一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统

摘要

本发明公开了一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，具体涉及汽车低温启动电源系统领域，包括蓄电池，所述蓄电池通过放电电路给发动机的起动机供电，所述蓄电池两端并联连接EDLC电容器启动电源装置；EDLC电容器启动电源装置由EDLC电容器、微控制器、继电器、传感器、时钟/脉宽调制模块和自动控制开关组成，并集成于系统电路板上；蓄电池通过升压充电电路给EDLC电容器充电。本发明系统利用电容容量大、充放电寿命长、充电时间短、能提供很高的放电电流、内阻小和正常工作温度范围宽等特点，通过电子控制技术，置换出蓄电池的部分能量和电源系统电芯的能量，在恰当的时机释放，提高了汽车电源的有效能量及起动能力。

权利要求

1.一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，包括蓄电池(1)，所述蓄电池(1)通过放电电路给发动机的起动机供电，其特征在于：所述蓄电池(1)两端并联连接EDLC电容器启动电源装置(2)；

EDLC电容器启动电源装置(2)由EDLC电容器(21)、微控制器(22)、继电器(23)、传感器(24)、时钟/脉宽调制模块(25)和自动控制开关(26)组成，并集成于系统电路板(27)上；

蓄电池(1)通过升压充电电路给EDLC电容器(21)充电，自动控制开关(26)设置于该充电电路上并由微控制器(22)控制，所述EDLC电容器(21)通过放电电路给发动机的起动机供电；

微控制器(22)通过继电器(23)采集点火开关信号，微控制器(22)通过传感器(24)采集环境温度、蓄电池(1)电压和电容电压信号，脉宽调制模块采集发动机转速信号，计算出发动机转速并发送数据至微控制器(22)；微控制器(22)输出端连接升压充电电路和放电电路；

微控制器(22)综合外界环境温度、发动机转速及起动时间信息，通过控制算法，确定EDLC电容器(21)的放电时机。

2.根据权利要求1所述的一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，其特征在于：还包括外壳(28)，所述EDLC电容器启动电源装置(2)、安装于汽车上，所述EDLC电容器启动电源装置(2)包括外壳(28)，所述EDLC电容器(21)和蓄电池(1)均固定于外壳(28)内。

3.根据权利要求1所述的一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，其特征在于：所述升压充电电路包括升压转换器。

4.根据权利要求1所述的一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，其特征在于：所述传感器(24)包括温度传感器、蓄电池电压传感器、电容电压传感器，分别用于采集环境温度、蓄电池(1)电压和电容电压，所述传感器(24)通过转换器与微控制器(22)连接，用于信号的采集。

5.根据权利要求1所述的一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，其特征在于：所述微控制器(22)为单片机，所述单片机包括512B的RAM.8KB的内置存储器、照明接口、USB接口、点烟器接口和自动报警器。

6.根据权利要求5所述的一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，其特征在于：所述微控制器(22)采用USB接口输出升压电路控制信号给升压充电电路，用于控制蓄电池(1)给EDLC电容器(21)升压充电。

7.根据权利要求5所述的一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，其特征在于：所述微控制器(22)通过USB接口输出电容能量输出控制信号给蓄电池(1)和EDLC电容器(21)，用于控制蓄电池(1)和EDLC电容器(21)给发动机的起动机供电。

8.根据权利要求5所述的一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，其特征在于：所述微控制器(22)通过照明接口输出指示灯信号给充电指示灯和并联指示灯，所述充电指示灯和并联指示灯均集成于系统电路板(27)上。

说明书

一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统

技术领域

[0001] 本发明实施例涉及汽车低温启动电源系统领域，具体涉及一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统。

背景技术

[0002] 低温起动性能是重型汽车的主要性能之一。车辆在低温下放置过久，或者长时间处于耗电状态下，蓄电瓶馈电不能起动或起动耗费时间长。会给使用者带来许多不便，特别
是对于军用、消防急救等车辆，甚至因此而延误时机，造成无法估量的损失。

