專利名稱：一種超級電容發(fā)動機(jī)啟動電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于超級電容蓄能的發(fā)動機(jī)啟動電源裝置。該裝置涉及汽車及工程車輛、工程設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
蓄電池是汽車啟動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響汽車的啟動效果。汽車啟動需要大的啟動電流，然而蓄電池在高倍率放電和低溫放電時性能變得很差，而且啟動過程中的電壓劇烈變化會造成電氣設(shè)備掉電死機(jī)。且傳統(tǒng)蓄電池對設(shè)備本身和環(huán)境污染嚴(yán)重，使用壽命僅為2-3年，維護(hù)麻煩。為有效解決上述問題，經(jīng)我們理論研究及實踐研制出我們的超級電容發(fā)動機(jī)啟動電源，用于替代現(xiàn)有設(shè)備車輛啟動蓄電池。超級電容作為一種新型儲能裝置，具有超級儲電能力。在儲能機(jī)理上，高度可逆，壽命很長，可千萬次反復(fù)地充、放電，而且有很大的電流，具有很寬的電壓范圍和工作溫度范圍。超級電容兼具傳統(tǒng)電容器的大電流快速充放電特性與電池的儲能特性，填補(bǔ)了普通電容器與電池之間比能量與比功率的空白，其放電比功率較蓄電池高近十倍，彌補(bǔ)了鋁電解電容和可充電電池之間的技術(shù)缺口，同時又克服了兩者的缺陷，既具有電池的能量貯存特性，又具有電容器的功率特性，超級電容比傳統(tǒng)電解電容器的能量密度高上千倍，可達(dá)1000ff/kg數(shù)量級。超級電容具有高至數(shù)千法拉甚至上萬法拉的超大電容量，儲電能量大、時間長；能夠瞬間釋放數(shù)百至數(shù)千A電流，大電流放電甚至短路也不會對其有任何影響；可充放電10萬次以上而不需要任何維護(hù)和保養(yǎng)，壽命長達(dá)十年以上。超級電容可用于以極大電流瞬間放電的工作狀態(tài)，而不易產(chǎn)生發(fā)熱著火等現(xiàn)象；充電時間很短，可在幾秒之內(nèi)完成，是一種理想的大功率二次電源。超級電容可在極低溫等極端惡劣的環(huán)境中使用，并且無環(huán)境污染，具有安全可靠、適用范圍寬、綠色環(huán)保、易維護(hù)等特點(diǎn)，是改善和解決電能動力應(yīng)用的突破性元器件。超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的新型儲能容器。電容量取決于電極間距離和電極表面積，為了得到盡量大的電容量，要盡可能縮小超級電容器電極間距離，增加電極表面積，所以采用雙電層結(jié)構(gòu)、活性炭多孔化電極。超級電容容量大、壽命長，可以大電流快速充放電，工作的溫度范圍為-40 0C 70°C。利用超級電容作為啟動源，可以進(jìn)行大電流放電，提供快速的功率響應(yīng)，進(jìn)而改善啟動性能，且超級電容在低溫下的良好工作性能，可以有效改善汽車在低溫時的啟動狀況。蓄電池是車輛上的關(guān)鍵電器部件，其性能直接影響車輛的啟動。現(xiàn)在的車載發(fā)動機(jī)啟動絕大部分采用電動機(jī)啟動方式。裝置結(jié)構(gòu)超級電容發(fā)動機(jī)啟動電源裝置,如圖I包括Al電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng),E2超級電容組儲能系統(tǒng)，A2儲能完成告警系統(tǒng)。Al :電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將輔助電源轉(zhuǎn)換成發(fā)動機(jī)所需要的工作電源。系統(tǒng)電路可以是如圖2B00ST非隔離升壓形式電路構(gòu)成、或如圖3BUCK非隔離降壓形式電路構(gòu)成、或如圖4隔離升降壓形式電路構(gòu)成。E2 E2超級電容組儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于儲存轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的能量，系統(tǒng)構(gòu)成如圖5構(gòu)成，由于單體超級電容耐壓較低(一般是2. 75V)實際使用中通過對若干超級電容串并聯(lián)的形式得到所需的耐壓和容量。圖中幾Q是單體電容的均流裝置，其作用是防止因電容組單體電容性能差異導(dǎo)致的個別電容端電壓過高損壞電容，將高于2. 75V電壓旁路泄流。A2 :儲能完成告警系統(tǒng)，該系統(tǒng)用來監(jiān)視超級電容組的能量是否達(dá)到要求，當(dāng)電容組電源達(dá)到要求時提供告警信號，提醒操作人員或控制系統(tǒng)已完成充電過程，可以啟動工作。電路構(gòu)成如圖6構(gòu)成。其工作過程將輔助電源連接到Al輸入端，Al輸出端口連接到E2輸入端口，E2輸出端口連接到A2輸入口，同時A2輸出口連接到負(fù)載(啟動馬達(dá))。