一种免维护便携式超级电容启动器的制作方法

本实用新型涉及汽车低温冷启动技术领域，具体来说，涉及一种免维护便携式超级电容启动器。

背景技术：

每逢严寒时节，汽车低温冷启动问题就会凸显出来。一方面，众多使用柴油发动机的重型车辆需要进行长时间的预热工作才能成功启动。通常，预热工作需要持续约30分钟至1小时，即使预热完成后可顺利完成启动，启动本身的效率也是极低的。对很多需要快速响应的汽车，比如工程车、消防车、抢险车等，这样的启动效率往往是致命的。

不仅如此，受多方面因素的影响，加装专业安全预热设备的车主尚在少数，多数车主惯于采用廉价的火焰喷灯来烤车预热。明火的出现，无疑给诸多货场、物流基地、工程现场等人、车、物聚集场所构成重大安全隐患，喷灯烤车引发的火灾安全事故时有发生。当然，喷灯烤车同样会危及汽车自身安全，稍不留意就会诱发车体自燃，其后果不堪设想。

另一方面，低温启动对启动电池的损伤也不容忽视。众所周知，当前主流的汽车启动电池仍为铅酸蓄电池。在低温条件下，铅酸蓄电池的放电能力受到较大程度的抑制，不宜进行大电流放电，而恰恰在这时候的启动需要更大的启动电流来克服低温所形成的更大的启动阻力。于是，问题随之而来，不仅铅酸蓄电池无法保障车辆低温冷启动的成功率，而且其自身寿命也会因为强制大电流放电而有所减损。

可见，汽车冷启动器的研制有着巨大的现实意义。当前，已有很多汽车冷启动产品面市。然而，多数汽车冷启动器仍旧停留在单纯增加启动电池容量的层面上，低温启动效果并不理想。另外，许多汽车冷启动器十分笨重，搬运十分不便，使用起来很不灵活。为此，客观上需要一款经济、实用、轻便的便携式发动机冷启动器，让汽车低温冷启动变得更轻松。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种能够实现极低温度条件下的无需预热即可启动，可以和12V、24V、36V或者48V的汽车启动电池配合使用，使用寿命长、启动成功率高的免维护便携式超级电容启动器，以克服目前现有技术存在的低温启动需要预热、启动成功率低、使用时间短、需要定期维护等方面的不足。

为实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种免维护便携式超级电容启动器，所述的启动器的一端连接装置正极或启动电池的正极，所述的启动器的另一端连接装置负极或者启动电池的负极，所述的启动器与正极连接的一端包括超级电容模组一的一端、充电继电器一的一端和充电继电器二的一端，所述的超级电容模组一的另一端分别连接充电继电器四的一端、充电继电器三的一端和放电继电器的一端，所述的充电继电器三的另一端连接限流电阻二的一端，所述的充电继电器一的另一端连接限流电阻一的一端，所述的限流电阻一的另一端分别连接放电继电器的另一端、充电继电器二的另一端和超级电容模组二的一端，所述的启动器与负极连接的一端包括充电继电器四的另一端 、限流电阻二的另一端和超级电容模组二的另一端，所述的超级电容模组二的另一端接地。

进一步的，所述的超级电容模组一和超级电容模组二均由若干相同型号的超级电容单体串联组成，且每个超级电容单体分别配设有独立电压平衡板。

进一步的，所述的启动器包括控制单元，所述的控制单元的输入端连接启动器的供电电源、启动电池和超级电容模组一、超级电容模组二的电压检测信号和起动机工作电流检测信号，所述的控制单元的输出端分别连接充电继电器一、充电继电器二、充电继电器三、充电继电器四和放电继电器的控制线圈。

进一步的，所述的控制单元包括由滞回电压比较器组成的充电截止控制电路、由可控滞回电压比较器和延时电路组成的放电控制电路、充电继电器的驱动电路及放电继电器的驱动电路，放电继电器分别与所述的充电继电器一、充电继电器二、充电继电器三和充电继电器四采用互锁控制，充电继电器的驱动电路中充电继电器一和充电继电器三采用连锁驱动控制，充电继电器二和充电继电器四采用连锁驱动控制。