[0003] 我国北部、西北部、东北部地区因地理位置和自然条件影响，气候条件十分恶劣，最低气温甚至低于‑40至‑60℃。在这样的环境条件下，汽车起动性能再优良，也不能保证其
正常工作。

[0004] 目前，国内解决严寒地区冬季汽车起动的主要方法有：加注起动液、进气预热、发动机火焰预热、燃油加热器加热和蓄电池加热保温等。这些方法虽然能在一定程度上改善
汽车冷起动的性能。但过程繁琐、耗费时间长、浪费人力和燃料，而且存在着安全方面的隐
患。因此，深入研究重型汽车在低温条件下的起动情况，改善其起动性能，保证其在低温下
能够顺利起动运行，具有十分重要的意义。

[0005] 汽车低温起动过程分析：汽车的起动是指发动机曲轴在外力作用下开始转动。直到发动机自动地进入到怠速运转的全过程。对于汽车起动，最坏的情况就是低温起动。当汽
车处于温度极低的环境时.起动困难主要有以下原因：

[0006] a.润滑油粘度增大，流动性变差，使得各摩擦副之间供油不足，形成半干摩擦或干摩擦，增大了摩擦副间的运动阻力，使得起动阻力矩增大；

[0007] b.燃油的粘度和密度均增大，流动性变差，雾化不良，延长了着火滞后期。同时进入气缸的空气温度低，且在工作中冷却液、气缸套、活塞等零件要吸收较多的热量，增大了
热损失，使混合气的温度降低，燃烧条件恶劣；

[0008] c.蓄电池电解液的内阻增加和粘度增大，向极板渗透能力下降，放电时极板内层活性物质不能充分利用，输出能力大大降低，导致起动机无力拖动发动机达到最低起动转
速。汽车低温起动本来就需要较大的起动功率，但蓄电池在低温下的输出功率却大幅降低。

[0009] 为了保证汽车正常起动，要求汽车电源系统必须能提供足够的能量，使发动机达到最低的起动转速。目前国内汽车低温起动的主要方法都没有从根本上解决这个问题，有
的方法相反还要消耗蓄电池的能量。

发明内容

[0010] 为此，本发明实施例提供一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，通过电子控制技术，置换出蓄电池的部分能量和电源系统电芯的能量，在恰当的时机释放，提高了
汽车电源的有效能量及起动能力，以解决现有技术中存在的问题。

[0011] 为了实现上述目的，在对重型汽车处于低温状态，馈电起动过程进行分析的基础上，结合低温条件下蓄电池和电容器的放电特性，本发明实施例提供如下技术方案：一种
EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，包括蓄电池，所述蓄电池通过放电电路给发动
机的起动机供电，所述蓄电池两端并联连接EDLC电容器启动电源装置；

[0012] EDLC电容器启动电源装置由EDLC电容器、微控制器、继电器、传感器、时钟/脉宽调制模块和自动控制开关组成，并集成于系统电路板上；

[0013] 蓄电池通过升压充电电路给EDLC电容器充电，自动控制开关设置于该充电电路上并由微控制器控制，所述EDLC电容器通过放电电路给发动机的起动机供电；

[0014] 微控制器通过继电器采集点火开关信号，微控制器通过传感器采集环境温度、蓄电池电压和电容电压信号，脉宽调制模块采集发动机转速信号，获得单位时间内的脉冲数，
从而计算出发动机转速并发送数据至微控制器；微控制器输出端连接升压充电电路和放电
电路；

[0015] 微控制器综合外界环境温度、发动机转速及起动时间信息，通过控制算法，确定EDLC电容器的放电时机。

[0016] 进一步地，还包括外壳，所述EDLC电容器启动电源装置、安装于汽车上，所述EDLC电容器启动电源装置包括外壳，所述EDLC电容器和蓄电池均固定于外壳内。

[0017] 进一步地，所述升压充电电路包括升压转换器。

[0018] 进一步地，所述传感器包括温度传感器、蓄电池电压传感器、电容电压传感器，分别用于采集环境温度、蓄电池电压和电容电压，所述传感器通过高精度转换器与微控制器
连接，用于信号的采集。

