CN207960820U - 一种车辆启动用的超级电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种车辆启动用的超级电池,包括超级电容模块组、备用免维护蓄电池和电源管理系统，超级电容模块组包括若干串并联连接的超级电容单体，超级电容模块组连接有均压电路，电源管理系统包括恒流充电电路、输出电路和应急充电电路，恒流充电电路一端通过输出电路连接有车辆发电机整流电路，超级电容模块组和备用免维护蓄电池另一端设有备用启动开关，备用启动开关连接有车辆启动电路;本实用新型在电源管理系统下以小容量的蓄电池配合超级电容模块组组成，具有使用寿命长，工作温度宽，材料环保，充电时间段，放电电流大，重量轻等特点，可有效改善汽车电气设备的电磁环境和启动性能，解决低温启动问题。

Description

一种车辆启动用的超级电池

技术领域

本实用新型涉及一种电池，特别是一种车辆启动用的超级电池。

背景技术

现有车辆启动都是靠铅酸蓄电池，铅酸蓄电池按结构不同可分为传统的铅酸蓄电池和免维护型蓄电池，又以免维护型蓄电池为多，其作用在于(1)启动发动机时，给起动机提供强大的起动电流，一般高200~600A；(2)当发电机过载时，可以协助发电机向用电设备供电；(3)当发动机不工作时，向用电设备供电；(4)当发电机端电压高于蓄电池的电动势时，将一部分电能转变为化学能储存起来，也就是进行充电，还是一个大容量电容器，可以保护汽车的用电器。然而这种蓄电池还存在以下缺点：

（1）寿命短：蓄电池的充放电设计寿命是500次、使用良好最多不超过1000次，一般家庭用车比较省、新车的电池很多用到3-4年、但更换过一次以后一般2年左右一定要更换了，而出租车、单班车比较费，仅能用一年出头，双班车8-10个月左右；（2）低温性能差：蓄电池的车辆启动性能随着气温降低迅速衰减，设计工作温度不能低于零下20度，车辆在低温下由于油料尤其是柴油、机油等自身原因，变得不是很好启动，蓄电池环境温度每降低10℃内阻约增大15%， 蓄电池的内阻超过正常值25%，该容量已降低到其标称容量的80%左右，导致车辆难以启动；（3）不环保：生产蓄电池及废旧蓄电池中含有铅、酸等重金属及污染物，对环境有很大的污染，对其的处理一直是一个难事；（4）大电流连续放电能力差且易损坏，连续启动车辆或启动车辆时间长都会损坏蓄电池，如通过加大蓄电池的容量来解决寿命问题，但需要增加很多，并使其体积增大、重量增加，实用性差。

蓄电池性能直接影响汽车的启动，在启动过程中特别是在启动瞬间，由于启动电动机转速为零，不产生感生电势，故启动电流：I=E/(RM+RS+RL)；其中：E为蓄电池空载端电压，RM为启动电动机的电枢电阻，RS为蓄电池内阻、RL为线路电阻。由于RM、RB、RL均非常低，启动电流非常大；例如用12 V、45 Ah的蓄电池启动安装1.9 L柴油机的汽车，蓄电池的电压在启动瞬间由12.6 V降到约3.6 V，启动瞬时的电流达550 A，约为蓄电池的12C的放电率，尽管车用蓄电池是启动专用蓄电池，可以高倍率放电，但10倍以上高倍率放电时的蓄电池性能变得很差，而且，如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。启动过程的电压剧烈变化也是极强的电磁干扰，可以造成电气设备掉电，迫使电气设备在发电机启动过程结束后重新上电，计算机在这个过程中非常容易死机。

超级电容器是通过极化电解质来储能，又称双电层电容器，在相同的封装内增加了第二个电介层，这个电介层与第一层在中间隔离物的两边并行工作，可以快速充放电，但这些很薄的层不具有传统电介质理想的绝缘特性，因此要求较低的工作电压，这个电压只有几伏；现有技术中虽有如专利CN104767259A提供的一种电力系统自适应超级电容-蓄电池混合储能系统，专利CN104135062A提供的一种超级电容和蓄电池相结合的电动汽车快速充电方法及装置，但在实际应用中，充放电电流实际上决定于电容器单体大小，对于匹配负载，小单体可放10a，大单体可放1000a，超级电容放电率的限制条件是热，反复地以剧烈的速率放电会使电容器温度升高，最终导致断路，几伏特电压及放电过热会限制超级电容的使用范围，在联用均压性能上较差，无法应急充电，或导致充电时间较长，或瞬间放电电流小，无法实际运用于车辆启动过程。