进一步的，所述的控制单元还包括超级电容模组一和超级电容模组二的电量指示电路。

本实用新型还提供一种免维护便携式超级电容启动器的控制方法，包括如下步骤：

S0：采集超级电容模组一和超级电容模组二的电压、启动电池的电压、起动机工作电流，所述的单个超级电容模组电压和启动电池电压使用运算放大器所构成的电压跟随器来完成，起动机的工作电流由卡环式霍尔感应器件检测；

S1：放电阶段：超级电容模组一和超级电容模组二放电提供汽车起动机峰值大电流；

S2：充电模式一：充电继电器一和充电继电器三闭合，充电继电器二、充电继电器四和放电继电器断开时，启动电池一路通过充电继电器三和限流电阻二给超级电容模组一充电，另一路通过充电继电器一和限流电阻一给超级电容模组二充电。

S3：充电模式二：充电继电器一、充电继电器二、充电继电器三和充电继电器四闭合，放电继电器断开时，启动电池一路通过充电继电器一、充电继电器二和限流电阻一给超级电容模组二充电，另一路通过充电继电器三、充电继电器四和限流电阻二给超级电容模组一充电。

进一步的，S0中提到的检测方式也可以采用装置外所连接的启动电池电压检测来提供信号。

进一步的，在S1中，如果超级电容启动器的两端分别连接装置正极和装置负极，则放电继电器闭合，超级电容模组一和超级电容模组二串联在装置正极和装置负极的两端放电提供车辆起动机峰值大电流。

进一步的，在S1中，如果超级电容启动器的两端分别连接启动电池的正负极，如果起动机工作电流超出Ist_up且电容模组电压高于U1时，滞回比较器输出电平翻转，则放电继电器闭合，超级电容模组一和超级电容模组二串联在启动电池两端提供起动机峰值大电流，当超级电容模组一和超级电容模组二的电压与启动电池电压一致时，超级电容模组一、超级电容模组二和启动电池共同放电提供起动机启动电流，如果起动机工作电流低于Ist_dn时，滞回比较器输出电平翻转，则放电继电器断开，同时闭合充电继电器，完成启动过程，其中，Ist_up为放电开始时起动机开始工作电流，Ist_dn为放电结束时起动机结束工作电流。

进一步的， S1中，发动机启动过程完成后，开始采用S2或S3的充电模式对超级电容模组一和超级电容模组二进行充电，如果启动电池电压与超级电容模组一或者超级电容模组二电压之间的电压差大于V_dif，则执行S2；如果启动电池与超级电容模组一或者超级电容模组二的电压差小于V_dif，则执行S3，其中，V_dif 为启动电池与超级电容模组压差参考信号。

进一步的，在S2或S3中，如果超级电容模组一和超级电容模组二电压大于Umax，而滞回电压比较器输出信号不变，则S2或S3中相应的充电继电器继续闭合，对超级电容模组一和超级电容模组二充电；如果超级电容模组一和超级电容模组二电压大于Umax，而滞回电压比较器输出信号翻转，则S2或S3中相应的充电继电器断开，停止对超级电容模组一和超级电容模组二的充电；停止充电后，如果超级电容模组一和超级电容模组二电压低于Uchg_dn时，比较器输出电平改变，则重新闭合S2或S3中相应的充电继电器实现对超级电容模组一和超级电容模组二的充电，其中，Umax为超级电容模组允许最大工作电压，Uchg_dn为超级电容大电流充电结束时允许的滞回电压下限。

采用上述技术方案后，本实用新型具有如下的有益效果：

（1）、超级电容在极低温度下，仍能保持很好的放电能力，采用超级电容的冷启动器可以实现极低温度条件下的无需预热直接启动、或只需短时预热即可启动，同时极大的提高了汽车冷启动的启动成功率；

