一种锂离子电容器启动电源系统及其装置的制作方法

技术领域

本发明涉及一种离子电容器启动电源系统，并根据给系统设计的启动电源装置。

背景技术：

启动电源是电启动发动机必需的储能装置。以柴油机为例，柴油发电机组主要由发动机及发电机组成，机组启动前，启动电源为发动机、ECU、控制盒以及其它直流用电器供电；机组启动后，启动电源可以用作辅助供电设备，还可以储存小发电机多余电能，因此在发电机组中起到重要的作用。目前大多数柴油发电机机组采用铅酸电池作为启动电源，成熟的技术以及较低的成本使其在发电机组启动电源市场占据较大份额。然而铅酸电池寿命短，体积大，笨重，给用户使用带来一定的困难；且铅酸电池充放电效率低，自放电率高，电池容易亏电，造成内燃机无法启动；此外铅酸电池中的铅对人体及环境危害大，是该类启动电源的一大缺陷。镍镉电池具有充电速度块，循环寿命长等优势，是应用范围仅次于铅酸电池的机组启动源。然而镍镉电池成本较高，且重金属镉在电池使用和废弃过程中都会产生污染，也不利于环保；此外，部分镍镉电池具有记忆效应，充电处理不当会缩短其使用寿命。锂离子电池作为一种新型储能器件具有能量密度高，充放电循环寿命长以及环保等特性，但锂电池易爆炸、起火，危险性高，大电流放电性能较差，尤其在低温环境下，锂离子电池难以提供瞬时大电流，造成启动困难，甚至无法启动。并且目前的启动电源还存在体积大，且重的缺点。

锂离子电容器（LIC）采用锂离子电池和超级电容器混合结构，其正极采用超级电容器的正极，负极采用锂离子电池的负极结构，兼具超级电容器的高功率密度、长寿命特性和锂离子电池高能量密度的特性，并且具有很高的电压保持能力，常温25℃放置3个月，电压下降≤5%；宽温度使用范围（-30℃~70℃），高行安全性、可靠性。采用LIC启动机组有启动电流大、启动时间短、使用寿命长的优势，且其相对于铅酸电池体积小，重量轻，可以方便机组移动和电池安装。针对某公司200KW机组，LIC启动峰值电流1432A，较铅酸起动电流1063A大；LIC起动时间0.7s，铅酸电池启动时间0.9s，启动速度提升30%左右，大大提高生产效率；启动过程中较大的电压降会对铅酸蓄电池造成伤害，增加其极化内阻，降低其放电能力，而LIC自身的高功率密度及大电流放电能力极大的保障了启动电源的使用寿命；针对需要不间断供电的长行机组，启动电源一直处于浮充状态，寿命会受到很大影响，而LIC具有超强的电荷保持能力和超长浮充寿命，在柴油机启动领域可以避免亏电造成的机组不能及时启动。此外LIC具有免维护特性，减少客户后期的维护成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种锂离子电容器启动电源系统，并根据该系统原理制备了启动电源装置，其具有启动电流大、启动时间短、使用寿命长，体积小，重量轻的优势，同时可以避免因电源亏电而造成机组无法启动以及低温难启动的缺陷。

为解决以上技术问题，本发明所述锂离子电容器启动电源系统，它包括为车辆启动提供电源的锂离子电容器模组，用于采集锂离子电容器模组信号的BMS板，以及通过BMS板与锂离子电容器模组的正负极端子连接的电量显示器，所述BMS板上设置有用于为锂离子电容器模组充电的充电多芯接插件和用于输出锂离子电容器单体状态信号的输出多芯接插件，所述充电多芯接插件和输出多芯接插件分别连接充电多芯航插座与输出多芯航插座。