[0019] 进一步地，所述微控制器为单片机，所述单片机包括512B的RAM.8KB的内置存储器、照明接口、USB接口、点烟器接口和自动报警器。

[0020] 进一步地，所述微控制器采用USB接口输出升压电路控制信号给升压充电电路，用于控制蓄电池给EDLC电容器升压充电。

[0021] 进一步地，所述微控制器通过USB接口输出电容能量输出控制信号给蓄电池和EDLC电容器，用于控制蓄电池和EDLC电容器给发动机的起动机供电。

[0022] 进一步地，所述微控制器通过照明接口输出指示灯信号给充电指示灯和并联指示灯，所述充电指示灯和并联指示灯均集成于系统电路板上。

[0023] 本发明实施例具有如下优点：

[0024] 1、本发明系统利用电容容量大、充放电寿命长、充电时间短、能提供很高的放电电流、内阻小和正常工作温度范围宽等特点，通过电子控制技术，置换出蓄电池的部分能量和
电源系统电芯的能量，在恰当的时机释放，提高了汽车电源的有效能量及起动能力；

[0025] 2、本发明将EDLC电容器启动电源装置直接并联到蓄电池的两端，从发动机起动就开始放电，使储存的能量未到最需要能量时就发挥作用；对EDLC电容器的放电，控制策略进
行研究，控制放电时机，使其在发动机最需要提高转速的时刻释放出来，满足发动机从颤抖
阶段向转速稳定阶段过渡过程对能量的需求，提高起动的成功率，改善汽车低温起动性能；

[0026] 3、由于起动前蓄电池对EDLC电容器恒流充电，充电电流较小，蓄电池能量释放缓慢而且释放量不多，对蓄电池的起动能量影响不大，实现了蓄电池能量的转移和有效利用。

附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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
仅是示例性的，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
提供的附图引申获得其它的实施附图。

[0028] 本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的
实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功
效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

[0029] 图1为本发明提供的整体系统框图；

[0030] 图2为本发明提供的整体系统原理图；

[0031] 图3为本发明提供的蓄电池与EDLC电容器启动电源装置并联电路图；

[0032] 图4为本发明提供的EDLC电容器启动电源装置外观图；

[0033] 图5为本发明提供的EDLC电容器启动电源装置内部结构示意图；

[0034] 图6为本发明提供的现有技术中发动机在‑40℃环境下的起动过程图；

[0035] 图7为本发明提供的现有技术中蓄电池的输出电流随时间变化的曲线示意图；

[0036] 图中：1蓄电池、2EDLC电容器启动电源装置、21EDLC电容器、22微控制器、23继电器、24传感器、25时钟/脉宽调制模块、26自动控制开关、27系统电路板、28外壳。

具体实施方式

[0037] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一
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。

[0038] 实施例1：

[0039] 我们以陕汽重卡N3000汽车为试验对象进行研究，其装配潍柴6BT5.9型柴油发动机、风帆牌低温蓄电池1。该发动机在‑40℃的环境下起动过程可分为4种阶段：起动阶段、升
温阶段、颤抖阶段和稳定运转阶段。如图6所示。

[0040] 起动阶段，起动机拖动发动机的各个摩擦副由静止开始旋转，摩擦副之间供油不足，形成半干摩擦或干摩擦，起动阻力矩较大，能量消耗大。随着发动机的转动，摩擦副之间
的润滑状态逐渐改善，阻力变小，转速缓慢上升，同时活塞压缩空气，使得气缸内的温度也
逐步提高，燃油雾化改善。为着火创造有利条件，该阶段定义为升温阶段，对电源的能量需
求有所下降。随着转速的升高，燃烧条件的改善。发动机有个别缸开始着火，发动机发生颤
抖，进入颤抖阶段。由有个别缸着火的颤抖阶段到转速稳定、发动机起动成功阶段，需要电
源提供更大的输出功率，使发动机转速迅速升高。然而，由于低温条件下铅酸蓄电池1电解
液电离的性能变差，蓄电池1的端电压和有效输出电流明显降低。特别是在‑40℃的温度下，
能输出的有效能量不大于其额定容量的10％，不能满足起动过程每个阶段对能量的需求。
在‑40℃环境下，发动机起动时，蓄电池1的输出电流随时间变化的曲线。如图7所示。