因此，从改善汽车电气设备的电磁环境、改善汽车的启动性能和蓄电池性能或延长蓄电池使用寿命来考虑，改善汽车电源在启动过程中的性能是必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种车辆启动用的超级电池，在电源管理系统下以小容量的蓄电池配合超级电容模块组组成，具有使用寿命长，工作温度宽，材料环保，充电时间段，放电电流大，重量轻等特点，大电流输出能力是相同安时数的电池10倍，可有效改善汽车电气设备的电磁环境和启动性能，解决低温启动问题。

本实用新型是通过如下的技术方案予以实现的：

一种车辆启动用的超级电池，包括超级电容模块组、备用免维护蓄电池和电源管理系统，所述超级电容模块组包括若干串并联连接的超级电容单体，所述超级电容模块组连接有均压电路，所述电源管理系统包括恒流充电电路、输出电路和应急充电电路，所述恒流充电电路一端通过输出电路连接有车辆发电机整流电路，另一端与超级电容模块组一端相连，并通过应急充电电路与备用免维护蓄电池一端相连，所述超级电容模块组和备用免维护蓄电池另一端设有备用启动开关，所述备用启动开关连接有车辆启动电路。

上述一种车辆启动用的超级电池，其中，所述超级电容模块组由5个3000F、2.7V的超级电容单体串联组成，所述备用免维护蓄电池为17安时。

上述一种车辆启动用的超级电池，其中，所述均压电路为限幅型均压电路。

上述一种车辆启动用的超级电池，其中，所述恒流充电电路上设有复位输入端和复位输出端，且包括芯片，所述芯片具有若干引脚，若干引脚分别依次连接有定时电阻R4、定时电容C9、电阻分压器、集电极电阻R6、复位延迟电容C6、自举电容C10、电抗器L1、公共端、输入端、高频补偿电容C7、反馈输入端、软启动电容C5、Vref端滤波电容C4和驱动级启动端电容C3；

所述公共端与定时电阻R4、定时电容C9、电阻分压器、复位延迟电容C6、高频补偿电容C7、软启动电容C5、Vref端滤波电容C4和驱动级启动端电容C3相连，所述集电极电阻R6和电抗器L1均与复位输出端相连；

所述复位输入端与电阻分压器相连，且设有并联的滤波电容C1和滤波电容C2，所述滤波电容C1和滤波电容C2与自举电容C10之间设有并联的续流二极管VD和吸收网络，且与复位输出端之间设有并联的电阻R7和若干输出端滤波电容，所述电阻R7串联电阻R9，所述电阻R9连接接地端，所述电阻R7和电阻R9与反馈输入端相连。

上述一种车辆启动用的超级电池，其中，所述芯片为L4970A芯片。

上述一种车辆启动用的超级电池，其中，所述电阻分压器包括串联的电阻R1和电阻R2。

上述一种车辆启动用的超级电池，其中，所述续流二极管VD为20A、80V的MBR2080型肖特基二极管。

上述一种车辆启动用的超级电池，其中，所述吸收网络包括串联的电阻R5和电容C11。

上述一种车辆启动用的超级电池，其中，若干输出端滤波电容包括电容C12、电容C13、电容C14和电容C15。

上述一种车辆启动用的超级电池，其中，所述高频补偿电容C7并联有频率补偿网络，所述频率补偿网络包括串联的电阻R3和电容C8。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型结构新颖紧凑、设计合理、具有以下优点:1、使用寿命长：采用在电源管理系统下以小容量的蓄电池配合超级电容模块组，启动瞬间可提供 2250A 的电流，有效改善汽车电气设备的电磁环境、汽车的启动性能、电池性能和延长电池使用寿命，使得启动次数可达500000次或90000h，显著改善汽车电源在启动过程中的性能；2、工作温度宽：可以在很-40℃～+70℃温度范围内正常工作，解决了车辆低温下难启动的问题；3、更环保：避免传统蓄电池铅、酸等重金属及污染物；4、充电时间短，放电电流大：只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95％以上，避免传统铅酸电池充电几个小时，还可提供很高的放电电流，额定放电电流不低于950 A，放电峰值电流可达1680A；5、重量轻，性能优：相比同安时数的蓄电池，重量仅为的40%，大电流输出能力是相同安时数的电池10倍。