工作原理先由Al將輔助電源的電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓并儲存在E2內(nèi)，當(dāng)E2電源達(dá)到要求的電壓時，A2將提供充電完成信號。這時可以通過超級電容發(fā)動機(jī)啟動電源裝置啟動發(fā)動機(jī)。由于超級電容的等效串聯(lián)電阻遠(yuǎn)小于蓄電池(輔助電源)的內(nèi)阻，所以啟動電流將由超級電容提供，蓄電池(輔助電源)只需要提供電容充電電流，避免了蓄電池(輔助電源)的大倍率放電，使蓄電池的平穩(wěn)電壓得到有效提高，從而改善了汽車的啟動性能，提高了蓄電池的壽命。啟動功率的選擇啟動機(jī)功率的選擇取決于2個因素，即發(fā)動機(jī)的最低啟動轉(zhuǎn)速和啟動阻力矩，計算公式為P = MQ nQ/9550 (I)其中，MQ為發(fā)動機(jī)啟動阻力矩nQ為最低啟動轉(zhuǎn)速。MQ、nQ具體數(shù)據(jù)由發(fā)動機(jī)廠家提供。超級電容容量的選擇超級電容容量可由下式計算C2 = Q/ Δ U (8)其中，C2為超級電容容量；Q為超級電容放出的電量；AU為超級電容的電壓變化值。超級電容放出的容量可以由下式計算Q = / idt (9)其中，Q為超級電容儲存的電量；1為超級電容的放電電流；t為超級電容的放電時間。在計算過程中，可按下式計算Q = P (U)-IRO (R0+R1)-It (10)實際操作中建議電容量以每次充電能夠完成連續(xù)3次啟動為準(zhǔn)。
試驗過程發(fā)現(xiàn)，在低溫啟動時，由于蓄電池在低溫狀態(tài)下的特性變差，試驗中出現(xiàn)難以啟動或需要多次點(diǎn)火才能啟動的狀況。但超級電容特性受低溫影響小，則不會出現(xiàn)這種狀況，只需一次點(diǎn)火就能啟動。超級電容混合蓄電池的新型汽車啟動系統(tǒng)，有效地提高了汽車的啟動性能和電池(輔助電源)的使用壽命。與現(xiàn)有的啟動系統(tǒng)相比，該新型啟動系統(tǒng)的特點(diǎn)是可靠性高、啟動性能高、啟動電源壽命長及低溫啟動效果好，無污染。該啟動系統(tǒng)能有效應(yīng)用在大功率發(fā)動機(jī)啟動，尤其對低溫地區(qū)或冬季車輛的啟動效果，具有明顯改善。同時由于使用了電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)A2，輔助電源可以方便的使用，比如使用小的方便移動的小容量蓄電池等。


圖I是本發(fā)明原理框圖 圖2是本發(fā)明的I種電源轉(zhuǎn)換原理 圖3是本發(fā)明的另I種電源轉(zhuǎn)換原理圖 圖4是本發(fā)明的另I種電源轉(zhuǎn)換原理圖· 圖5是本發(fā)明超級電容組原理圖 圖6是本發(fā)明超級電容充滿指示原理圖
權(quán)利要求
1.一種超級電容發(fā)動機(jī)啟動電源裝置，其特征在于電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Al、超級電容組儲能系統(tǒng)E2、儲能完成告警系統(tǒng)A2。其中電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Al的輸入端口 1、2接外部的輔助電源，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Al的輸出端口 3與超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸入端口 5連接，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Al輸出端口 4與超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸入端口 6連接。超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸出端口 7與儲能完成告警系統(tǒng)A2的端口 9連接，同時超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸出端口 7與負(fù)載正極連接，超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸出端口 8與儲能完成告警系統(tǒng)A2的端口 10連接，同時超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸出端口 8與負(fù)載的負(fù)極連接。其中A2的完成告警信號可以是以LED信號燈、蜂鳴器或開關(guān)信號。
