本發(fā)明涉及復(fù)合應(yīng)急電源領(lǐng)域，具體涉及一種用于車輛低溫起動的復(fù)合應(yīng)急電源裝置。

背景技術(shù)：

汽車、坦克等車輛在高寒低溫環(huán)境使用時，由于氣溫過低導(dǎo)致車輛蓄電池的放電能力嚴(yán)重下降，車輛起動就會出現(xiàn)蓄電池供電不足、點火次數(shù)減少，最終可能導(dǎo)致車輛無法正常起動。為了起動車輛，通常采用起動前先用火烤發(fā)動機(jī)預(yù)熱或者給發(fā)動機(jī)灌熱水等落后的方法，這些方法不僅費力費時，而且一旦操作不當(dāng)，極易發(fā)生火災(zāi)，很不安全。

超級電容容量大、壽命長、可以大電流快速充放電、工作溫度范圍是-40～70℃，在低溫環(huán)境下有較好的放電能力。鋰離子電池具有能量密度高、低自放電、循環(huán)性能好、工作溫度范圍廣、無記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等優(yōu)點，是目前最具發(fā)展前景的高效二次電池和發(fā)展最快的化學(xué)儲能電源。高立軍在《一種適用于鋰電池超級電容復(fù)合電源裝置》中公開了復(fù)合電源裝置，優(yōu)點是將鋰電池超級電容兩種不同性能特點的電源結(jié)合在一起，可以根據(jù)需要分別輸出大電流小電流，缺點是此裝置不能用于車輛低溫下起動和作為應(yīng)急電源使用。只是由超級電容與車輛蓄電池并聯(lián)組成的復(fù)合電源，雖然彌補(bǔ)了蓄電池低溫環(huán)境下放電能力差的情況，但是需要修改車輛內(nèi)部蓄電池電路結(jié)構(gòu)以安裝一套新的起動系統(tǒng)，增加了車輛成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是：提供了一種用于車輛低溫起動的復(fù)合應(yīng)急電源裝置，該裝置是一套獨立裝置，不需要改變車輛現(xiàn)有的起動系統(tǒng)，可用于多輛車輛低溫起動，并且提供24V電壓輸出和5V USB電壓輸出，可作為應(yīng)急電源使用。本發(fā)明由內(nèi)部MCU控制，通過采集超級電容組電壓和車輛蓄電池電壓，保證在低溫情況下車輛點火1～2秒內(nèi)維持車輛蓄電池穩(wěn)定電壓和為車輛起動提供大電流，幫助車輛正常起動和延長蓄電池使用壽命。本發(fā)明裝置不需要改變車輛當(dāng)前起動系統(tǒng)，可以低溫起動時直接并聯(lián)在車輛蓄電池上用于車輛起動，減少了車輛成本。

本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：

一種用于車輛低溫起動的復(fù)合應(yīng)急電源裝置，該裝置的組成包括鋰離子電池組、降壓電路、超級電容組、升壓電路、降壓驅(qū)動電路、升壓驅(qū)動電路、主控芯片MCU、信號采集模塊、24V電壓輸出口和5V USB電壓輸出口；

所述信號采集模塊的輸出端均與主控芯片MCU相連，主控芯片MCU分別與降壓驅(qū)動電路、升壓驅(qū)動電路相連；降壓驅(qū)動電路與降壓電路相連，升壓驅(qū)動電路與升壓電路相連；鋰離子電池組、超級電容組降壓電路、超級電容組和升壓電路依次串聯(lián)，降壓電路還分別與24V電壓輸出口、5V USB電壓輸出口相連；升壓電路的輸出端與車輛蓄電池連接；信號采集模塊還分別與鋰離子電池組、超級電容組和車輛蓄電池連接；

所述降壓電路包括超級電容組降壓電路、24V降壓電路和5V降壓電路，三者各自獨立，均與鋰離子電池組相連，24V降壓電路的輸出端與24V電壓相連，5V降壓電路的輸出端與5VUSB電壓相連；超級電容組降壓電路與超級電容組相連；超級電容組降壓電路、5V降壓電路、24V降壓電路的結(jié)構(gòu)相同；