附图说明

图1为本实用新型结构框图。

图2为本实用新型的均压电路图。

图3为本实用新型的恒流充电电路图。

图4为均压电路伏安特性图。

图5为理想充电电路图。

图6为充电电流与充电效率η的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。

参见附图1：一种车辆启动用的超级电池，包括超级电容模块组、备用免维护蓄电池和电源管理系统，所述超级电容模块组包括若干串并联连接的超级电容单体，所述超级电容模块组由5个3000F、2.7V的超级电容单体串联组成，所述备用免维护蓄电池为17安时，所述超级电容模块组连接有均压电路，所述电源管理系统包括恒流充电电路、输出电路和应急充电电路，所述恒流充电电路一端通过输出电路连接有车辆发电机整流电路，另一端与超级电容模块组一端相连，并通过应急充电电路与备用免维护蓄电池一端相连，所述超级电容模块组和备用免维护蓄电池另一端设有备用启动开关，所述备用启动开关连接有车辆启动电路；

参见图2，所述均压电路为限幅型均压电路，该图中R1~R9表示电阻，C1表示电容，Q1、Q2表示晶体三极管， U1表示IC集成电路；

参见图3，恒流充电电路上设有复位输入端和复位输出端，且包括芯片，所述芯片为L4970A芯片，所述芯片具有1~15引脚，1~12~15引脚分别依次连接有定时电阻R4、定时电容C9、电阻分压器、集电极电阻R6、复位延迟电容C6、自举电容C10、电抗器L1、公共端、输入端、高频补偿电容C7、反馈输入端、软启动电容C5、Vref端滤波电容C4和驱动级启动端电容C3，L4970A芯片的13引脚是用于多片同时使用的同步输入端，因此图中未视出13引脚；

所述电阻分压器包括串联的电阻R1和电阻R2，所述续流二极管VD为20A、80V的MBR2080型肖特基二极管，所述公共端与定时电阻R4、定时电容C9、电阻分压器、复位延迟电容C6、高频补偿电容C7、软启动电容C5、Vref端滤波电容C4和驱动级启动端电容C3相连，所述集电极电阻R6和电抗器L1均与复位输出端相连，所述高频补偿电容C7并联有频率补偿网络，所述频率补偿网络包括串联的电阻R3和电容C8；

所述复位输入端与电阻分压器相连，且设有并联的滤波电容C1和滤波电容C2，所述滤波电容C1和滤波电容C2与自举电容C10之间设有并联的续流二极管VD和吸收网络，且与复位输出端之间设有并联的电阻R7和若干输出端滤波电容，所述吸收网络包括串联的电阻R5和电容C11，若干输出端滤波电容包括电容C12、电容C13、电容C14和电容C15，所述电阻R7串联电阻R9，所述电阻R9连接接地端，所述电阻R7和电阻R9与反馈输入端相连。

本实用新型的工作机理和实验过程为：

在实际应用中，几伏特电压及放电过热会限制超级电容的使用范围，必须将超级电容单体组成超级电容模块组，由于超级电容的放电不完全，存在最低工作电压，所以超级电容单体的能量为，其中C为超级电容的单体电容量， 为超级电容单体充电完成的电压值；

超级电容器单体储存能量有限且耐压不高，因此本实用新型采用串并联连接的超级电容单体扩容，扩大超级电容的使用范围， 假设超级电容阵列包括以m个超级电容单体串联，并以n组并联的方式构成，则每个超级电容单体的能量输出为 ，其中，为芯片的最低启动电压，故超级电容阵列的能量总输出为，构成替代启动蓄电池的超级电容模块组，为超级电容模块组的总能量，因此采用5个3000F/2.7V的体超级电容单串联构成超级电容模块组；

超级电容器的特性，如功率密度、能量密度、储能效率、循环寿命等，取决于器件内部的材料、结构和工艺，器件并联或串联不会影响其特性，所以其等效串联内阻：，其中为串联器件数，为并联支路数，超级电容器组的等效电容为：，故超级电容阵列的等效内阻和等效电容为1.75mΩ、600F；

实验如下：将超级电容模块组的容量与蓄电池的容量参数的比较，由，得到对应于蓄电池安时数的超级电容阵列容量为，其中U_min为相应的芯片的最低启动电压。

为了保证系统安全，各单体间的电压应保持均衡，超级电容进行充放电工作时各单体的电流也应保持一致；为此，超级电容模块组中都会设置相应的均压均流电路板。除了超级电容单体的特性好坏，均压均流电路的设计也是关乎超级电容模块组组性能的重要因素。

