基于超级电容器的发动机冷启动模组研究与应用

李泰祥 宋阳 苏玉琢 姜衍猛 杨洪斌

摘 要：低温条件对起动电池的大电流放电性能提出了更高的要求，商用车在高原高寒地区使用时，由于气温过低导致蓄电池的放电能力严重下降，此时发动机启动就会出现蓄电池供电不足，点火次数减少，最终可能导致汽车无法正常启动。超级电容器在低温环境下有较好的放电能力，可以确保启动时提供足够的启动电流和启动次数，改善汽车的启动性能，延缓蓄电池寿命。

关键词：低温条件;商用车;发动机启动;超级电容器

1 背景

寒冷地带的人们通常采用火烤油底壳和进气管，给发动机灌热水以及推车、拖车、溜车等落后的方法来启动汽车，这些方法不仅费力费时、费燃料，而且一旦操作不当，极易发生火灾，很不安全，随着科技的发展可以通过科学的方法解决进气管加热等问题，但本质问题蓄电池低温放电能力还没有得到解决，基于超级电容器的发动机冷启动模组不但可以保证提供商用车低温启动所需的大电流放电，改善汽车启动性能，还可以避免蓄电池低温大电流放电，延缓蓄电池使用寿命，从而提高商用车经济性。

2 柴油机低温启动困难原因

柴油机启动困难只是最终现象，柴油无法燃烧才是根本的原因[1]。柴油无法燃烧的根本原因一是为发动机启动提供动力的蓄电池容量不足;二是发动机启动时的转动阻力（润滑油粘度）太大。因此柴油机启动困难要考虑到各个系统及其相关的影响关系。但主要围绕在低压柴油系统、进气系统、蓄电池和起动机、润滑油等方面，低压柴油系统通常通过增加泵油排空装置和燃油加热装置来解决燃油管进气问题和燃油结蜡问题;进气系统部分通过PTC格栅进气加热和火焰进气预热装置来解决进气温度过低的问题;润滑系统部分只要通过发动机机油预热来解决润滑油粘度加大引起旋转部件阻力矩加大的问题;蓄电池和起动机通常是通过合理匹配来解决起动问题，但车辆用铅酸蓄电池的电性能受严寒低温环境条件的影响较大，一般铅酸蓄电池电解液温度每降低1℃，电解液的比电阻要增加11倍，容量下降1%～2%，电解液粘度加倍，使得电解液很难渗入到极板内层，从而导致铅酸蓄电池电化学反应速度放慢，充电接受能力变差，实际输出容量减小[2]，这是铅酸蓄电池低温放电能力下降的根本原因，也是低温环境下启动车辆困难最重要的原因。

3 发动机冷启动模组组成

发动机冷启动模组由超级电容器储能单元，DCDC、均压电路组成。

储能单元采用11个2.7V，3000F超级电容器串联，总电压范围为0-29.7V，容值为272F。超级电容器功率密度高，功率密度一般可达300～5000W/kg，相当于蓄电池的10倍;瞬间大电流放电能力强，瞬间能够提供2000A左右的大电流，输出功率大;内阻小，充放电响应速度快，使用寿命长，充放电寿命可达1000000次;使用温度范围宽，可以在-40～65℃环境条件下全天候使用;无污染，超级电容器的密封结构使其电解质不会泄漏在空气中原材料的生产及拆解过程中也无污染，是一种理想的绿色环保电源[3]。

DCDC主要作用是限流给超级电容器充电，避免蓄电池过流给超级电容模组充电，保护蓄电池，输入电压为蓄电池的24V，最大输出电压为28V，充电电流为20A，当超级电容器电压达到28V，停止工作保护模组;或者当接收到超压信号即停止工作保护模组。

均压电路会对各个电容单体进行均压和监测，均压方式为被动均压，单体电压值超过阈值均压电路反馈给DCDC超压信号，DCDC接收到超压信号会停止工作。

4 实车验证

相对于蓄电池24V起动，发动机冷启动模组是通过与24V蓄电池串联方式连接到整车上的，Battery+经过手动电源总开关与蓄电池正极相连接，避免冷启动模组与蓄电池并联引起的因模组漏电流导致蓄电池亏电，避免DCDC转换器漏电流引起蓄电池亏电;Starter+直接与起动机相连，仅发动机冷启動模组为起动机提供电能，避免发电机直接给模组充电。

在黑河进行多次低温启动试验，实验车型主要有一汽解放JH6 420、一汽解放JH6 400、一汽解放JH6 550等，发动机冷启动模组在零下25℃条件下均成功启动发动机。

以JH6 400车型为例，在零下20℃环境下，发动机需求最大启动电流为1200A左右，在低温条件下单独使用蓄电池启动发动机会对蓄电池寿命产生很大影响，充满电后的发动机冷启动模组可以顺利地启动发动机，模组放电电流和电压变化如图1所示。

5 结束语

在低压柴油系统、进气系统、润滑油等方面都采取相应措施后，发动机冷启动模组可以在低温条件下为起动机提供足够大的电流，避免蓄电池低温大电流放电，延长蓄电池寿命，提高整车经济性，发动机冷启动模组可在商用车领域广泛推广。

参考文献：

[1]丛孟营.电控柴油机低温起动性能关键影响因素研究[D].天津：天津大学，2015.

[2]师永强，穆希辉，杜峰坡.柴油机启动性能改进措施[J].机械与电子，2010，8（08）：37-39.

[3]牛建民.复合电源低温起动应用研究[J].车辆与动力技术，2012（03）：47-50.