2.如權(quán)利要求I所述的一種超級電容發(fā)動機(jī)啟動電源裝置，其特征在于電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Al用于按照啟動馬達(dá)的需要，將任意形式輔助電源(可以是小容量蓄電池或交流電源)轉(zhuǎn)換成啟動馬達(dá)的需要電源輸送給超級電容組儲能系統(tǒng)E2進(jìn)行存儲。其中輔助電源與電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Al的輸入端1、2連接，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Al的輸出端3與超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸入端5連接，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Al的輸出端4與超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸入端6連接。其中電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Al的電路形式可以是電路，如圖2BOOST非隔離升壓形式電路構(gòu)成、或如圖3BUCK非隔離降壓形式電路構(gòu)成、或如圖4隔離升降壓形式電路構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求I所述的一種超級電容發(fā)動機(jī)啟動電源裝置，其特征在于超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸入端5與電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Al的輸出端3連接，超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸入端6與電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Al的輸出端4連接，超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸出端口 7與儲能完成告警系統(tǒng)A2的端口 9連接，同時超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸出端口 7與負(fù)載正極連接，超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸出端口 8與儲能完成告警系統(tǒng)A2的端口 10連接，同時超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸出端口 8與負(fù)載的負(fù)極連接。超級電容組儲能系統(tǒng)E2用于存儲啟動馬達(dá)啟動發(fā)動機(jī)所需要的能量，超級電容組儲能系統(tǒng)E2的系統(tǒng)構(gòu)成如圖5由若干超級電容串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成，以滿足需要的電壓和容量。
4.如權(quán)利要求I所述的一種超級電容發(fā)動機(jī)啟動電源裝置，其特征在于儲能完成告警系統(tǒng)A2用于提供儲能完成告警信號，提示操作人員或設(shè)備可以啟動操作。儲能完成告警系統(tǒng)A2的端口 9與超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸出端口 7連接。儲能完成告警系統(tǒng)A2的端口 10與超級電容組儲能系統(tǒng)E2的輸出端口 8連接。儲能完成告警系統(tǒng)A2的完成告警信號可以是以LED信號燈，蜂鳴器或開關(guān)信號。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于超級電容替代現(xiàn)有發(fā)動機(jī)啟動電瓶的車輛及設(shè)備啟動電源替代系統(tǒng)。它由A1電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，E2超級電容組儲能系統(tǒng)，A2儲能完成告警系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)利用A1電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將任意形式的輔助電源轉(zhuǎn)換成啟動馬達(dá)所需要的電源并儲存在E2超級電容組儲能系統(tǒng)，A2儲能完成告警系統(tǒng)提供超級電容儲存完成信號，最后供給發(fā)動機(jī)啟動馬達(dá)用于啟動發(fā)動機(jī)。該系統(tǒng)利用輔助電源對超級電容充電，啟動時由超級電容組為啟動馬達(dá)提供強(qiáng)勁的起動能量。
文檔編號B60L11/18GK102957212SQ20111020004
公開日2013年3月6日 申請日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者祁延年, 謝錫聰 申請人:祁延年, 謝錫聰