（2）、在起动机工作之始，启动电池小电流放电，维持起动机运转；在超级电容冷启动器介入后，首先由超级电容组提供峰值大电流，而后两者一起维持后续工作电流，这就做到了“扬长避短”，足以满足整个启动过程中起动机的电流需求，同时也避免了低温条件下启动电池大电流放电，很好地保护了启动电池；

（3）、超级电容冷启动器具有免维护的优点，无需定时充放电操作进行维护；

（4）、本实用新型的启动器可以实现长途运输、外出旅行、应急演练等各种应急场合的汽车启动，无需提前进行充电，能够满足应急使用的需求，且操作过程十分简单；

（5）、本实用新型的启动器可以实现无需启动电池的直接启动，也可以与12V、24V、36V或者48V启动电池配合使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型一种汽车冷启动器的一个具体实施例的示意图；

图2是本实用新型一种汽车冷启动器的另一个具体实施例的示意图；

图3是本实用新型一种超级电容模组的示意图；

图中：1、启动电池 ；2、装置正极 ；3、超级电容模组一 ；4、充电继电器一 ；5、充电继电器二；6、限流电阻一；7、放电继电器；8、超级电容模组二；9、充电继电器三；10、限流电阻二；11、充电继电器四；12、装置负极，13、超级电容单体。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-2所示，本实用新型实施例所述的一种免维护便携式超级电容启动器，所述的启动器的一端连接装置正极2或启动电池1的正极，所述的冷启动器的另一端连接装置负极12或者启动电池1的负极，所述的冷启动器与正极连接的一端包括超级电容模组一3的一端、充电继电器一4的一端和充电继电器二5的一端，所述的超级电容模组一3的另一端分别连接充电继电器四11的一端、充电继电器三9的一端和放电继电器7的一端，所述的充电继电器三9的另一端连接限流电阻二10的一端，所述的充电继电器一4的另一端连接限流电阻一6的一端，所述的限流电阻一6的另一端分别连接放电继电器7的另一端、充电继电器二5的另一端和超级电容模组二8的一端，所述的冷启动器与负极连接的一端包括充电继电器四11的另一端 、限流电阻二10的另一端和超级电容模组二8的另一端，所述的超级电容模组二8的另一端接地。

所述的启动器包括控制单元，所述的控制单元的输入端连接启动器的供电电源、启动电池和超级电容模组一、超级电容模组二的检测信号和起动机工作电流检测信号，所述的控制单元的输出端分别连接充电继电器一4、充电继电器二5、充电继电器三9、充电继电器四11和放电继电器7的控制线圈。所述的控制单元包括由滞回电压比较器组成的充电截止控制电路、由可控滞回电压比较器和延时电路组成的放电控制电路、充电继电器的驱动电路及放电继电器的驱动电路，放电继电器7分别与所述的充电继电器一4、充电继电器二5、充电继电器三9和充电继电器四11采用互锁驱动控制，充电继电器的驱动电路中充电继电器一4和充电继电器三9采用连锁驱动控制，充电继电器二5和充电继电器四11采用连锁驱动控制。

所述的控制单元的输入端用于输入电源电压、起动机的启动电流采集信号和超级电容模组的电压采集信号，所述的控制单元的输出端用于控制充放电继电器相应触点的动作。

所述的互锁驱动控制为放电继电器7闭合时，所述的充电继电器一4、充电继电器二5、充电继电器三9和充电继电器四11自动断开，从而避免充放电继电器同时开通而形成的短路电流损坏继电器及充放电连接线；所述的连锁驱动控制为充电继电器一4闭合/断开时则充电继电器三9自动闭合/断开，充电继电器二5闭合/断开时则充电继电器四11自动闭合/断开。

所述的由滞回电压比较器组成的充电截止控制电路应满足如下逻辑：在充电电压上升阶段，除非电容模组电压超出Umax，比较器输出信号保持，驱动充电继电器闭合持续充电；电容模组电压超出Umax后，比较器输出电平立即翻转，驱动充电继电器断开停止充电；在电容模组电压回落阶段，除非电容模组电压低于Uchg_dn，比较器输出保持，驱动充电继电器继续关断，结束充电；电容模组电压低于Uchg_dn时，比较器输出电平翻转，重新驱动充电继电器开始充电，其中，Umax为超级电容模组允许最大工作电压，Uchg_dn为超级电容大电流充电结束时允许的滞回电压下限。

