车辆应急启动电源的制作方法

本实用新型涉及一种车辆应急启动装置，特别是一种车辆应急启动电源。

背景技术：

目前，针对使用蓄电池启动的汽车，尤其是使用铅酸蓄电池作为启动电源的汽车，在蓄电池大电流和低温等极端气候下都会出现汽车无法发动的情况。为此，市场上兴起了车辆应急启动电源，现有市场上的大部分应急启动装置均使用铅酸电池或者锂电池，铅酸电池月自放电率接近30%，而且体积大，重量大。锂电池可解决重量和体积问题，但是使用锂电池的装置在汽车启动时会在短时间内释放远超自身能力的大电流，虽然持续时间很短但是依旧对电池本体造成永久不可逆的伤害，出现鼓包和使用寿命缩减，一次充电后续航能力和电量保持时间大幅缩水。

中国专利文献号CN207283184U于2018年4月27日公开了一种应急启动装置，具有第一输出端和第二输出端，第一输出端用于连接到发动机的启动系统的蓄电池的正极，第二输出端用于连接到所述蓄电池的负极。其包括超级电容和控制器，控制器接收来自于蓄电池的电信号并在电信号发生突变时使超级电容与蓄电池电连接以使用超级电容中的电量启动所述发动机。另外，该结构还可通过控制器判断并选择性地使用DC-DC升压电路和电池组，便利了对超级电容的充电过程。由此可见，电池组的电压较低，不能储存较大的能量，导致电池组能量耗损较快，不利于应急场合使用。还有，该结构中超级电容与第一输出端与超级电容之间通过继电器与控制器的结合实现其通断，由于启动发动机时其电流较大，容易导致继电器的触点融合而无法断开，一旦出现此情况，后续使用将会导致电池组受损。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的不足，而提供一种结构简单合理、电量储存量大、电量保持及续航时间长、使用安全可靠的车辆应急启动电源，其还可以扩展成具有照明、USB输出等功能。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种车辆应急启动电源，包括应急启动正极端、应急启动负极端和控制器，其特征是，还包括锂离子电池组、DC-DC电路、超级电容组、第一MOS管开关电路和第二MOS管开关电路；所述锂离子电池组的正极与DC-DC电路的输入端电性连接，锂离子电池组的负极与超级电容组的负极和应急启动负极端电性连接；所述超级电容组的正极设有两个支路，一支路通过第一MOS管开关电路与应急启动正极端电性连接，另一支路通过第二MOS管开关电路与DC-DC电路的输出端电性连接，第一MOS管开关电路和第二MOS管开关电路分别与控制器电性连接；所述控制器分别与超级电容的正极和应急启动正极端信号连接。本实用新型以锂离子电池作为启动电源系统的能量载体，相比其它类型电源，进一步提高了单次充电后的有效存储时间。应急启动功能直接利用超级电容放电启动车辆，解决了在启动过程中超级电容和可充式电池直接并联共同放电可能出现的大电流冲击危险，保护了电池组的使用寿命，同时大大提高了装置电量保持时间和不同极限环境下的适应能力。

本实用新型的目的还可以采用以下技术措施解决：

作为更具体的一方案，还包括与所述控制器电性连接的照明功能电路（照明和灯光报警功能电路）和/或USB输出电路，控制器电性连接有功能选择电路和工作状态显示单元。优选是同时具备车辆启动电路、照明功能电路和USB输出电路。功能选择电路可以设有功能选择按键/旋钮/开关，用于设备的多功能间切换，控制器接收来自于功能选择电路的电信号后用于功能模式选择。工作状态显示单元可选LED指示灯或者显示屏，以LED指示灯为例，在功能回路上直接接入LED指示灯，当所述功能回路被导通， LED指示灯直接被点亮，指示当前功能选择状态。照明功能电路在光源不足的紧急情况下提供紧急照明和灯光闪烁求救报警功能；USB输出电路在移动设备如手机笔记本等设备电量不足的情况下提供移动充电宝的功能。

作为进一步的方案，所述超级电容组由三个以上的双极耳以上（即超级电容组中超级电容的极耳多于一对）的超级电容（特制超级电容）串联而成；所述锂离子电池组由三个以上的锂离子电池串联而成。双极耳以上的超级电容能够提供更低的阻抗和在短时间内更强的电流释放能力。

