC和二次电池BAT的电压等信号后,经过将电压等信号处理为数字信号,通过CAN接口传输给整车控制器。微处理器模块将数字信号经过时钟源1、编程口 2、复位口 3等将处理后的信号传输给单向直流电源DC/DC的控制端口 E。

Claims (3)

1.一种基于锂离子电容器的汽车启动电源装置,其特征在于该汽车启动电源装置主要包括: 对汽车启动起控制执行命令的控制执行模块,该控制执行模块包括锂离子电容器模组,该锂离子电容器模组通过点火开关与起动机可形成第一闭合回路;还包括单向直流电源,该单向直流电源连接二次电池与锂离子电容器模组可形成第三闭合回路;二次电池还与发电机可形成第二闭合回路; 用于转换所述二次电池电压并对整个汽车启动电源装置中的电路板供电的电源模块,包括与所述二次电池连接的电源输入端和与电路板中其他耗电模块连接的电源输出端; 用于读取控制执行模块中电压、电流数据,对单向直流电源进行控制,处理系统异常事件、并对外部进行通讯的微处理器模块; 将微处理器模块检测到的信号传递给整车控制器的CAN接口。
2.根据权利要求1所述的基于锂离子电容器的汽车启动电源装置,其特征在于:所述控制执行模块中分别设置有用于实时监测二次电池、锂离子电容器模组电压的两个电压检测口以及用于导通或断开单向直流电源的控制端口,所述电压检测口、用于导通或断开单向直流电源的控制端口均连接至微处理器模块相应接口。
3.根据权利要求1或2所述的基于锂离子电容器的汽车启动电源装置,其特征在于:所述二次电池为蓄电池、锂离子电池、锂离子聚合物电池、镍镉电池或镍氢电池中的任意一种。
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