基于超級電容的汽車應(yīng)急啟動電源設(shè)計(jì)

王思原

摘 要：汽車應(yīng)急啟動電源也叫作便攜式移動電源，起到的作用就是在電瓶虧或者其他原因的汽車無法啟動過程中，可以作為一種應(yīng)急電源，也是戶外出行中必備的應(yīng)急單品。汽車應(yīng)急啟動電源對電源的放電倍率要求很高，目前市場上有兩種，一種是電池，另外一種是超級電容電池。在實(shí)際的使用過程中，電池產(chǎn)品在實(shí)際運(yùn)行的環(huán)境下要求很高，并且充電時(shí)間很長，循環(huán)的壽命很短。然而超級電容電源不僅具有高效率，大電流放電的優(yōu)勢，同時(shí)循環(huán)壽命還長，可以適應(yīng)應(yīng)急啟動的任何狀況。

關(guān)鍵詞：超級電容 汽車應(yīng)急啟動電源 設(shè)計(jì)

Design of Emergency Starting Power Supply for Automobile based on Super Capacitor

Wang Siyuan

Abstract：Car emergency starting power supply is also called a portable mobile power supply. It can be used as an emergency power supply when the battery is lost or the car cannot be started due to other reasons. It is also a necessary emergency item for outdoor travel. Automobile emergency starting power supplies have high requirements for the discharge rate of the power supply. At present， there are two types on the market， one is a battery， and the other is a supercapacitor battery. In the actual use process， battery products have very high requirements in the actual operating environment， and the charging time is very long， and the cycle life is short. However， the super capacitor power supply not only has the advantages of high efficiency and high current discharge， but also has a long cycle life， which can adapt to any situation of emergency start.

Key words：super capacitor， automobile emergency starting power supply， design

1 引言

汽車應(yīng)急啟動電源主要是確保汽車能夠在常溫的條件下啟動汽車?，F(xiàn)階段，汽車應(yīng)急啟動電源都是通過鋰離子或者是蓄電池儲備電能。通常情況下溫度范圍在-20℃—60℃，正常的條件下都可以使用。但是因?yàn)樾铍姵卮嬖诶匣?，或者是長時(shí)間擱置會造成發(fā)電機(jī)無法啟動。另外，普通的鋰離子電池如果存儲一段時(shí)間，就會出現(xiàn)漏液，嚴(yán)重會引發(fā)爆炸等情況，不僅會影響車輛的啟動，同時(shí)也會帶來人身安全，因此，要改進(jìn)汽車應(yīng)急啟動電源。

2 汽車應(yīng)急啟動電源設(shè)計(jì)理念

汽車應(yīng)急啟動電源在操作上比較簡單，可以應(yīng)對各種的突發(fā)情況。目前，市面上汽車應(yīng)急啟動電源分為兩種，一種是蓄電池，以鉛酸為主，另外一種是離子聚合物材料。其中蓄電池的汽車應(yīng)急啟動電源是一種傳統(tǒng)的電池，主要是一種鉛酸蓄電池，不僅體積很大，同時(shí)電池的容量和啟動電流也會很大。這種蓄電池需要有充氣泵，另外，還能給各種電子產(chǎn)品進(jìn)行充電。鋰聚合物類的汽車應(yīng)急啟動電源是一種新型的電源類型，不僅體積小，質(zhì)量輕，還不需要配備充氣泵，在照明功能上非常強(qiáng)大，可以給各種電子產(chǎn)品進(jìn)行供電。另外，這種類型的照明燈可以有信號燈功能，并且十分地實(shí)用。

3 生活應(yīng)用以及特征

3.1 生活應(yīng)用

通常情況下，啟動汽車最大的電流需要在300-400安培之間，不僅可以滿足日常汽車的需求，并且汽車應(yīng)急啟動電源在設(shè)計(jì)上更緊湊，便攜，可以給多數(shù)車輛提供輔助的啟動電源。

3.2 種類及特點(diǎn)

目前，世界上作為應(yīng)急啟動電源的主要有以下幾種類型，電動自動車中的應(yīng)用到的鉛酸電池或者是手機(jī)電池的電流要求很低，汽車的啟動電源的電倍率是非常高的。

3.2.1 鉛酸類

（1）傳統(tǒng)的平板鉛酸蓄電池，主要是優(yōu)勢就是耐高溫并且十分地安全，經(jīng)濟(jì)性較高非常地耐用;缺點(diǎn)就是體積上比較大，需要頻繁地充電，并且容易出現(xiàn)漏液等問題，在低溫零度下無法正常的使用。