作为进一步的方案，所述超级电容组的各个超级电容采用U形或C形的方式排布；所述锂离子电池组的各个锂离子电池采用U形或C形的方式排布。超级电容采用U形或者C形排布方式，尽量缩短放电回路的阻抗，从而减少系统发热，提高系统安全性。当然，锂离子电池采用U形或C形的方式排布也可以减少阻抗、发热和提高安全性的优点，电池组由多个锂电池串联组成，锂离子电池组优选的使用18500电池组。

作为进一步的方案，所述锂离子电池组的正极和/或负极上设有物理机械开关。机械开关可以有两个或多触点，有一档处于常开状态。当机械开关处于常开档位，将会断开锂电池供电回路，使整个设备进入零功耗状态。具体是：当机械物理开关断开的情况下，锂离子电池组将同设备供电主回路断开实现物理隔离，整个设备将处于理论上的零功耗状态，在这种状态下，锂离子电池组的电量衰减只来自于锂离子电池组自放电，锂电池尤其是锂离子电子常温下每月不到1%的自放电率，保证了电池组内的电量在充满情况下，整个设备在放置两年甚至更长时间后被紧急启用仍有足够的电量维持相应功能，成为具有真正使用意义的应急启动电源。为实现设备的零功耗状态，锂离子电池组同负载间存在一个机械开关。另外，物理机械开关在静态的时候是让锂离子电池组和超级电容组之间完全物理隔离，MOS管电子开关是为了PWM进行充电电流控制，同时，该机械开关可作为锂离子电池组对超级电容组充电行为的触发信号。

作为进一步的方案，还包括充电接口电路，充电接口电路的正极输出端分别与锂离子电池组的正极和DC-DC电路的输入端电性连接，充电接口电路的负极输出端分别与锂离子电池组的负极和超级电容组的负极电性连接，充电接口电路还与控制器信号连接。充电接口电路可以与充电设备电性连接，实现对锂离子电池组进行充电。工作状态显示单元将显示当前选定的功能状态。其中，应急启动功能所需要的能量来自于超级电容，利用超级电容中的电量在紧急情况下启动发动机，第二锂离子电池组或者外接电源通过DC-DC电路连接到超级电容为超级电容电量提供电量，电量保持功能以及可充电性来自于锂离子电池组和相关充电组件，可选地为移动设备充电的USB电源输出功能，以及照明和灯光报警功能电量来自于锂离子电池组或者外接电源。

作为进一步的方案，所述应急启动正极端用于与车辆蓄电池的正极电性连接，应急启动负极端用于与车辆蓄电池的负极电性连接，所述超级电容组中存储有电量，电量来自于外接电源输入（如：充电过程中，超级电容组通过外接电源充电，锂离子电池组不参与，以提高锂离子电池组的使用寿命）或者锂离子电池组输入，所述控制器接收来自于所述蓄电池的信号，根据信号控制超级电容组向应急启动正极端和应急启动负极端释放能量，以启动与蓄电池连接的车辆发动机。控制器接收并执行指令或收集相关数据信号，电源由外部接入电源或者锂离子电池组（可充电式电池组）经DC-DC电路提供。

作为进一步的方案，所述蓄电池的信号为所述蓄电池的正极处的电压（鉴于蓄电池与超级电容组电性连接，所以，可以理解为所述电信号为所述超级电容的非接地端的电压），当所述电压突然下降时或者大于等于超容两端电压并持续一段时间，所述控制器使所述超级电容组与所述蓄电池电连接放电；其中所述电压的下降速率不小于2V/100ms，所述持续一段时间应大于等于5秒以上。

作为进一步的方案，所述蓄电池的信号为所述蓄电池的正极处的电流（鉴于蓄电池与超级电容组电性连接，所以，可以理解为所述电信号为所述超级电容的非接地端的电流），所述蓄电池负极接地，当所述电流突然上升，所述控制器使所述超级电容与所述蓄电池连接；其中所述电流的上升速率不小于20A/100ms。

作为进一步的方案，应急启动正极端、应急启动负极端（即超级电容组的输出端）有两个机械的阻挡，防止外面的金属意外使超级电容组的输出正负极短路，只有当外界真正有机械力插入那个红（正极）黑（负极）色的输出夹子的时候，超级电容组的正负极才真正的和外电路相连，避免意外的事故发生。