由于超级电容器电压均衡电路仅限制超级电容器端电压在额定电压值或以下，而且，通常不希望在额定电压值以下有较大的漏电流，因此：实现可使用的超级电容器电压均衡电路的基本要求为：端电压达到设定值即稳压值后，端电压的微小变化将导致很大的端电流变化，即稳压二极管的反向击穿特性，参见附图4，超级电容器均压电路的伏安特性能承受较大的电流，稳压值应是稳定的，不随时间温度及其他因素变化。

参见附图2，进行超级电容模块组均压电路分析，电压经R5、R6分压送到U1的R端，这个分压值在2.5V以下时，U1的K端相当于开路，有约400uA的漏电流，在R1上基本不产生附加压降，这样，由R1、R2、R3在Q1基极上的分压不是以使Q1导通，因此Q2不导通，电路处于静止高阻状态；当R5，R6分压点等于2.5V时由于Q1内部较放大器的作用。

使Q1的K端电压下降可拉电流100mA以上将在R1上产生最大值为Uc-2V的压差，通常这时对应的Uc为2.7V，使Q1导通进入放大状态，并驱动Q2导通进入放大状态；即由于该电路的U_R端电压Q2集电极电流的跨导非常大，当U1的R端的所接的分压网络与Q2集电极所接的电阻R9连于同一点时，电路的特性类似稳压二极管特性，在一定程度上将端电压限制在“稳压值”以下，保证了超级电容模块组在充电时不会过电压，随着Q2集电极电流的上升，使R9电压达到后在Q2能维持在饱和状态下，该段的外特性是R9的电阻特性，并加一饱和压降，不再是稳压二极管特性。

一般车辆用启动电池容量大都在60安时以上，而本实用新型中备用免维护蓄电池作容量仅为17安时，在系统中主要的作用不是用来启动，而是作为稳压、滤波及备用应急使用，因为没有深度放电及快速充电行为，所以其寿命可以达到8年以上。

参见附图5，对恒流充电电路分析，将超级电容模块组等效为一个理想电容器C，与一个较小阻值的电阻即等效串联阻抗相串联，同时与一个较大阻值的电阻即等效并联阻抗相并联的结构，超级电容模块组可以进行大电流充电，但是由于串联等效电阻的存在，采用过大电流充电时，超级电容的充电效率会有一定程度的降低。

参见附图5，采用恒流充电时， Is为恒流充电电流值，则 ，u(t)表示超级电容模块组端电压，表示超级电容模块组内储存电荷所决定的电容电压；

，其中=0V，为超级电容模块组的初电压，表示在等效串联电阻Res上的压降；

充电过程中消耗的总电能为，超级电容器存储的能量为，由能量守恒公式，等式成立，理想情况下，超级电容器的恒流充电效率表示为；

对超级电容模块组的充电电流和工作效率进行模拟，参见附图6，由图可知，超级电容单体在充电电流为3A~8A时保持比较高的充电效率之后，随着电流强度的增大，损耗在相应电阻上的功率也随之增大,充电效率逐渐下降。

根据上面的结果，参见附图3，采用L4970A芯片构成相关的充电电路对超级电容模块组进行充电，L4970A芯片是ST公司推出的第二代单片开关稳压器，具有输出电流大，输入电压范围宽，开关频率高等特点，具有很高的充电效率；该电路定时电阻R4、定时电容C9为锯齿波振荡器外部的，形成脉冲，电阻分压器用于监视复位输入端，集电极电阻R6开路输出，常态下输出呈高电平，复位延迟电容C6决定复位信号的延迟时间，自举电容C10可提升功率驱动级的电压，获得大电流输出，电抗器L1用于限制容性充电电流，公共端以便与散热器连接，高频补偿电容C7进行误差补偿，反馈输入端经电阻R7和电阻R9分压，可获得40V以下的输出电压，软启动电容C5以决定软起动时间；可以提供10A的恒流充电电流，其输出电压由电阻R7和R9确定，市电220V通过整流滤波之后输出35V的直流电压，C12~C14为输出端滤波电容，通过220μF、40V电解电容并联以降低其等效电感；

L4970A芯片的输出电压设定为13V，其输出电阻R7由下式确定：，其中金属膜电阻R9=3.9K，令Uo=13V，则金属膜电阻R7=6.041K，取标称值6.04K；

