一种交通运输工具的内燃机启动电路及装置的制作方法

本实用新型涉及内燃机电控技术领域，具体涉及一种交通运输工具的内燃机启动电路及装置。

背景技术：

在车辆及中小型船舶等交通运输工具的内燃机启动过程中，大多是以铅酸蓄电池作为能量提供元件，需要铅酸蓄电池释放出较高的能量给启动电机，启动电机带动内燃机完成启动动作，其电路示意图如图1所示，但是，铅酸蓄电池的使用却存在以下缺点：

(1)铅酸蓄电池的理论最大充放电循环寿命约为600次，一般只有2-3年的使用寿命，使用寿命较短；

(2)铅酸蓄电池的电机和电解液的制造材料主要为重金属铅和硫酸，制造过程或丢弃均会造成环境污染；

(3)铅酸蓄电池正常的充电电流理论为其容量的0.1倍率，充电速度相对比较慢，频繁启动和经常短途行驶会造成长期充不满电，加速缩短铅酸蓄电池的使用寿命；

(4)铅酸蓄电池在低温状态时其容量变小、内阻增大、充放电性能大幅下降，加上在低温时内燃机的润滑系统阻力增加，启动电机消耗能量随之增加，启动可靠性变差；

(5)铅酸蓄电池重量比较大从而减少了交通运输工具的有效载荷，增加了油耗。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是减少交通运输工具的内燃机启动过程中因采用铅酸蓄电池造成的环境污染，提高内燃机在低温状态下的启动可靠性，减少电池重量并提高交通运输工具的有效载荷，提高电源总线在使用大功率用电器(如音响等)状态下的稳定度和瞬态反应时间，稳定点火线圈的点火电压，降低油耗，增加电池使用寿命以节约成本和提高经济效益。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种交通运输工具的内燃机启动电路，包括依次并联的连接电源总线正极的用电器、启动电机、发电机以及依次并联在所述电源总线正负极两端的超级电容器组和锂电池组；

当所述内燃机启动时，所述超级电容器组作为供能元件，向所述启动电机供电，所述启动电机带动所述内燃机完成启动动作后，所述超级电容器组作为电源稳定器，以提高所述电源总线的稳定度和瞬态反应时间；

当所述内燃机启动后处于运行状态时，所述发电机作为供能元件，向用电器及超级电容器组和锂电池组供电，所述超级电容器组和锂电池组作为储能元件，储存所述发电机通过所述电源总线发出的部分电能；

当所述内燃机熄火后，所述锂电池组作为供能元件，向所述用电器和所述超级电容器组供电。

在上述技术方案中，所述超级电容器组和所述锂电池组之间设有三端口隔离型双向直流变换器，所述三端口隔离型双向直流变换器的第一端口接所述超级电容器组正极和所述电源总线正极,其第二端口接所述锂电池组正极，其第三端口接所述电源总线负极、所述锂电池组负极以及所述超级电容器组负极，所述三端口隔离型双向直流变换器根据检测到的所述内燃机的工作状态在第一、二端口之间切换输入输出端。

在上述技术方案中，

当所述内燃机启动后处于运行状态时，所述三端口隔离型双向直流变换器的第一端口作为输入端口，其第二端口作为输出端口，所述电源总线将其电压和电流经所述第一端口输入至所述三端口隔离型双向直流变换器，所述三端口隔离型双向直流变换器将输入的电压和电流转换为与所述锂电池组相匹配的电压和电流，经所述第二端口输出至所述锂电池组，为所述锂电池组进行恒流恒压充电；

当所述内燃机熄火后，所述三端口隔离型双向直流变换器的第二端口作为输入端口，其第一端口作为输出端口，所述锂电池组将其电压和电流经所述第二端口输入至所述三端口隔离型双向直流变换器，所述三端口隔离型双向直流变换器将输入的电压和电流转换为与所述电源总线相匹配的电压和电流，经所述第一端口输出至所述用电器和所述超级电容器组，为其进行供电。

在上述技术方案中，所述三端口隔离型双向直流变换器的内部集成有MCU，所述MCU将采集的所述超级电容器组和所述锂电池组的电压和电量信息通过与其相连的CAN收发器传输至交通运输工具的启停系统和安全管理系统；

当所述启停系统接收到的所述超级电容器组和所述锂电池组的电压和电量信息满足所述内燃机的下一次启动条件时，所述启停系统开启内燃机自动熄火功能；

当所述启停系统接收到的所述超级电容器组和所述锂电池组的电压和电量信息不能够满足所述内燃机的下一次启动条件时，所述启停系统关闭内燃机自动熄火功能；

当所述内燃机熄火后，若部分用电器工作且所述安全管理系统接收到的所述超级电容器组和所述锂电池组的电压和电量信息即将不能够满足所述内燃机的下一次启动条件时，所述安全管理系统发出安全提示信息，或者自动点火切换至锂电池组充电状态。