（2）卷繞電池，主要是優(yōu)勢就是體積小，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，并且在-10℃還能正常地使用，維護(hù)過程比較簡單，并且壽命很長;缺點(diǎn)就是和鋰電池體積上進(jìn)行對比，很大，功能性上很少。

3.2.2 鋰離子類

（1）聚合物鈷酸鋰電池，優(yōu)勢就是小巧，不僅功能齊全，同時(shí)待機(jī)時(shí)間長，還比較美觀;缺點(diǎn)就是遇到高溫會發(fā)生爆炸，并且低溫的狀態(tài)下無法正常使用，容量不高，線路保護(hù)過程比較復(fù)雜。

（2）磷酸鐵鋰電池，優(yōu)勢就是便于攜帶，并且待機(jī)時(shí)間很長，壽命很長，可以耐高溫，并且在-10℃可以使用;缺點(diǎn)就是在高溫70℃使用不太安全，價(jià)格要比聚合物電池偏貴。

3.2.3 電容類：

超級電容，不僅小巧十分的便攜，同時(shí)放電電流很大，充電的速度也很快，使用壽命很長;缺點(diǎn)就是在達(dá)到高溫70℃以上使用不太安全，線路的保護(hù)也過于復(fù)雜，容量不高，價(jià)格很高。

3.3 產(chǎn)品特征

汽車應(yīng)急啟動電源可以為12V電瓶輸出的汽車打火，但是針對于不同排量的產(chǎn)品在適用范圍上會有變化，可以給野外的應(yīng)急救援提供良好的保障;與此同時(shí)，還兼具了LED燈，警示燈以及信號求救等功能;汽車應(yīng)急啟動電源可以給汽車提供汽車應(yīng)急啟動，同時(shí)還能有多種輸出，例如5V可以給各種手機(jī)等移動產(chǎn)品提供充電，12V可以給路由器等產(chǎn)品，19V可以給筆記本電腦等產(chǎn)品，不僅廣泛地適用于各種生活各種場景，也提供了便利;與此同時(shí)，汽車應(yīng)急啟動電源中利用了聚合物類，不僅延長了啟動電源的使用壽命，同時(shí)充電循環(huán)可以達(dá)到500次以上;鉛酸的蓄電池類應(yīng)急啟動電源需要配置充氣泵，可以便于充氣。需要重點(diǎn)注意的是，鋰離子聚合物類應(yīng)急啟動電源電量要是顯示在3格以上，才能給汽車進(jìn)行打火，避免燒毀汽車應(yīng)急啟動電源主機(jī)。

4 汽車電源架構(gòu)在設(shè)計(jì)遵循的基本原則

4.1 輸入電壓VIN范圍

12V的電池電壓關(guān)系著電源轉(zhuǎn)換的輸入電壓，其中汽車電池電壓范圍在9V至16V，發(fā)動機(jī)關(guān)開關(guān)，汽車電池的電壓是12V;發(fā)動機(jī)工作過程中，電池電壓在14.4V。但是在不同的條件下，順泰電壓是±100V。

4.2 散熱考慮

散熱要按照轉(zhuǎn)換器的最低效率，要設(shè)計(jì)空氣流通的不同應(yīng)用場合，若環(huán)境溫度大于>30°C，外殼就會有熱源存在，設(shè)備的溫度就會迅速的上升。例如，很多的音頻放大器都是在散熱片上，需要將空氣流通的散熱熱量提供一個(gè)良好的空間。另外，采用PCB材料不僅可以大大提升傳熱的效率，還能達(dá)到預(yù)期的散熱良好條件。如果不能安裝散熱片，封裝上的散熱能力就要在2W至3W。環(huán)境溫度的不斷上升，散熱的能力也就會出現(xiàn)下降。

4.3 靜態(tài)工作電流及關(guān)斷電流

現(xiàn)階段，隨著汽車中的電子單元數(shù)量呈現(xiàn)了上漲的趨勢，從而汽車的電池消耗量也有所擴(kuò)大。發(fā)動機(jī)關(guān)閉過程中電池的電量如果耗盡，但是ECU單元還是保持了正常的工作。要想讓工作電流IQ達(dá)到一個(gè)良好的可控范圍內(nèi)，很多的廠商在IQ上進(jìn)行了限制。