[0041] 发动机开始起动时，蓄电池1的输出电流很大，该部分能量主要用来克服阻力矩，拖动发动机转动，能量消耗大。蓄电池1的输出平均电流迅速下降，并随着时间的推移逐渐
递减。当起动过程从颤抖阶段向转速稳定阶段发展而需要蓄电池1提供更大的输出功率时，
它的输出能力已经不足。发动机的转速得不到迅速提升，不利于起动成功，甚至导致起动失
败。间隔一段时间后，待蓄电池1电量有所恢复，再次起动时，蓄电池1可输出的能量比前一
次还要少，起动的成功率更低。

[0042] 参照说明书附图1‑3，该实施例的一种EDLC电容器的重型车辆起动应急电源系统，包括蓄电池1，所述蓄电池1通过放电电路给发动机的起动机供电，所述蓄电池1两端并联连
接EDLC电容器启动电源装置2；

[0043] EDLC电容器启动电源装置2由EDLC电容器21、微控制器22、继电器23、传感器24、时钟/脉宽调制模块25和自动控制开关26组成，并集成于系统电路板27上；

[0044] 蓄电池1通过升压充电电路给EDLC电容器21充电，自动控制开关26设置于该充电电路上并由微控制器22控制，所述EDLC电容器21通过放电电路给发动机的起动机供电；

[0045] 微控制器22通过继电器23采集点火开关信号，微控制器22通过传感器24采集环境温度、蓄电池1电压和电容电压信号，脉宽调制模块采集发动机转速信号，获得单位时间内
的脉冲数，从而计算出发动机转速并发送数据至微控制器22；微控制器22输出端连接升压
充电电路和放电电路；

[0046] 微控制器22综合外界环境温度、发动机转速及起动时间信息，通过控制算法，确定EDLC电容器21的放电时机。

[0047] 进一步地，所述升压充电电路包括升压转换器。

[0048] 进一步地，所述传感器24包括温度传感器、蓄电池电压传感器、电容电压传感器，分别用于采集环境温度、蓄电池1电压和电容电压，所述传感器24通过高精度转换器与微控
制器22连接，用于信号的采集。其中，温度传感器型号设置为WZP‑PT100，蓄电池电压传感器
和电容电压传感器采用CHV‑25P电压传感器。

[0049] 进一步地，所述微控制器22为单片机，所述单片机包括512B的RAM.8KB的内置存储器、照明接口、USB接口、点烟器接口和自动报警器。

[0050] 进一步地，所述微控制器22采用USB接口(普通AB口)输出升压电路控制信号给升压充电电路，用于控制蓄电池1给EDLC电容器21升压充电。

[0051] 进一步地，所述微控制器22通过USB接口输出电容能量输出控制信号给蓄电池1和EDLC电容器21，用于控制蓄电池1和EDLC电容器21给发动机的起动机供电。

[0052] 进一步地，所述微控制器22通过照明接口输出指示灯信号给充电指示灯和并联指示灯，所述充电指示灯和并联指示灯均集成于系统电路板27上。

[0053] 实施场景具体为：本发明利用电容器充电快、容量大、放电电流大等特点，将EDLC电容器启动电源装置2并联到车辆电源系统上，微控制器22控制自动控制开关26，并利用升
压充电电路先将蓄电池1的一部分能量储存到EDLC电容器21中；当脉宽调制模块检测到发
动机转速上升至有个别缸着火时，再通过微控制器22控制EDLC电容器21放电，将升压后充
电电量快速释放，使发动机转速迅速上升，保证发动机一次起动成功。由于起动前蓄电池1
对EDLC电容器21恒流充电，充电电流较小，蓄电池1能量释放缓慢而且释放量不多，对蓄电
池1的起动能量影响不大，实现了蓄电池1能量的转移和有效利用。