进一步地，所述BMS板上还设置有用于均衡锂离子电容器单体电压的均衡模块和防过充模块。

进一步地，所述电量显示器正极端通过TEST按钮与BMS板正极端连接，负极端直接与BMS板的负极端连接。

根据以上系统，本发明设计了具体的锂离子电容器启动电源装置，它包括顶部开口且带箱盖的箱体，箱体内置有由若干个横向排列且首尾依次串联的锂离子电容器单体组成的锂离子电容器模组，锂离子电容器模组的正负极端子通过正极输出和负极输出从箱盖顶部伸出，所述锂离子电容器模组通过采样点连接BMS板，BMS板两端各设置有一个多芯接插件，分别连接有作为锂离子电容器模组的充电输入端和作为锂离子电容器模组中电芯状态输出端的多芯航插座，所述多芯航插座从箱盖的顶部伸出，所述箱盖上方还设置有电量显示器，该电量显示器连接BMS板。BMS板即电池管理系统，用于采集锂离子电容器模组的信号并输出，用于平衡离子电容器单体的电压以及用于防止外电路对锂离子电容器模组过充等。

进一步地，所述箱体的底部为箱体底面，该箱体底面的内侧中部位置设置有若干个十字交叉的支撑栅格，在两侧分别设置有两个田字支撑凸台；箱体的外侧面设置有加强筋。

进一步地，所述正极输出包括正极输出铜排和正极输出极柱，该正极输出铜排包括套接在锂离子电容器模组正极端的正极套接段以及与该正极套接段呈直角设置的用于连接正极输出极柱的正极输出段；所述负极输出包括负极输出铜排和负极输出极柱，该负极输出铜排包括套接在锂离子电容器模组的负极端的负极套接段以及与该负极套接段呈直角设置的用于连接负极输出极柱的负极输出段；所述正、负极输出极柱上套接有密封紧固螺母，并从箱盖顶部伸出，在正、负极输出极柱的顶部还紧固有扩展极柱。

进一步地，所述密封紧固螺母的外周设有一圈凹陷，凹陷内卡固有密封圈，防止安装箱盖注胶时漏胶；密封紧固螺母的一侧设置有螺钉孔，螺钉孔内装有紧定螺钉，用于传递输出极柱上的部分外力矩。

进一步地，所述箱盖上开设有分别用于多芯航插座穿出的安装孔、分别用于正、负极输出穿出的正负极输出孔，在正负极输出孔内壁上设有注胶凹槽，用于在安装过程中灌注结构胶，卸载部分外力。且正负极输出孔所在区域表面低于箱盖的整体上表面，在箱盖上表面还设置有正负极输出标识。

进一步地，所述电量显示器内设置有若干个指示灯，该指示灯包括若干个显示电量的绿灯以及1个起警示作用的红灯。

进一步地，所述箱盖的两侧开设有提手凹槽，便于启动电源的搬运。

本发明设计简单，却充分发挥了锂离子电容器的优点，其具有启动电流大、启动时间短、使用寿命长的优势，其装置采用合理的结构，使其又具有体积小，重量轻的优势。本发明可以避免因电源亏电而造成机组无法启动以及低温难启动的缺陷。

附图说明

图1为系统的电路原理图；

图2为装置的整体外观示意图；

图3为装置的分解结构示意图；

图4为装置的箱体的结构示意图；

图5为装置箱体底面的结构示意图；

图6为装置的锂离子电容器模组的结构示意图；

图7为实施例2装置的正极输出的结构示意图；

图8为实施例2装置的负极输出的结构示意图；

图9为装置的密封紧固螺母的结构示意图；

图10为装置的箱盖的结构示意图。

图1中： 1-锂离子电容器模组；2-BMS板；21-采样点；22-4芯接插件；23-防过充模块；24-9芯接插件；25-均衡模块；3-电量显示器；31-指示灯；32-TEST按钮；