在上述技术方案中，所述三端口隔离型双向直流变换器的第一端口侧，即所述超级电容器组侧设有第一温度传感器；其第二端口侧，即所述锂电池组侧设有第二温度传感器；

所述MCU分别通过与其相连的所述第一温度传感器和所述第二温度传感器采集所述超级电容器组和所述锂电池组的温度信息，并将采集的温度信息通过所述CAN收发器传输至所述安全管理系统。

在上述技术方案中，所述MCU将采集的所述超级电容器组和所述锂电池组的电压、电量和温度信息及故障信息通过与其相连的LCD或LED显示器进行显示。

在上述技术方案中，当所述安全管理系统检测到所述交通运输工具的故障信息时，通过所述CAN收发器发出故障指令给所述MCU，所述MCU根据接收到的故障指令控制所述三端口隔离型双向直流变换器停止工作，切断所述锂电池组与所述电源总线的连接。

在上述技术方案中，还包括与所述超级电容器组并联的均压保护板，所述超级电容器组由一个或者多个超级电容器串并联而成，每个所述超级电容器串根据超级电容器单体的耐压值和内燃机的额定电压不同，由不同数量的所述超级电容器单体串联而成；每个所述超级电容器单体分别并联在所述均压保护板的每两个引脚之间。

在上述技术方案中，还包括与所述锂电池组并联的均压和充放电保护板，所述锂电池组由一个或者多个锂电池串并联而成，每个所述锂电池串根据锂电池单体的耐压值和内燃机的额定电压不同，由不同数量的所述锂电池单体串联而成；每个所述锂电池单体分别并联在所述均压和充放电保护板的每两个引脚之间。

本实用新型还提供了一种交通运输工具的内燃机启动装置，包括上述交通运输工具的内燃机启动电路。

本实用新型采用超级电容器组和锂电池组替代了交通运输工具的内燃机启动过程中使用的能量替换元件铅酸蓄电池，为内燃机启动提供了可靠的保证，减少了使用铅酸蓄电池对环境的污染破坏，提高了内燃机在低温状态下的启动可靠性，减少了电池重量并提高了交通运输工具的有效载荷，提高了电源总线的稳定度和瞬态反应时间，稳定了点火线圈的点火电压，降低了油耗，增加了电池使用寿命，节约了成本并提高了经济效益。

附图说明

图1为现有内燃机启动的电路示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种交通运输工具的内燃机启动电路示意图。

具体实施方式

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种交通运输工具的内燃机启动电路及装置，利用超级电容器的大电流充放电的特性，将其作为供能元件来启动内燃机以及稳定电源总线，采用锂电池组作为主要储能元件以弥补超级电容器储能量不足的缺点，采用三端口隔离型双向直流变换器隔离锂电池组与电源总线，以保障锂电池组工作在正常的电压和电流条件下。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做出详细的说明。

本实用新型实施例提供了一种交通运输工具的内燃机启动电路，如图1所示，包括依次并联的用电器(负载)1、启动电机2、发电机3、均压保护板4、超级电容器组5、三端口隔离型双向直流变换器6、锂电池组7以及均压和充放电保护板8；用电器(负载)1和发电机3的一端连接电源总线正极，另一端接地，启动电机2的一端经点火开关K1接电源总线的正极，另一端接地，用于带动内燃机完成启动动作；均压保护板4、超级电容器组5、三端口隔离型双向直流变换器6、锂电池组7以及均压和充放电保护板8并联在电源总线正负极两端，电源总线负极接地。

超级电容器组5在内燃机启动时作为供能元件，向启动电机2供电；当启动电机2带动内燃机完成启动动作后，超级电容器组5作为电源稳定器，用于电源总线的电压和电流的滤波稳定，以提高电源总线在使用大功率用电器1(如音响等)状态下的稳定度和瞬态反应时间，并稳定点火线圈的点火电压，从而保证点火线圈在大功率用电器1工作时处于最佳点火状态，以降低油耗，改善或者消除短途行驶和频繁启动造成的电池亏电，特别是针对柴油车辆。

当内燃机启动后处于运行状态时，发电机3作为供能元件，向用电器1及超级电容器组5和锂电池组7供电，超级电容器组5和锂电池组7作为储能元件，储存发电机3通过电源总线发出的部分电能。

超级电容器组5由一个或者多个超级电容器串并联而成，超级电容器串由多个超级电容器单体(C1～C6)串联而成；根据超级电容器单体的耐压值和内燃机的额定电压不同，每个超级电容器串可串联不同数量的超级电容器单体；每个超级电容器单体分别并联在均压保护板4的每两个引脚之间，均压保护板4避免了由于每个超级电容器单体的电容量不相同，分到的电压也不相同，造成的部分超级电容器单体的电容电压超过最大耐压值而损坏。超级电容器单体具有超强的低温工作范围，大大提高了交通运输工具的内燃机在低温状态下的启动性能。

当内燃机熄火后，锂电池组7作为供能元件，为用电器1和超级电容器组5供电，锂电池组7由一个或者多个锂电池串并联而成，锂电池串由多个锂电池单体(BT11～BT41、BT10～BT40)串联而成；根据锂电池单体的耐压值和内燃机的额定电压不同，每个锂电池串可串联不同数量的锂电池单体；每个锂电池单体分别并联在均压和充放电保护板8的每两个引脚之间，均压和充放电保护板8避免了由于每个锂电池单体的电池容量不相同，分到的电压也不相同，造成的部分锂电池单体的电容电压超过最大耐压值而损坏。