[0054] 本发明将EDLC电容器启动电源装置2直接并联到蓄电池1的两端，并联指示灯亮，从发动机起动就开始放电，使储存的能量未到最需要能量时就发挥作用。对EDLC电容器21
的放电，控制策略进行研究，控制放电时机，使其在发动机最需要提高转速的时刻释放出
来，满足发动机从颤抖阶段向转速稳定阶段过渡过程对能量的需求，提高起动的成功率，改
善汽车低温起动性能，并具有一定的创新性。同时，为了提高EDLC电容器21储存的能量加上
应急电源本身的电芯能量，升高EDLC电容器21充电电压，使得储存能量提高到原来的20倍，
大幅度降低单位电量所需的电容质量和体积。

[0055] 系统设计硬件由EDLC电容器21、微控制器22、继电器23、传感器24、时钟/脉宽调制模块25和自动控制开关26组成。

[0056] EDLC电容器21是一种具有电化学储能元器件，受体积和质量的限制，常用的容量一般在45‑70F之间，继续提高十分困难。由于电容器的储存能量形取决于电容的容量和电
容两端的电压，即：功率＝容量*电压2/2。为了增加电容储存的能量，本发明设置了升压充
电电路，能够提高电容的充电电压。在电容体积不变的条件下，将电容的端电压由24V提高
到36V时，电容的储能量加上应急电源的钴酸锂电芯能量能提高到原来的20倍甚至50倍，电
容放电能力超强；

[0057] 微控制器22选用最新推出的功能强、体积小、成本低的单片机，该芯片总线时钟最高可达20MHz，具有512B的RAM.8KB的内置存储器。其外围接口丰富，具有照明、USB、点烟器
接口，自动报警等功能，方便与外部设备通信；

[0058] 采用多路高精度转换器、多路延时脉宽调制模块，方便信号采集；

[0059] 本系统中用3路传感器24，分别采集环境温度、蓄电池1电压和电容电压信号；用时钟/脉宽调制模块25采集发动机转速信号，获得单位时间内的脉冲数，从而计算出发动机转
速；

[0060] 微控制器22用普通AB口输出升压电路控制信号、电容能量输出控制信号和指示灯信号等。

[0061] 系统电路板27的主要功能是对电容器进行充电控制和放电控制，系统充电时，先通过传感器24检测环境温度和电容电压，判断是否需要辅助电源，如果需要，则通过自动控
制开关26打开蓄电池1开关，电源指示灯亮，当EDLC电容器21两端的电压达到预设启动目标
值得同时，电源指示灯灭，可以进入起动状态。在汽车起动过程中，微控制器22综合外界环
境温度、发动机转速及起动时间等信息，通过控制算法，确定低温电容的放电时机。

[0062] 参照说明书附图4‑5，还包括外壳28，所述EDLC电容器启动电源装置2、安装于汽车上，所述EDLC电容器启动电源装置2包括外壳28，所述EDLC电容器21和蓄电池1均固定于外
壳28内。

[0063] 实施例2：

[0064] 试验分析EDLC电容器21低温起动应急电源系统安装在陕汽N3000重卡汽车上，在新疆和东北三省进行了冷低温超低温起动应用。

[0065] 在环境温度为‑4l℃的装车状态件下：首先，将EDLC电容器启动电源装置2与原有电源系统并联连接，作为辅助电源；微控制器22通过温度传感器采集环境温度信号，判断本
次起动是否需要辅助电源(软件设定当环境低于5℃时辅助电源工作)；然后，通过升压充电
电路对EDLC电容器21充电，充电过程耗时近2min。充电完成即充电指示灯灭后，可转动起动
开关，进入起动状态。试验中发动机一次起动成功，达到预期效果。

[0066] 在起动过程中，当EDLC电容器21加上电源电芯一起放电时，瞬时起动机的输入电流提高了近1000A，促使发动机转速的迅速提高从而达到点火启动成功。

[0067] 本发明设计系统的硬件电路和控制软件，研究电容器释放能缝的控制策略，并进行试验验证和分析，试验证明该系统有效地改善了车辆低温起动性能，缩短了起动时间，并
且节约能源，创造经济利益最大化和车辆的各种性能保障。

[0068] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，
在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。