超级电容模块组的充电的时间根据公式，其中，C为超级电容的额定容量，dv为超级电容的电压变化，I为超级电容的充电电流，t为充电时间；故充电电流为10A的情况下，超级电容阵列的充电时间为t=(Cxdv)/I=(3000x2.6x5)/10=3900s；

超级电容模块组组两端直接连接车辆启动电路，可以做到低阻抗启动车辆，超级电容模块组的伏安特性为瞬间提供大电流，便于车辆启动，随后电流迅速衰减使得车辆启动启动电机得以保护，与车辆启动电机伏安特性完全吻合，使得车辆启动性能得到很好改善，使用的材料为碳、铝、硅等无害材料，安全且无毒的，生产、使用及销毁都是安全且无毒的；用作启动电源中的超级电容模块组可以提供车辆连续启动五次，如果五次启动还不能启动起车辆，则需打开应急启动开关，将小容量的备用免维护蓄电池接入。

本实用新型的使用性能：启动瞬间可提供 2250A 的电流，启动次数可达500000次或90000h，可以在很-40℃～+70℃温度范围内正常工作，只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95％以上，避免传统铅酸电池充电几个小时，还可提供很高的放电电流，额定放电电流不低于950 A，放电峰值电流可达1680 A，相比同安时数的蓄电池，重量仅为的40%，大电流输出能力是相同安时数的电池10倍；而铅酸电池充电通常需要几个小时，在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能的，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池，在如此高的放电电流下，使用寿命大大缩短。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种车辆启动用的超级电池，其特征为，包括超级电容模块组、备用免维护蓄电池和电源管理系统，所述超级电容模块组包括若干串并联连接的超级电容单体，所述超级电容模块组连接有均压电路，所述电源管理系统包括恒流充电电路、输出电路和应急充电电路，所述恒流充电电路一端通过输出电路连接有车辆发电机整流电路，另一端与超级电容模块组一端相连，并通过应急充电电路与备用免维护蓄电池一端相连，所述超级电容模块组和备用免维护蓄电池另一端设有备用启动开关，所述备用启动开关连接有车辆启动电路。

2.如权利要求1所述的一种车辆启动用的超级电池，其特征为，所述超级电容模块组由5个3000F、2.7V的超级电容单体串联组成，所述备用免维护蓄电池为17安时。

3.如权利要求1所述的一种车辆启动用的超级电池，其特征为，所述均压电路为限幅型均压电路。

4.如权利要求1所述的一种车辆启动用的超级电池，其特征为，所述恒流充电电路上设有复位输入端和复位输出端，且包括芯片，所述芯片具有若干引脚，若干引脚分别依次连接有定时电阻R4、定时电容C9、电阻分压器、集电极电阻R6、复位延迟电容C6、自举电容C10、电抗器L1、公共端、输入端、高频补偿电容C7、反馈输入端、软启动电容C5、Vref端滤波电容C4和驱动级启动端电容C3；

所述公共端与定时电阻R4、定时电容C9、电阻分压器、复位延迟电容C6、高频补偿电容C7、软启动电容C5、Vref端滤波电容C4和驱动级启动端电容C3相连，所述集电极电阻R6和电抗器L1均与复位输出端相连；

所述复位输入端与电阻分压器相连，且设有并联的滤波电容C1和滤波电容C2，所述滤波电容C1和滤波电容C2与自举电容C10之间设有并联的续流二极管VD和吸收网络，且与复位输出端之间设有并联的电阻R7和若干输出端滤波电容，所述电阻R7串联电阻R9，所述电阻R9连接接地端，所述电阻R7和电阻R9与反馈输入端相连。

5.如权利要求4所述的一种车辆启动用的超级电池，其特征为，所述芯片为L4970A芯片。

6.如权利要求4所述的一种车辆启动用的超级电池，其特征为，所述电阻分压器包括串联的电阻R1和电阻R2。

7.如权利要求4所述的一种车辆启动用的超级电池，其特征为，所述续流二极管VD为20A、80V的MBR2080型肖特基二极管。

8.如权利要求4所述的一种车辆启动用的超级电池，其特征为，所述吸收网络包括串联的电阻R5和电容C11。

9.如权利要求4所述的一种车辆启动用的超级电池，其特征为，若干输出端滤波电容包括电容C12、电容C13、电容C14和电容C15。

10.如权利要求4所述的一种车辆启动用的超级电池，其特征为，所述高频补偿电容C7并联有频率补偿网络，所述频率补偿网络包括串联的电阻R3和电容C8。