所述降壓驅(qū)動電路包括超級電容組降壓驅(qū)動電路、24V降壓驅(qū)動電路和5V降壓驅(qū)動電路，其中，超級電容組降壓驅(qū)動電路與超級電容組降壓電路相連，24V降壓驅(qū)動電路與24V降壓電路相連，5V降壓驅(qū)動電路與5V降壓電路相連；升壓驅(qū)動電路、24V降壓驅(qū)動電路和5V降壓驅(qū)動電路都與超級電容組降壓驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)相同；

所述信號采集模塊包括鋰離子電池組電壓采集電路、超級電容組電壓采集電路和車輛蓄電池電壓采集電路；它們均單獨與主控芯片MCU相連；同時，鋰離子電池組電壓采集電路與鋰離子電池組連接，超級電容組電壓采集電路與超級電容組連接，車輛蓄電池電壓采集電路與車輛蓄電池連接；

所述超級電容組由8節(jié)超級電容單體串聯(lián)而成。

所述的超級電容組降壓驅(qū)動電路的組成包括+5V電源、+15V電源、驅(qū)動芯片U1、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容C1、電容C2和二極管D1，其中，+5V電源與U1的S1引腳連接，U1的S5引腳、W2引腳、電容C2的一端均接地，電阻R1的一端、電阻R2的一端和U1的S3引腳分別接主控芯片MCU，電阻R1的另一端、電阻R2的另一端分別與U1的S2引腳、U1的S4引腳連接，電阻R3的一端、電阻R4的一端分別與U1的W6引腳、U1的W1引腳連接，電阻R3的另一端、電阻R4的另一端與超級電容組降壓電路連接，電容C2的另一端、二極管D1的一端、+15V電源均與U1的W3引腳連接，電容C1的一端與U1的W4引腳連接，電容C1的另一端和二極管D1的另一端均與U1的W5引腳連接。

所述的升壓電路的組成包括電感L1、MOSFET管Q1、保險管F1、壓敏電阻RV1、濾波電容C3、旁路電阻R5、旁路開關(guān)K1和二極管D2，其中，電感L1的一端接超級電容組的正極U_C，電感L1的另一端同時與保險管F1的一端、MOSFET管Q1的D極(漏極)相連；MOSFET管Q1的G極(柵極)與升壓驅(qū)動電路連接，保險管F1的另一端、壓敏電阻RV1的一端、濾波電容C3的一端、旁路電阻R5的一端均與旁路開關(guān)K1的一端連接，旁路電阻R5的另一端、旁路開關(guān)K1的另一端與二極管D2的一端連接，二極管D2的另一端接車輛蓄電池的正極U_BAT，MOSFET管Q1的S極(源極)、壓敏電阻RV1的另一端和濾波電容C3的另一端接超級電容組的負(fù)極GND和車輛蓄電池的負(fù)極GND。

所述的24V降壓電路的組成包括MOSFET管Q2、二極管D3、電感L2和電容C4，其中，MOSFET管Q2的D極(漏極)接鋰離子電池組正極U_B,MOSFET管Q2的S極(源極)與二極管D3的一端和電感L2的一端連接，MOSFET管Q2的G極(柵極)與24V降壓驅(qū)動電路的輸出端連接，電感L2的另一端接電容C4和24V電壓輸出口U₁，二極管D3的另一端和電容C4的另一端接鋰離子電池組的負(fù)極。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備以下有益效果：

(1)本發(fā)明提出用于車輛低溫啟動的復(fù)合應(yīng)急電源裝置，由裝置內(nèi)部MCU控制，該裝置在不改變車輛內(nèi)部起動系統(tǒng)的前提下通過采集裝置中鋰離子電池組電壓、超級電容組電壓和車輛蓄電池電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，保證在低溫情況下車輛點火1～2秒內(nèi)維持車輛蓄電池穩(wěn)定電壓和為車輛起動提供大電流，降低了改裝車輛起動系統(tǒng)帶來的成本，提高了車輛在低溫下緊急起動的可靠性；裝置內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和為蓄電池提供的連接接口可以防止出現(xiàn)在裝置與蓄電池連接時反接或冒火星等危險情況，保證了裝置的穩(wěn)定性和安全性。