本实用新型的有益效果如下：

（1）此款车辆应急启动电源启动电车马达的能量来自于锂离子电池组，但是基于安全和续航时间的考量，锂离子电池组并不参与电机启动所需大电流的放电过程，而大电流全部来自于特种超级电容组，超级电容组和给超级电容充电的回路可以被控制回路主动断开，从而可以保护弱电回路不受汽车发电机的高压干扰，保护弱电回路的安全；

（2）此款车辆应急启动电源以锂离子电池作为启动电源系统的能量载体，相比其它类型电源，进一步提高了单次充电后的有效存储时间，使用更安全、更持久、更高效；

（3）此款车辆应急启动电源中控制器内置智能计数器电路，可以统计实际放电次数，估算电池衰老退化程度，优化电池管理策略；

（4）此款车辆应急启动电源包括连接至控制器的含有功率MOS管的开关电路，超级电容的一端通过功率MOS管开关电路连接到所述蓄电池的正极，所述超级电容的另一端接地；在所述电信号发生突变时，所述控制器使功率MOS管开关电路导通以使所述超级电容与所述蓄电池电连接；通过采用功率MOS管的开关电路进行控制，避免采用继电器控制所产生的不足；

（5）此款车辆应急启动电源的控制器还接收来自于所述超级电容组的电信号，并根据所述超级电容组的电信号监控其中存储的所述电量；并通过所述控制器发出指示信息。

附图说明

图1为本实用新型一实施例电路原理图。

图2为本实用新型内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

参见图1和图2所示，一种车辆应急启动电源，包括应急启动正极端、应急启动负极端、控制器、锂离子电池组、DC-DC电路、超级电容组、第一MOS管开关电路K1（开关K1）和第二MOS管开关电路K2（开关K2）；所述锂离子电池组的正极与DC-DC电路的输入端电性连接，锂离子电池组的负极与超级电容组的负极和应急启动负极端电性连接；所述超级电容组的正极设有两个支路，一支路通过第一MOS管开关电路K1与应急启动正极端电性连接，另一支路通过第二MOS管开关电路K2与DC-DC电路的输出端电性连接，第一MOS管开关电路K1和第二MOS管开关电路K2分别与控制器电性连接；所述控制器分别与超级电容的正极和应急启动正极端信号连接。所述第一MOS管开关电路K1和第二MOS管开关电路K2一般情况下处于常开状态，在所述第一MOS管开关电路K1导通时，所述第二MOS管开关电路K2一定处于断开状态，避免所述锂离子电池组同超级电容组并联一起放电。

还包括与所述控制器电性连接的照明功能电路和USB输出电路，控制器电性连接有功能选择电路和工作状态显示单元。工作状态显示单元优选为LED指示灯。照明功能电路为照明报警控制电路，照明报警控制电路设有照明驱动电路、照明模式选择电路、高亮LED灯和照明模式选择开关SW1。高亮LED灯通过受控制器控制的照明驱动电路点亮。照明驱动电路受所述控制器控制，可驱动高亮LED灯提供明暗变化、常亮、闪烁报警等功能。为实现不同LED输出模式的选择，有一专用照明模式选择开关SW1（轻触按键）同所述控制器连接，提供电信号。所述控制器依据所述电信号判断是否启动/切换照明输出模式。

所述超级电容组由五个双极耳以上的超级电容1串联而成；所述锂离子电池组由三个锂离子电池3串联而成。所述锂离子电池组为18500锂离子电池组。

所述超级电容组的各个超级电容1采用U形的方式排布，超级电容组中各个超级电容1焊接于同一块PCB板2上；所述锂离子电池组的各个锂离子电池3采用C形的方式排布。

所述锂离子电池组的正极与DC-DC电路的输入端之间通过物理机械开关K0电性连接。

所述DC-DC电路主要充当DC-DC降压电路使用，只有在锂离子电池组电压低于一定值时，DC-DC电路可以自动转变成升压电路。

还包括充电接口电路，充电接口电路的正极输出端分别与锂离子电池组的正极和DC-DC电路的输入端电性连接，充电接口电路的负极输出端分别与锂离子电池组的负极和超级电容组的负极电性连接，充电接口电路还与控制器信号连接。