图2-图10中：1-箱体；1.1-加强筋；1.2-箱体底面；1.3-支撑栅格；1.4-田字支撑凸台；2-锂离子电容器模组；2.1-锂离子电容器单体；3-正极输出；3.1-正极输出铜排；3.2-正极输出极柱；4-负极输出；4.1-负极输出铜排；4.2-负极输出极柱；5-密封紧固螺母；5.1-凹陷；5.2-螺钉孔；5.3-密封圈；5.4-紧定螺钉；6-箱盖；6.1-正负极输出标识；6.2-正负极输出孔；6.3-正负极输出孔所处区域表面；6.4-箱盖整体上表面；6.5-注胶凹槽；6.6-安装孔；6.7-提手凹槽；7-扩展极柱；8-四芯航插座；9-九芯航插座；10-电量显示器；11-BMS板；11.1-四芯插接件；11.2-九芯插接件；12-横向铜排。

具体实施方式

下面结合实施例，更具体地阐述本发明的内容。本发明的实施并不限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通或改变都应在本发明的保护范围内。

实施例1

锂离子电容器启动电源系统，如图1所示，它包括为车辆（柴油机）启动提供电源的锂离子电容器模组1，用于采集锂离子电容器模组1信号的电池管系统BMS板2，以及通过BMS板2与锂离子电容器模组1的正负极端子连接的电量显示器3。

本实施例中锂离子电容器模组1由若8个锂离子电容器单体经首尾串联得到。BMS板2上设置有9个采样点21，BMS板2通过采样点21与锂离子电容器模组1连接。

所述BMS板2设置有8个均衡模块25，每个均衡模块25一端通过采样点21与一个锂离子电容器单体的正极连接，另一端通过采样点21与该锂离子电容器单体的负极连接，均衡模块25用于均衡锂离子电容器单体间的电压，保证单体电压一致。

所述BMS板2设置有防过充模块23，用于监测外电路电流。当电流超过设定值时，防过充模块23可以切断电路，保证电路中的电流大小处于安全范围内。

所述BMS板2一端设置有4芯接插件22，通过启动电源系统中的4芯航插座与对应外电路中的4芯航插头连接，作为充电输入端给锂离子电容器模组1充电。

所述BMS板2另一端设置有9芯接插件24，该9芯接插件24通过电源系统中的9芯航插座，将各个电芯的状态输出。通过9芯航插座输出锂离子电容器单体状态信号。

所述电量显示器3正极端通过TEST按钮32与BMS板2正极端连接，负极端直接与BMS板2的负极端连接。电量显示器3中设置有若干个表示电量值的绿灯以及一个表示电量不足的红灯。

实施例2

本实施例为根据实施例1所述系统原理所设计的锂离子电容器启动电源装置，主要包括箱体1、锂离子电容器模组2、正极输出3、负极输出4、密封紧固螺母5、密封圈5.3、紧定螺钉5.4、箱盖6、扩展极柱7、四芯航插座8、九芯航插座9、电量显示器10和BMS板11。

其中，锂离子电容器模组2如图6所示，包括若干个（本实施例为8个）首尾串联的锂离子电容器单体2.1，且锂离子电容器单体2.1横向排列，即每个锂离子电容器单体2.1的正、负极端子位于侧面，作为前方，排列后所得锂离子电容器模组2的正负极位于模组前方的同一侧，且一个位于靠近顶部处，一个位于靠近底部处。锂离子电容器单体2.1设置于散热框内，散热框用于隔开相邻锂离子电容器单体2.1，使其顺利散热，可采用整体框架，也可采用独立的隔离板隔离等各种形式。

锂离子电容器模组2置于箱体1内。

箱体1为顶部开口的六面体，四个外侧面都设置有加强筋1.1，用于提高箱体1的结构强度，如图4所示。箱体1的底部为箱体底面1.2，如图5所示，该箱体底面1.2的内侧中部位置设置有若干个十字交叉的支撑栅格1.3，在支撑栅格1.3的两侧分别设置有两个田字支撑凸台1.4，使锂离子电容器模组2与箱体底面1.2更好地契合，保证整个电源装置结构的稳定性。