(2)本發(fā)明采用鋰離子電池和超級電容的復(fù)合應(yīng)急電源，利用超級電容在低溫環(huán)境下有較好放電能力的特性，故本發(fā)明克服了車輛處于低溫環(huán)境時，蓄電池放電能力較差和起動能力不足的缺點，避免了蓄電池的過度放電現(xiàn)象，對蓄電池起到極大保護(hù)作用，延長蓄電池的使用壽命。同時利用鋰離子電池能量密度高、低自放電、循環(huán)性能好、工作溫度范圍廣的優(yōu)點，故本發(fā)明同時可以提供24V和5V兩種應(yīng)急電源并且可以為超級電容組充電以使其維持在一定電壓下。

(3)本發(fā)明簡單實用，方便安裝與卸載，可用于多輛車輛低溫起動和用作應(yīng)急電源，易于普及和推廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意框圖；

圖2是本發(fā)明裝置的超級電容組降壓驅(qū)動電路5-1的構(gòu)成示意圖；

圖3是本發(fā)明裝置的升壓電路4構(gòu)成及連接示意圖；

圖4是本發(fā)明裝置的24V降壓電路2-2構(gòu)成及連接示意圖；

圖5是本發(fā)明裝置的主控芯片MCU內(nèi)的用于車輛低溫起動控制程序流程示意圖。

圖中，1.鋰離子電池組、2.降壓電路、3.超級電容組、4.升壓電路、5.降壓驅(qū)動電路、6.升壓驅(qū)動電路、7.主控芯片MCU、8.信號采集模塊、9.24V電壓輸出口、10.5V USB電壓輸出口、11.車輛蓄電池；2-1.超級電容組降壓電路、2-2.24V降壓電路、2-3.5V降壓電路；5-1.超級電容組降壓驅(qū)動電路、5-2.24V降壓驅(qū)動電路、5-3.5V降壓驅(qū)動電路；8-1.鋰離子電池組電壓采集電路、8-2.超級電容組電壓采集電路、8-3.車輛蓄電池電壓采集電路。

具體實施方式

圖1所示實施例表明，虛線框內(nèi)為本發(fā)明用于車輛低溫起動的復(fù)合應(yīng)急電源裝置，該裝置包括鋰離子電池組1、降壓電路2、超級電容組3、升壓電路4、降壓驅(qū)動電路5、升壓驅(qū)動電路6、主控芯片MCU 7、信號采集模塊8、24V電壓輸出口9和5V USB電壓輸出口10；

所述信號采集模塊8的輸出端均與主控芯片MCU 7相連，主控芯片MCU 7分別與降壓驅(qū)動電路5、升壓驅(qū)動電路6相連；降壓驅(qū)動電路5與降壓電路2相連，升壓驅(qū)動電路6與升壓電路4相連；鋰離子電池組1的輸出端、超級電容組降壓電路2、超級電容組3和升壓電路4的輸入端依次串聯(lián)，降壓電路2還分別與24V電壓輸出口9和5V USB電壓輸出口10相連；升壓電路4的輸出端與車輛蓄電池11連接；信號采集模塊8還分別于鋰離子電池組1、超級電容組3和車輛蓄電池11連接。

所述的鋰離子電池組1中的鋰離子電池的單體標(biāo)稱電壓為3.7V，為兩組電池并聯(lián)，每組電池為7個鋰離子電池的單體串聯(lián)，鋰離子電池組初始實際電壓總和約為25.8V。

所述降壓電路2包括超級電容組降壓電路2-1、24V降壓電路2-2和5V降壓電路2-3，三者各自獨立，均與鋰離子電池組1相連，24V降壓電路2-2的輸出端與24V電壓輸出口9相連，5V降壓電路2-3的輸出端與5V USB電壓輸出口10相連；超級電容組降壓電路2-1與超級電容組3相連；

所述降壓驅(qū)動電路5包括超級電容組降壓驅(qū)動電路5-1、24V降壓驅(qū)動電路5-2和5V降壓驅(qū)動電路5-3，其中，超級電容組降壓驅(qū)動電路5-1與超級電容組降壓電路2-1相連，24V降壓驅(qū)動電路5-2與24V降壓電路2-2相連，5V降壓驅(qū)動電路5-3與5V降壓電路2-3相連；