所述应急启动正极端用于与车辆蓄电池的正极电性连接，应急启动负极端用于与车辆蓄电池的负极电性连接，所述超级电容组中存储有电量，电量来自于外接电源输入或者锂离子电池组输入，所述控制器接收来自于所述蓄电池的信号，根据信号控制超级电容组向应急启动正极端和应急启动负极端释放能量，以启动与蓄电池连接的车辆发动机。所述电信号可以是电压/电流/脉冲中的一种或多种。所述控制器根据所述电信号不同的数值判断启动何种功能模式。设备会根据不同功能模式利用LED或者显示屏显示设备功能模式。所述控制器依据电信号判断发动机的启动次数和所述超级电容组的放电时间当经过预设的次数/时间或所述控制器跟具另一电信号判断超级电容组中剩余电量已经不足以启动汽车，同时所述控制器发出指示信息。准备进入电池对超容充电模式。

当整个设备接入外接电源即进入锂离子电池组充电模式的情况下，外接电源和充电电路将直接连接锂离子电池组，所述电源和所述充电电路也将直接连入DC-DC降压电路为整个系统供电。进一步地，在外接电源充电模式下，所述控制器将一直处于工作状态，所述控制器对外接电源和锂离子电池组充电进行管理，同时其它功能和电路工作状态同锂离子电池组供电模式相同。

所述充电电路同所述控制器相连，所述控制器将根据充电电路的电信号判断锂离子电池组电量同时通过工作状态显示单元提供指示。

所述控制器将根据所述充电电路的电信号判断锂离子电池组电量，进而通过对充电电路的控制来调整对锂离子电池组的充电电流。所述充电电路的电信号可以是锂离子电池组的充电电流或正极的电压。

所述蓄电池的信号为所述蓄电池的正极处的电压，当所述电压突然下降时或者大于等于超容两端电压并持续一段时间，所述控制器使所述超级电容组与所述蓄电池电连接放电；其中所述电压的下降速率不小于2V/100ms，所述持续一段时间应大于等于5秒以上。

所述蓄电池的信号为所述蓄电池的正极处的电流，所述蓄电池负极接地，当所述电流突然上升，所述控制器使所述超级电容与所述蓄电池连接；其中所述电流的上升速率不小于20A/100ms。

图中的超级电容数量和锂离子电池数量仅为示意，不定义设备最终是用数量，LED照明部分未显示。

其工作原理是：发动机启动电压一般地为12V，其中的蓄电池的输出电压应当为13V-15V。当蓄电池因为自放电，老化衰减或者极端天气等原因不能顺利放电发动汽车，即在应急情况下，将本实用新型的车辆应急启动电源，的应急启动正极端、应急启动负极端分别连接到蓄电池的正极和负极。

本实用新型包含三大功能模块，车辆应急启动功能、紧急照明灯光报警功能和USB电源输出功能。整个系统存在两种供电模式，非充电模式下，整个系统由锂离子电池组提供所有电能，充电模式下外接电源为整个系统供电，包括锂离子电池组的充能。在锂离子电池组为系统供电的情况下，图1竖直虚线右侧的充电接口电路不会被接入设备。

当机械物理开关K0断开的情况下，锂离子电池组将同设备供电主回路断开实现物理隔离，整个设备将处于理论上的零功耗状态，在这种状态下，锂离子电池组的电量衰减只来自于锂离子电池组自放电，锂电池尤其是锂离子电子常温下每月不到1%的自放电率，保证了电池组内的电量在充满情况下，整个设备在放置两年甚至更长时间后被紧急启用仍有组工的电量维持相应功能。

当K0闭合后，锂离子电池组通过DC-DC降压电路为整个系统供电，控制器上电被启动，这时同控制器相连的功能选择电路将会通过模块内电路把通过旋钮或开关产生的电信号V0提供给控制器，控制器将会根据电信号V0判断启动车辆应急启动功能，紧急照明灯光报警功能，USB电源输出功能这三大功能模块中的一种或多种。电信号V0可以是电压/脉冲/电流中的一种或多种。可选地，功能选择电路可以通过电路K0放置于同一旋钮或开关结构内。

当KO闭合，设备应急启动输出端已经同汽车发动蓄电池连接同时控制器接收到电信号VO确认应急启动功能被启动。应急功能主要包含图1中的锂离子电池组，DC-DC电路，控制器，开关K1,K2，超级电容组SC，工作状态显示单元，车辆启动蓄电池，车辆启动开关。

进一步地，锂离子电池组通过闭合的K0同DC-DC降压电路相连，DC-DC降压电路同超级电容组SC通过开关K2相连接，超级电容组SC另一端接地。车辆启动蓄电池会通过鳄鱼钳和电缆线连接至设备，连接后，蓄电池正极将通过开关K1同超级电容组SC的非接地端相连，蓄电池的负极接地。控制器有控制端同K1，K2相连，通过控制信号S1和S2控制开关K1和K2。控制器有信号采集端同蓄电池的正极相连，用于采集电信号V1。控制器有信号采集端同超级电容组SC非接地端相连，用于采集电信号V2。