其中放电控制电路中的延时电路可通过RC电路实现，使用放电控制信号驱动三极管导通，供电电源开始通过三极管和电阻R给电容C充电，即RC充电过程开始；待电容C电压达到Vt_dly后，比较器输出电平翻转，放电控制信号经过延时后送给继电器驱动电路，其中Vt_dly为放电延迟时间。

所述的控制单元还设有超级电容模组一3和超级电容模组二8的电量不足指示电路、电量适中指示电路和电量饱和指示电路。由于超级电容模组所储存的能量与其电压直接相关，故可设定三个电压基准作为电容组电量的判别依据，通过三个比较器驱动相应的指示灯来实现电容组电量指示，记电压基准从低到高依次为U1、U2、U3，单个超级电容组采样信号为U，当0≤U≤U1时，比较器1输出高电平，驱动电容组电量不足指示灯点亮；当U1≤U≤U2时，比较器1输出低电平，比较器2输出高电平，二者共同驱动电容组电量适中指示灯点亮；当U2≤U≤U3时，比较器2输出低电平，比较器3输出高电平，二者共同驱动电容组电量饱和指示灯点亮。

所述的控制单元设有强制切换按钮和无电池按钮，所述的强制切换按钮用于超级电容启动器串联在12V或24V汽车启动电池两端时的强制切换，所述的无电池按钮用于在超级电容启动器串联在装置正负极时强制闭合放电继电器7，超级电容模组一3和超级电容模组二8串联在装置正负极进行放电。

在一具体实施例中，如图3所示，所述的超级电容模组一3和超级电容模组二8均由若干相同型号的超级电容单体13串联组成，且每个超级电容单体13分别配设有独立电压平衡板。

本实用新型所述的免维护便携式超级电容启动器可以用于24V/12V 系列汽车的启动，所述的控制单元上还设有用于12V和24V汽车启动电池启动的强制切换按钮，在超级电容启动器串联在12V或者24V汽车启动电池的两端时，可以通过强制切换按钮进行切换实现12V或者24V汽车的应急启动或者低温启动，且低温启动效果非常明显，可辅助启动电池实现短时快速启动，大幅缩短汽车低温冷启动的时间，提高汽车低温启动的效率和成功率。在一些特殊的无电池启动应用场合，该超级电容启动器也可独立工作，完成柴油机低温启动。另外，本实用新型所述的超级电容冷启动器具有便于携带、便于操作的优点，可以广泛应用于各种严酷条件下的汽车应急启动。

本实用新型汽车冷启动器的控制方法包括如下步骤：

S0：采集超级电容模组一3和超级电容模组二8的电压、起动机工作电流，所述的单个超级电容模组电压和启动电池电压使用运算放大器所构成的电压跟随器来完成，启动机的工作电流由卡环式霍尔感应器件检测；

S1：放电阶段：超级电容模组一3和超级电容模组二8放电提供汽车启动机峰值大电流；

S2：充电模式一：充电继电器一4和充电继电器三9闭合，充电继电器二5、充电继电器四11和放电继电器7断开时，启动电池1一路通过充电继电器三9和限流电阻二10给超级电容模组一3充电，另一路通过充电继电器一4和限流电阻一6给超级电容模组二8充电。

S3：充电模式二：充电继电器一4、充电继电器二5、充电继电器三9和充电继电器四11闭合，放电继电器7断开时，启动电池1一路通过充电继电器一4、充电继电器二5和限流电阻一6给超级电容模组二8充电，另一路通过充电继电器三9、充电继电器四11和限流电阻二10给超级电容模组一3充电。

在一个实施例中，步骤S1中，如果超级电容启动器的两端分别连接装置正极和装置负极，则放电继电器7闭合，超级电容模组一3和超级电容模组二8串联在装置正负极两端提供发动机起动机峰值大电流；