圖2所示實施例表明，本發(fā)明用于車輛低溫起動的復(fù)合應(yīng)急電源裝置的超級電容組降壓驅(qū)動電路5-1的電路構(gòu)成及連接方式是：超級電容組降壓驅(qū)動電路的組成包括+5V電源、+15V電源、驅(qū)動芯片U1、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容C1、電容C2和二極管D1，其中，驅(qū)動電路的驅(qū)動芯片U1為一個RS2110S芯片，+5V電源與U1的S1引腳連接，U1的S5引腳、U1的W2引腳和電容C2的一端均接地，電阻R1的一端、電阻R2的一端和U1的S3引腳分別接主控芯片MCU7，電阻R1的另一端、電阻R2的另一端分別與U1的S2引腳、U1的S4引腳連接，電阻R3的一端、電阻R4的一端分別與U1的W6引腳、U1的W1引腳連接，電阻R3的另一端與電阻R4的另一端與超級電容組降壓電路2-1連接，電容C2的另一端、二極管D1的一端、+15V電源均與U1的W3引腳連接，電容C1的一端與U1的W4引腳連接，電容C1的另一端和二極管D1的另一端均與U1的W5引腳連接。

圖2所示超級電容組降壓驅(qū)動電路5-1的工作原理是：主控芯片MCU 7經(jīng)電阻R1和電阻R2連接U1的S2引腳和S4引腳來控制U1的W6引腳和W1引腳，當(dāng)U1的S3引腳為高電平時U1停止工作。主控芯片MCU 7通過U1的W6引腳輸出和W1引腳輸出對超級電容組降壓電路2-1進(jìn)行控制，來為超級電容組3充電。

所述信號采集模塊8包括鋰離子電池組電壓采集電路8-1、超級電容組電壓采集電路8-2和車輛蓄電池電壓采集電路8-3均為公知電路；它們均單獨與主控芯片MCU 7相連；同時，鋰離子電池組電壓采集電路8-1與鋰離子電池組1連接，超級電容組電壓采集電路8-2與超級電容組3連接，車輛蓄電池電壓采集電路8-3與車輛蓄電池11連接。信號采集模塊8所采集的所有信號均輸入到主控芯片MCU 7內(nèi)；所述降壓驅(qū)動電路5和升壓驅(qū)動電路6采用RS2110S進(jìn)行電路驅(qū)動，主控芯片MCU 7采用PIC18F25K80且內(nèi)部存有控制程序。

所述降壓電路2的開關(guān)信號由降壓驅(qū)動電路5提供，降壓電路2的輸出電壓由主控芯片MCU 7通過降壓驅(qū)動電路5進(jìn)行給定，升壓電路4的開關(guān)信號由升壓驅(qū)動電路6提供，升壓電路4的輸出電壓由主控芯片MCU 7通過升壓驅(qū)動電路6進(jìn)行給定。裝置引出24V電壓輸出口9和5V USB電壓輸出10口作為應(yīng)急電源使用。車輛蓄電池11引出電源線和地線，通過升壓電路4的輸出端與裝置連接。

所述超級電容組3中的超級電容單體的標(biāo)稱電壓為2.7V，采用8節(jié)串聯(lián)，初始實際電壓在24.3V左右。

圖3所示實施例表明，本發(fā)明用于車輛低溫起動的復(fù)合應(yīng)急電源裝置的升壓電路4的電路構(gòu)成及連接方式是：超級電容組3的兩個輸出端分別為正極U_C和負(fù)極GND，超級電容組3的正極U_C和負(fù)極GND經(jīng)過升壓電路4與車輛蓄電池11的正極U_BAT和負(fù)極GND相連。升壓電路4的電路構(gòu)成包括電感L1、MOSFET管Q1、保險管F1、壓敏電阻RV1、濾波電容C3、旁路電阻R5、旁路開關(guān)K1和二極管D2，其中，電感L1的一端接超級電容組的正極U_C，電感L1的另一端同時與保險管F1的一端、MOSFET管Q1的D極(漏極)連接，MOSFET管Q1的G極(柵極)與升壓驅(qū)動電路6連接，保險管F1的另一端、壓敏電阻RV1的一端、濾波電容C3的一端、旁路電阻R5的一端均與旁路開關(guān)K1的一端連接，旁路電阻R5的另一端、旁路開關(guān)K1的另一端與二極管D2的一端連接，二極管D2的另一端接車輛蓄電池的正極U_BAT，MOSFET管Q1的S極(源極)、壓敏電阻RV1的另一端和濾波電容C3的另一端接超級電容組的負(fù)極GND和車輛蓄電池的負(fù)極GND。