进一步地，开关K1,K2是由MOS管开关电路组成，处于常开状态，在控制器接收V0判断后启用应急启动功能模式下，控制器会开始接受信号，发出控制指令；控制器会高速扫描接收电信号，比如50次/S。首先控制器会根据V1判断整个设备是否已经连接汽车蓄电池，如果未连接汽车蓄电池，控制器将通过显示单元模块做出显示；当判断设备已经连接汽车蓄电池后，会根据收集到的电信号V2判断超级电容模组SC内电量是否满足应急启动需求，如判断SC内电量不能满足应急启动需求，控制器将发出指令S2闭合开关K2使锂离子电池组通过DC-DC降压电路对超级电容模组进行充电，同时通过工作状态显示单元显示设备处于充电状态；当控制器根据V2判断超级电容组SC内的电量足以启动汽车时，控制器是开关K2断开，终止锂离子电池组对SC的充电过程，并通过显示单元做出工作状态指示，提醒可以发动汽车进行应急启动。V2是超级电容组SC非接地端的对地电压。

在K2导通充电的过程，控制器继续实时地通过电压V2计算超级电容组SC中的电量；当开关K2导通后，控制器经过预设的时间的，例如4分钟的判断过程，仍然判断超级电容组SC中的电量不足以启动发动机时，即通过工作状态显示模块发出指示信息，以提示使用者超级电容组SC和电池组中的电量不足，需要通过外部充电设备对超级电容和/或电池组充电。

进一步地，可选地在控制器根据电信号V2判断出超级电容组SC储存能量满足应急启动要求情况下，当车主发动汽车使汽车启动开关导通，将会导致电信号V1发生突变，控制器在电信号V1出现突变情况下发出指令S1使开关K1导通，超容和启动电机间将形成回路，将直接对启动电机进行放电进而启动汽车。所述的电信号V1突变如果是电压下降速率不小于2V/100ms，如果是电流上升速率不小于20A/100ms

可选地在控制器根据电信号V2判断出超级电容组SC储存能量满足应急启动要求情况下，控制器在电信号V1持续某一高位原时间情况下发出指令S1使开关K1导通，当当车主发动汽车使汽车启动开关导通，超容和启动电机间将形成回路，将直接对启动电机进行放电进而启动汽车。所述某高位电压为大于等于12V，持续一段时间为5S以上。

在超级电容组对外方放电情况下，K2不会导通，可理解为K1和K2在任何情况下均不会同时关闭导通，以避免锂电池对车辆启动系统放电，隔离车辆启动过程中对电池的影响和冲击。

当K0闭合，控制器会根据电信号VO判断照明/报警功能是否被启动。

进一步地，当控制器根据电信号VO判断照明/报警被启动，控制器将根据照明驱动及照明模式选择电路提供的电信号V3判断使用者需要何种照明状态，照明状态包括持续常亮、高频闪烁、低频闪烁、明暗分档调节等，电信号V3可以是脉冲/电压/电流的一种可以通过轻触按键SW1、旋钮、编码开关等模式激发实现，控制器将根据电信号V3发出指S4通过对驱动电路的控制完成不同的照明状态输出。

当K0闭合，控制器会根据电信号VO判断USB电源输出功能是否被启动。

进一步地，当控制器根据电信号VO判断USB电源输出功能被启用，控制器将根据USB输出电路反馈的电信号V4判断USB输出电路的工作状态，例如是否接入外部设备，是否过载短路等，通过指令S5调整输出功率。

当整个设备在充电模式下，KO的通断将不再影响整个系统供电，整个系统的电能将有外部接入电源提供，锂离子电池组进入充电模式，不再对外放电。

在设备的充电模式下，控制器将直接上电，进入工作状态，通过接收来自出充电电路的电信号V5判断锂离子电池组是否被充满同时监控整个充电电路的工作状态，控制器通过发出指令S6调整对锂电池的充电状态和整个充电电路的工作状态。

在设备的充电模式下，除K0不再发挥作用，锂离子电池组变为充电模式不再为整个系统提供电量外，其他的功能模块同锂离子电池组供电情况下K0闭合后的工装状态完全一致，这里不再复述。