在一个实施例中，步骤S1中，如果超级电容启动器的两端分别连接启动电池1的正负极，如果启动机工作电流超出Ist_up且电容模组电压高于U1时，滞回比较器输出电平翻转，则放电继电器7闭合，超级电容模组一3和超级电容模组二8串联在启动电池1两端提供发动机起动机峰值大电流，当超级电容模组一3和超级电容模组二8的电压与启动电池1电压一致时，超级电容模组一3、超级电容模组二8和启动电池1共同放电提供起动机启动电流，如果起动机工作电流低于Ist_dn时，滞回比较器输出电平翻转，则放电继电器7断开，同时闭合充电继电器，完成启动过程。

在S1超级电容模组放电中，可以通过判断启动电流进行放电，也可以通过判断启动电池电压进行放电。

在采用通过判断启动电流进行放电时，需要满足如下条件：1、超级电容模组电量适当，如果电容模组电量不足，便无法优先启动电池提供起动电流，甚至在启动过程中会吸收启动电池的电流，启动效果自然不佳；2、启动电流已经上升至Ist_up，也即要确保启动电池优先驱动起动机工作，同时起动机工作电流处于上升阶段，这样，就不会过早消耗超级电容启动器内部的能量；3、当启动电流上升至Ist_up后，根据启动电池的自身特性进行适当延时之后进行超级电容模组的放电，选择一合适的延时时间，就可以由超级电容启动器最大限度分担启动峰值电流，以免损伤启动电池，其中，Ist_up为放电开始时起动机开始工作电流。在超级电容模组放电一段时间后，如果起动机的工作电流减小至低于Ist_dn时，立即切断汽车冷启动器对起动机的放电，并切换至S2/S3为超级电容模组补充电能，其中，Ist_dn为放电结束时，启动器结束工作电流。

在采用通过判断电池电压进行放电时，需要满足如下条件：1、超级电容模组电量适当，如果电容模组电量不足，便无法优先启动电池提供起动电流，甚至在启动过程中会吸收启动电池的电流，启动效果自然不佳；2、启动电池电压跌落至某一阈值，这样，可以避免过早消耗超级电容启动器内部的能量；3、当启动电池电压跌落至某一阈值后，由控制单元的控制电路进行适当自动延时之后进行超级电容模组的放电，并在放电结束后切换至S2/S3为超级电容模组补充电能。

在S1中，发动机启动过程完成后，开始采用S2或S3的充电方式对超级电容模组一3和超级电容模组二8的充电。在一个实施例中，如果启动电池1电压与超级电容模组一3或者超级电容模组二8电压之间的电压差大于V_dif，则执行S2；在一个实施例中，如果启动电池1与超级电容模组一3或者超级电容模组二8的电压差小于V_dif，则执行S3，其中，V_dif 为启动电池与超级电容模组压差参考信号。

在S2或S3中，如果超级电容模组一3和超级电容模组二8电压大于Umax，而滞回电压比较器输出信号不变，则S2或S3中相应的充电继电器继续闭合，对超级电容模组一3和超级电容模组二8充电；如果超级电容模组一3和超级电容模组二8电压大于Umax，而滞回电压比较器输出信号翻转，则S2或S3中相应的充电继电器断开，停止对超级电容模组一3和超级电容模组二8的充电；停止充电后，如果超级电容模组一3和超级电容模组二8电压低于Uchg_dn时，比较器输出电平改变，则重新闭合S2或S3中相应的充电继电器实现对超级电容模组一3和超级电容模组二8的充电。

其中，Umax为超级电容模组电压额定值，受自身内阻的影响，大电流快速充电结束时电容模组会出现电压回落，为避免停止充电后电压回落再次开启充电，造成充电结束时充电继电器频繁动作，需设置一滞回充电电压下限Uchg_dn。如果充电停止后电容模组电压不低于Uchg_dn，则断开充电继电器，结束充电；反之，电容模组电压低于Uchg_dn，重新闭合充电继电器。可见，选择合适的Uchg_dn值，就可以避免充电末段充电继电器的频繁动作，并将超级电容模组充电至饱和状态。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。