基于超級電容器的發(fā)動機(jī)冷啟動模組研究與應(yīng)用

李泰祥 宋陽 蘇玉琢 姜衍猛 楊洪斌

摘 要：低溫條件對起動電池的大電流放電性能提出了更高的要求，商用車在高原高寒地區(qū)使用時，由于氣溫過低導(dǎo)致蓄電池的放電能力嚴(yán)重下降，此時發(fā)動機(jī)啟動就會出現(xiàn)蓄電池供電不足，點(diǎn)火次數(shù)減少，最終可能導(dǎo)致汽車無法正常啟動。超級電容器在低溫環(huán)境下有較好的放電能力，可以確保啟動時提供足夠的啟動電流和啟動次數(shù)，改善汽車的啟動性能，延緩蓄電池壽命。

關(guān)鍵詞：低溫條件;商用車;發(fā)動機(jī)啟動;超級電容器

1 背景

寒冷地帶的人們通常采用火烤油底殼和進(jìn)氣管，給發(fā)動機(jī)灌熱水以及推車、拖車、溜車等落后的方法來啟動汽車，這些方法不僅費(fèi)力費(fèi)時、費(fèi)燃料，而且一旦操作不當(dāng)，極易發(fā)生火災(zāi)，很不安全，隨著科技的發(fā)展可以通過科學(xué)的方法解決進(jìn)氣管加熱等問題，但本質(zhì)問題蓄電池低溫放電能力還沒有得到解決，基于超級電容器的發(fā)動機(jī)冷啟動模組不但可以保證提供商用車低溫啟動所需的大電流放電，改善汽車啟動性能，還可以避免蓄電池低溫大電流放電，延緩蓄電池使用壽命，從而提高商用車經(jīng)濟(jì)性。

2 柴油機(jī)低溫啟動困難原因

柴油機(jī)啟動困難只是最終現(xiàn)象，柴油無法燃燒才是根本的原因[1]。柴油無法燃燒的根本原因一是為發(fā)動機(jī)啟動提供動力的蓄電池容量不足;二是發(fā)動機(jī)啟動時的轉(zhuǎn)動阻力（潤滑油粘度）太大。因此柴油機(jī)啟動困難要考慮到各個系統(tǒng)及其相關(guān)的影響關(guān)系。但主要圍繞在低壓柴油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、蓄電池和起動機(jī)、潤滑油等方面，低壓柴油系統(tǒng)通常通過增加泵油排空裝置和燃油加熱裝置來解決燃油管進(jìn)氣問題和燃油結(jié)蠟問題;進(jìn)氣系統(tǒng)部分通過PTC格柵進(jìn)氣加熱和火焰進(jìn)氣預(yù)熱裝置來解決進(jìn)氣溫度過低的問題;潤滑系統(tǒng)部分只要通過發(fā)動機(jī)機(jī)油預(yù)熱來解決潤滑油粘度加大引起旋轉(zhuǎn)部件阻力矩加大的問題;蓄電池和起動機(jī)通常是通過合理匹配來解決起動問題，但車輛用鉛酸蓄電池的電性能受嚴(yán)寒低溫環(huán)境條件的影響較大，一般鉛酸蓄電池電解液溫度每降低1℃，電解液的比電阻要增加11倍，容量下降1%～2%，電解液粘度加倍，使得電解液很難滲入到極板內(nèi)層，從而導(dǎo)致鉛酸蓄電池電化學(xué)反應(yīng)速度放慢，充電接受能力變差，實(shí)際輸出容量減小[2]，這是鉛酸蓄電池低溫放電能力下降的根本原因，也是低溫環(huán)境下啟動車輛困難最重要的原因。

3 發(fā)動機(jī)冷啟動模組組成

發(fā)動機(jī)冷啟動模組由超級電容器儲能單元，DCDC、均壓電路組成。

儲能單元采用11個2.7V，3000F超級電容器串聯(lián)，總電壓范圍為0-29.7V，容值為272F。超級電容器功率密度高，功率密度一般可達(dá)300～5000W/kg，相當(dāng)于蓄電池的10倍;瞬間大電流放電能力強(qiáng)，瞬間能夠提供2000A左右的大電流，輸出功率大;內(nèi)阻小，充放電響應(yīng)速度快，使用壽命長，充放電壽命可達(dá)1000000次;使用溫度范圍寬，可以在-40～65℃環(huán)境條件下全天候使用;無污染，超級電容器的密封結(jié)構(gòu)使其電解質(zhì)不會泄漏在空氣中原材料的生產(chǎn)及拆解過程中也無污染，是一種理想的綠色環(huán)保電源[3]。

DCDC主要作用是限流給超級電容器充電，避免蓄電池過流給超級電容模組充電，保護(hù)蓄電池，輸入電壓為蓄電池的24V，最大輸出電壓為28V，充電電流為20A，當(dāng)超級電容器電壓達(dá)到28V，停止工作保護(hù)模組;或者當(dāng)接收到超壓信號即停止工作保護(hù)模組。

均壓電路會對各個電容單體進(jìn)行均壓和監(jiān)測，均壓方式為被動均壓，單體電壓值超過閾值均壓電路反饋給DCDC超壓信號，DCDC接收到超壓信號會停止工作。

4 實(shí)車驗(yàn)證

相對于蓄電池24V起動，發(fā)動機(jī)冷啟動模組是通過與24V蓄電池串聯(lián)方式連接到整車上的，Battery+經(jīng)過手動電源總開關(guān)與蓄電池正極相連接，避免冷啟動模組與蓄電池并聯(lián)引起的因模組漏電流導(dǎo)致蓄電池虧電，避免DCDC轉(zhuǎn)換器漏電流引起蓄電池虧電;Starter+直接與起動機(jī)相連，僅發(fā)動機(jī)冷啟動模組為起動機(jī)提供電能，避免發(fā)電機(jī)直接給模組充電。

在黑河進(jìn)行多次低溫啟動試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)車型主要有一汽解放JH6 420、一汽解放JH6 400、一汽解放JH6 550等，發(fā)動機(jī)冷啟動模組在零下25℃條件下均成功啟動發(fā)動機(jī)。

以JH6 400車型為例，在零下20℃環(huán)境下，發(fā)動機(jī)需求最大啟動電流為1200A左右，在低溫條件下單獨(dú)使用蓄電池啟動發(fā)動機(jī)會對蓄電池壽命產(chǎn)生很大影響，充滿電后的發(fā)動機(jī)冷啟動模組可以順利地啟動發(fā)動機(jī)，模組放電電流和電壓變化如圖1所示。

5 結(jié)束語

在低壓柴油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、潤滑油等方面都采取相應(yīng)措施后，發(fā)動機(jī)冷啟動模組可以在低溫條件下為起動機(jī)提供足夠大的電流，避免蓄電池低溫大電流放電，延長蓄電池壽命，提高整車經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動機(jī)冷啟動模組可在商用車領(lǐng)域廣泛推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]叢孟營.電控柴油機(jī)低溫起動性能關(guān)鍵影響因素研究[D].天津：天津大學(xué)，2015.

[2]師永強(qiáng)，穆希輝，杜峰坡.柴油機(jī)啟動性能改進(jìn)措施[J].機(jī)械與電子，2010，8（08）：37-39.

[3]牛建民.復(fù)合電源低溫起動應(yīng)用研究[J].車輛與動力技術(shù)，2012（03）：47-50.