圖3所示升壓電路4的工作原理是：主控芯片MCU 7通過升壓驅(qū)動電路6控制MOSFET管Q1的開通與關(guān)斷來控制裝置輸出電壓。當(dāng)壓敏電阻RV1的兩端電壓超過壓敏電阻RV1的閾值電壓時，產(chǎn)生短路效果使熔斷器F1工作斷開電路，保護(hù)裝置免受過電壓的危害。旁路開關(guān)K1初始處于斷開狀態(tài)，旁路電阻工作，防止出現(xiàn)裝置與車輛蓄電池接通瞬間造成危害操作人員人身安全等危險現(xiàn)象。當(dāng)主控芯片MCU 7檢測到超級電容組電壓與車輛蓄電池電壓相等后，主控芯片MCU7控制旁路開關(guān)K1導(dǎo)通，同時裝置發(fā)出提示信息，提示車輛此時可以點火起動，同時通過控制MOSFET管Q1的開通與關(guān)斷保證在點火1～2秒內(nèi)維持車輛蓄電池電壓穩(wěn)定并在起動時為車輛蓄電池提供大電流。二極管D2防止裝置與蓄電池反接。

圖4所示實施例表明，本發(fā)明用于車輛低溫起動的復(fù)合應(yīng)急電源裝置的24V降壓電路2-2的電路構(gòu)成及連接方式是：24V降壓電路2-2的組成包括MOSFET管Q2、二極管D3、電感L2和電容C4，其中，MOSFET管Q2的D極(漏極)接鋰離子電池組正極U_B，MOSFET管Q2的S極(源極)、二極管D3的一端與電感L2的一端連接，MOSFET管Q2的G極(柵極)與24V降壓驅(qū)動電路5-2的輸出端連接，電感L2的另一端接電容C4和24V電壓輸出口U₁，二極管D3的另一端和電容C4的另一端接鋰離子電池組的負(fù)極。經(jīng)過24V降壓電路2-2，其輸出端電壓可以穩(wěn)定在24V并作為24V應(yīng)急電源使用。

超級電容組降壓電路2-1和5V降壓電路2-3與24V降壓電路2-2的結(jié)構(gòu)相同，所以沒有進(jìn)一步介紹。

升壓驅(qū)動電路6以及5-2和5-3都與超級電容組降壓驅(qū)動電路5-1的結(jié)構(gòu)相同，所以沒有進(jìn)一步介紹。

三種驅(qū)動電路的電路結(jié)構(gòu)一樣，功效不同是所驅(qū)動的降壓電路不同。三種降壓電路的電路結(jié)構(gòu)一樣，功效不同是因為主控芯片MCU7提供的信號不同導(dǎo)致功效不同。

圖5所示實施例表明，本發(fā)明用于車輛低溫起動的復(fù)合應(yīng)急電源裝置在用于車輛低溫起動時主控芯片MCU 7內(nèi)的控制程序流程是：開始→定義并初始化各控制參數(shù)→連接車輛蓄電池？

否→連接車輛蓄電池？

是→調(diào)節(jié)裝置電壓并采集電壓信號→超級電容電壓＝蓄電池電壓？

否→調(diào)節(jié)裝置電壓并采集電壓信號→超級電容電壓＝蓄電池電壓？

是→打開旁路開關(guān)并提示點火→點火起動。

在低溫情況下使用時，用兩根連接線鉗住車輛蓄電池的正負(fù)極，再將連接線的另外兩端接到復(fù)合應(yīng)急電源裝置，復(fù)合應(yīng)急電源裝置內(nèi)部芯片一直在檢查是否連接車輛蓄電池。連接成功后，裝置開始工作。裝置內(nèi)部升壓驅(qū)動電路6和升壓電路4工作使超級電容組電壓跟隨車輛蓄電池電壓，當(dāng)主控MCU 7檢測到超級電容組電壓與車輛蓄電池電壓相等后，主控芯片MCU7控制旁路開關(guān)K1導(dǎo)通，同時裝置發(fā)出提示信息，提示車輛此時可以點火起動，同時通過控制MOSFET管Q1的開通與關(guān)斷保證在點火1～2秒內(nèi)維持車輛蓄電池電壓穩(wěn)定并在起動時為車輛蓄電池提供大電流。點火啟動成功后，關(guān)閉復(fù)合應(yīng)急電源并斷開與車輛蓄電池的連線。

本發(fā)明未盡事宜為公知技術(shù)。