箱体1顶部盖有箱盖6，如图10所示，箱盖6上开设有两个正负极输出孔6.2，用于分别输出锂离子电容器模组2的正极和负极，所述正负极输出孔6.2内壁上设有注胶凹槽6.5。在箱盖6上还开设有两个安装孔6.6，在箱盖6的两侧则开设有提手凹槽6.7，方便启动电源的搬运。正负极输出孔6.2所在区域表面低于箱盖6的整体上表面，防止输出极柱之间因操作失误而发生短路，在箱盖6上表面还设置有正负极输出标识6.1，对应正负极输出孔6.2的正负位。

锂离子电容器模组2上通过螺钉紧固有正极输出3和负极输出4。正极输出3如图7所示，包括正极输出铜排3.1和正极输出极柱3.2，该正极输出铜排3.1包括套接在靠近顶部的锂离子电容器模组2正极端的正极套接段以及与该正极套接段呈直角折弯设置的用于连接正极输出极柱3.2的正极输出段；所述负极输出4如图8所示，包括负极输出铜排4.1和负极输出极柱4.2，该负极输出铜排4.1包括连通靠近底部的锂离子电容器模组2的负极端的负极套接段以及与该负极套接段呈直角折弯设置的用于连接负极输出极柱4.2的负极输出段，由于本实施例中锂离子电容器单体2.1的数量为偶数，因此排列成锂离子电容器模组2后，模组的正负极位于模组前方的同一侧，即同一竖直线上，因此在锂离子电容器模组2靠近底部处还设置有一横向铜排12，横向铜排12将模组的负极从与正极同一侧引向另一侧，再通过负极输出铜排4.1引导至模组的顶部；所述正、负极输出极柱3.2、4.2上套接有密封紧固螺母5，再从箱盖6顶部的正负极输出孔6.2伸出，密封紧固螺母5与正负极输出孔6.2固定，在正、负极输出极柱3.2、4.2顶部还紧固有扩展极柱7。电极输出的输出铜排与输出极柱的连接方式包括粘接、铆接、焊接、螺纹连接，但不仅限于上述几种连接方式。当负极输出4连接靠近模组顶部的负极，正极输出3连接靠近模组底部的正极时，正极输出3和负极输出4的结构互换。

两个密封紧固螺母5结构如9所示，它的外周设有一圈凹陷5.1，凹陷5.1内卡固有密封圈5.3，防止安装箱盖6注胶时漏胶。在密封紧固螺母5的一侧设置有螺钉孔5.2，螺钉孔5.2内装有紧定螺钉5.4，使其传递输出极柱上的部分外力矩。

本发明还包括采集锂离子电容器单体2.1信号的BMS板11，该BMS板11安装于锂离子电容器模组2前方（即覆盖在锂离子电容器单体2.1的电极端子上），通过采样点连接，该BMS板11的两端分别设置有线对板的四芯插接件11.1和九芯插接件11.2，四芯插接件11.1和九芯插接件11.2通过导线连接有作为锂离子电容器模组2的充电输入端的四芯航插座8和作为锂离子电容器模组2中电芯状态输出端的九芯航插座9，所述四芯航插座8和九芯航插座9分别从设置于箱盖6的顶部的两个安装孔6.6伸出，

所述箱盖6上方还设置有电量显示器10，该电量显示器10与BMS板11连接，用于显示锂离子电容器模组2中的剩余电量。

本发明中箱体1与箱盖6，密封紧固螺母5、多芯航插座与箱盖6之间都是通过结构胶固定。

本实施例以锂离子电容器单体2.1的电极端子所在一侧为前，相对侧为后，另外分两侧分别为左、右。

当锂离子电容器单体2.1数量为奇数时，不需要设置横向铜排12。

本发明适用于所有要求方形启动电源的场合。

本实施例中电量显示器3内部设置有5个指示灯，其中包括4个显示电量的绿灯以及1个起警示作用的红灯。按下TEST按钮32，电量显示器3通过BMS板2与锂离子电容器模组1形成通电闭合回路。当4个绿灯全部亮起，显示电量100%，当3个绿灯亮起，显示电量75%，当2个绿灯亮起，显示电量50%，当1个绿灯亮起显示电量30%，当红灯亮起，表明电量不足，需要及时补充电量。