基于超級電容器的發動機冷啟動模組研究與應用

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使用時，由于氣溫過低導致蓄電池的放電能力嚴重下降，此時發動機啟動就會出現蓄電池供電不足，點火次數減少，最終可能導致汽車無法正常啟動。超級電容器在低溫環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，改善汽車的啟動性能，延緩蓄電池壽命。

關鍵詞：低溫條件;商用車;發動機啟動;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氣管，給發動機灌熱水以及推車、拖車、溜車等落后的方法來啟動汽車，這些方法不僅費力費時、費燃料，而且一旦操作不當，極易發生火災，很不安全，隨著科技的發展可以通過科學的方法解決進氣管加熱等問題，但本質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動機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，從而提高商用車經濟性。

2 柴油機低溫啟動困難原因

柴油機啟動困難只是最終現象，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動機啟動提供動力的蓄電池容量不足;二是發動機啟動時的轉動阻力（潤滑油粘度）太大。因此柴油機啟動困難要考慮到各個系統及其相關的影響關系。但主要圍繞在低壓柴油系統、進氣系統、蓄電池和起動機、潤滑油等方面，低壓柴油系統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氣問題和燃油結蠟問題;進氣系統部分通過PTC格柵進氣加熱和火焰進氣預熱裝置來解決進氣溫度過低的問題;潤滑系統部分只要通過發動機機油預熱來解決潤滑油粘度加大引起旋轉部件阻力矩加大的問題;蓄電池和起動機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寒低溫環境條件的影響較大，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層，從而導致鉛酸蓄電池電化學反應速度放慢，充電接受能力變差，實際輸出容量減小[2]，這是鉛酸蓄電池低溫放電能力下降的根本原因，也是低溫環境下啟動車輛困難最重要的原因。

3 發動機冷啟動模組組成

發動機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，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300～5000W/kg，相當于蓄電池的10倍;瞬間大電流放電能力強，瞬間能夠提供2000A左右的大電流，輸出功率大;內阻小，充放電響應速度快，使用壽命長，充放電壽命可達1000000次;使用溫度范圍寬，可以在-40～65℃環境條件下全天候使用;無污染，超級電容器的密封結構使其電解質不會泄漏在空氣中原材料的生產及拆解過程中也無污染，是一種理想的綠色環保電源[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，當超級電容器電壓達到28V，停止工作保護模組;或者當接收到超壓信號即停止工作保護模組。

均壓電路會對各個電容單體進行均壓和監測，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 實車驗證

相對于蓄電池24V起動，發動機冷啟動模組是通過與24V蓄電池串聯方式連接到整車上的，Battery+經過手動電源總開關與蓄電池正極相連接，避免冷啟動模組與蓄電池并聯引起的因模組漏電流導致蓄電池虧電，避免DCDC轉換器漏電流引起蓄電池虧電;Starter+直接與起動機相連，僅發動機冷啟動模組為起動機提供電能，避免發電機直接給模組充電。

在黑河進行多次低溫啟動試驗，實驗車型主要有一汽解放JH6 420、一汽解放JH6 400、一汽解放JH6 550等，發動機冷啟動模組在零下25℃條件下均成功啟動發動機。

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

5 結束語

在低壓柴油系統、進氣系統、潤滑油等方面都采取相應措施后，發動機冷啟動模組可以在低溫條件下為起動機提供足夠大的電流，避免蓄電池低溫大電流放電，延長蓄電池壽命，提高整車經濟性，發動機冷啟動模組可在商用車領域廣泛推廣。

參考文獻：

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

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

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