本实施采用的超级电容器单体和锂电池单体都具有环保长寿命，避免了使用铅酸蓄电池造成的频繁更换以及环境污染，有利于环保，而且减少了电池重量并提高了交通运输工具的有效载荷。

三端口隔离型双向直流变换器6用于隔离并联的超级电容器组5和锂电池组7，其第一端口侧，即超级电容器组5侧设有用于监测超级电容器组5温度的第一温度传感器9，其第一端口接超级电容器组5正极和电源总线正极(+12V)；其第二端口侧，即锂电池组7侧设有用于监测锂电池组7温度的第二温度传感器10，其第二端口接锂电池组7正极；其第三端口接电源总线负极、锂电池组7负极以及超级电容器组5负极。

三端口隔离型双向直流变换器6根据检测到的内燃机的工作状态在第一、二端口之间转换输入输出端，具体地，当内燃机启动后处于运行状态时，将三端口隔离型双向直流变换器6的第一端口作为输入端口，将三端口隔离型双向直流变换器6的第二端口作为输出端口，电源总线将其电压和电流经第一端口输入至三端口隔离型双向直流变换器6，三端口隔离型双向直流变换器6将输入的电压和电流转换为与锂电池组7相匹配的电压和电流，经第二端口输出至锂电池组7，为锂电池组7进行恒流恒压充电。当内燃机熄火后，将三端口隔离型双向直流变换器6的第二端口作为输入端口，将三端口隔离型双向直流变换器6的第一端口作为输出端口，锂电池组7将其电压和电流经第二端口输入至三端口隔离型双向直流变换器6，三端口隔离型双向直流变换器6将输入的电压和电流转换为与电源总线相匹配的电压和电流，经第一端口输出至用电器1和超级电容器组5，为用电器1和超级电容器组5供电。

根据能量回收和混合动力的需要，通过三端口隔离型双向直流变换器6为锂电池组7提供匹配的电压以及充放电电流，可以灵活提高锂电池组7的电压以增加锂电池组7的容量，从而能更好的延长锂电池组7的使用寿命。

三端口隔离型双向直流变换器6的内部还集成有MCU11，MCU11与第一温度传感器9、第二温度传感器10、LCD(液晶显示器)或LED(发光二极管)显示器12以及CAN收发器13相连，MCU11分别通过与其相连的第一温度传感器9和第二温度传感器10采集超级电容器组5和锂电池组7的温度信息，并将采集的温度信息通过CAN收发器13传输至安全管理系统。

MCU11将采集的超级电容器组5和锂电池组7的电压和电量信息通过与其相连的CAN收发器13传输至交通运输工具的启停系统和安全管理系统，当启停系统接收到的超级电容器组5和锂电池组7的电压和电量信息满足内燃机的下一次启动条件时，启停系统开启内燃机自动熄火功能；当启停系统接收到的超级电容器组5和锂电池组7的电压和电量信息不能够满足内燃机的下一次启动条件时，启停系统关闭内燃机自动熄火功能；当内燃机熄火后，若部分用电器1(如音响、空调、车灯等)工作且安全管理系统接收到的超级电容器组5和锂电池组7的剩余电量信息即将不能够满足内燃机的下一次启动条件时，则安全管理系统对剩余电量进行计算，并提前发出电量低的安全提示信息，或者自动点火切换至锂电池组7充电状态，防止交通运输工具因启动能量不足而点火失败。

MCU11将采集的超级电容器组5和锂电池组7的电压、电量和温度等状态信息及故障信息通过与其相连的LCD或LED显示器12进行显示，可以更加直观的显示超级电容器组5和锂电池组7的剩余电量以及温度信息，以便在超级电容器组5和锂电池组7储存备用时判断剩余电量，以便及时维护。

当交通运输工具遇安全事故时，安全管理系统将检测到的交通运输工具的故障信息通过CAN收发器13发出故障指令给MCU11，MCU11根据接收到的故障指令控制三端口隔离型双向直流变换器6停止工作，切断锂电池组7与电源总线的连接，开启锂电池组7的断电保护功能，避免交通运输工具事故中引起的电源线短路自燃事故。

本实用新型实施例还提供了一种交通运输工具的内燃机启动装置，包括上述交通运输工具的内燃机启动电路。

本实用新型采用超级电容器组和锂电池组替代了车辆及中小型船舶等交通运输工具的内燃机启动过程中使用的能量替换元件铅酸蓄电池，为内燃机启动提供了可靠的保证，减少了使用铅酸蓄电池对环境的污染破坏，提高了内燃机在低温状态下的启动可靠性，减少了电池重量并提高了交通运输工具的有效载荷，提高了电源总线在使用大功率用电器(如音响等)状态下的稳定度和瞬态反应时间，稳定了点火线圈的点火电压，降低了油耗，增加了电池使用寿命，节约了成本并提高了经济效益。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。