4.4 成本控制

很多的生產(chǎn)廠商，在成本和規(guī)格上對于生產(chǎn)的產(chǎn)品有著直接的影響，在生產(chǎn)過程中需要重視成本設(shè)計(jì)。其中包含了散熱能力，PCB類型等。例如，單層板以及4層板在散熱能力上就要很大的區(qū)別。與此同時(shí)，也會受到項(xiàng)目預(yù)算的影響，所以很多的開發(fā)平臺，作為設(shè)計(jì)人員都是在傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化和進(jìn)一步的調(diào)整。

4.5 位置以及布局

電源的設(shè)計(jì)過程中，PCB和元件布局會影響到電源的性能以及結(jié)構(gòu)，同時(shí)還關(guān)系著整個(gè)噪聲，或者是多層板之間的互聯(lián)問題，另外，元件的布局也會影響到高芯片的集成電源設(shè)計(jì)。如果采用負(fù)載點(diǎn)的電源設(shè)計(jì)，就會導(dǎo)致電源會增加高成本，采用多元件就會無法達(dá)到其預(yù)期的效果。因此，電源設(shè)計(jì)人員就要按照不同的項(xiàng)目需求，合理地控制機(jī)械成本。

4.6 電磁輻射

隨著時(shí)間的變化，電場會有電磁輻射產(chǎn)生，輻射的強(qiáng)度在于幅度以及頻率，與此同時(shí)，會產(chǎn)生工作電路的電磁干擾，也會影響到另外一條電路。例如，無線電頻道出現(xiàn)干擾會導(dǎo)致安全氣囊受到影響，因此，作為廠商要針對ECU單元進(jìn)行最大電磁輻射的調(diào)整和升級。

5 超級電容在汽車發(fā)動機(jī)起動的發(fā)展空間

超級電容不僅能量轉(zhuǎn)換效率很高，同時(shí)充電很快，并且具有高自放電的特點(diǎn)，這種儲能更大，也就是混合動力。現(xiàn)階段，混合動力技術(shù)也就是電池，但是制動能量程度不高，因?yàn)榛厥盏哪芰恐皇亲鳛殡姎庀到y(tǒng)使用，在回收率上很低。如果混動車型，要利用大容量的超級電容，就能滿足制動能量的回收，能夠達(dá)到節(jié)能的效果。與此同時(shí)，很多的購車人員會考慮到電池的壽命，第一，混合動力具有很高的安全性，并且放電速度很快，若設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不到位，就會有很大的風(fēng)險(xiǎn)。第二，工作電壓很低，也是限制了汽車的實(shí)際應(yīng)用?，F(xiàn)階段，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，豐田公司已經(jīng)研制出了超級電容混動車型，核心的重點(diǎn)就是節(jié)能。在放電速度上很高，可以滿足高功率的電機(jī)，在瞬間還能達(dá)到一定的能量。

6 結(jié)語

綜上所述，最近幾年，市面上問世的超級電容類汽車應(yīng)急電源是一種新興的電池。汽車應(yīng)急啟動電源，不僅有超級大的電容功率，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)快速的放電，可以滿足車輛在啟動過程中的需求。汽車蓄電池在虧電的狀態(tài)下車輛無法啟動，啟動應(yīng)急電源就能實(shí)現(xiàn)快速的啟動車輛，也是戶外出行的汽車必備產(chǎn)品。另外，超級電容的功率很大，并且可以實(shí)現(xiàn)快速的放電等特性，可以滿足車輛野外的救援，在汽車領(lǐng)域中發(fā)揮著非常大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭岑岑.超級電容在汽車發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].工程技術(shù)（文摘版）·建筑，2017（1）：00105-00105.

[2]張忠仁，祝長松，王平.以超級電容為載體的車載應(yīng)急啟動電源.

[3]牛志寬. 超級電容器在電動汽車上應(yīng)用及未來展望[J]. 電腦迷，2017，000（018）：247.

[4]張杜鵲，歐陽海，胡歡.超級電容器在電動汽車上的應(yīng)用[J].天津汽車，2009.

[5]譚研，楊代軍，張存滿. 基于鋰離子超級電容器的燃料電池混合動力系統(tǒng)能量管理研究[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，037（002）：236-239.

[6]馮莉，陳子賢，韓愛萍，等.關(guān)于超級電容應(yīng)用在柴油發(fā)電機(jī)啟動電源的探討[J]. 視聽，2017.

[7]尚彤.壓氣站輔機(jī)系統(tǒng)不間斷應(yīng)急電源設(shè)計(jì)與研究[D].2017.

[8]宮金朋.超級電容在汽車發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].2016.