李泰祥 宋陽(yáng) 蘇玉琢 姜衍猛 楊洪斌

摘 要：低溫條件對(duì)起動(dòng)電池的大電流放電性能提出了更高的要求，商用車(chē)在高原高寒地區(qū)使用時(shí)，由于氣溫過(guò)低導(dǎo)致蓄電池的放電能力嚴(yán)重下降，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)蓄電池供電不足，點(diǎn)火次數(shù)減少，最終可能導(dǎo)致汽車(chē)無(wú)法正常啟動(dòng)。超級(jí)電容器在低溫環(huán)境下有較好的放電能力，可以確保啟動(dòng)時(shí)提供足夠的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)次數(shù)，改善汽車(chē)的啟動(dòng)性能，延緩蓄電池壽命。

關(guān)鍵詞：低溫條件;商用車(chē);發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng);超級(jí)電容器

1 背景

寒冷地帶的人們通常采用火烤油底殼和進(jìn)氣管，給發(fā)動(dòng)機(jī)灌熱水以及推車(chē)、拖車(chē)、溜車(chē)等落后的方法來(lái)啟動(dòng)汽車(chē)，這些方法不僅費(fèi)力費(fèi)時(shí)、費(fèi)燃料，而且一旦操作不當(dāng)，極易發(fā)生火災(zāi)，很不安全，隨著科技的發(fā)展可以通過(guò)科學(xué)的方法解決進(jìn)氣管加熱等問(wèn)題，但本質(zhì)問(wèn)題蓄電池低溫放電能力還沒(méi)有得到解決，基于超級(jí)電容器的發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)模組不但可以保證提供商用車(chē)低溫啟動(dòng)所需的大電流放電，改善汽車(chē)啟動(dòng)性能，還可以避免蓄電池低溫大電流放電，延緩蓄電池使用壽命，從而提高商用車(chē)經(jīng)濟(jì)性。

2 柴油機(jī)低溫啟動(dòng)困難原因

柴油機(jī)啟動(dòng)困難只是最終現(xiàn)象，柴油無(wú)法燃燒才是根本的原因[1]。柴油無(wú)法燃燒的根本原因一是為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)提供動(dòng)力的蓄電池容量不足;二是發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力（潤(rùn)滑油粘度）太大。因此柴油機(jī)啟動(dòng)困難要考慮到各個(gè)系統(tǒng)及其相關(guān)的影響關(guān)系。但主要圍繞在低壓柴油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、蓄電池和起動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑油等方面，低壓柴油系統(tǒng)通常通過(guò)增加泵油排空裝置和燃油加熱裝置來(lái)解決燃油管進(jìn)氣問(wèn)題和燃油結(jié)蠟問(wèn)題;進(jìn)氣系統(tǒng)部分通過(guò)PTC格柵進(jìn)氣加熱和火焰進(jìn)氣預(yù)熱裝置來(lái)解決進(jìn)氣溫度過(guò)低的問(wèn)題;潤(rùn)滑系統(tǒng)部分只要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油預(yù)熱來(lái)解決潤(rùn)滑油粘度加大引起旋轉(zhuǎn)部件阻力矩加大的問(wèn)題;蓄電池和起動(dòng)機(jī)通常是通過(guò)合理匹配來(lái)解決起動(dòng)問(wèn)題，但車(chē)輛用鉛酸蓄電池的電性能受?chē)?yán)寒低溫環(huán)境條件的影響較大，一般鉛酸蓄電池電解液溫度每降低1℃，電解液的比電阻要增加11倍，容量下降1%～2%，電解液粘度加倍，使得電解液很難滲入到極板內(nèi)層，從而導(dǎo)致鉛酸蓄電池電化學(xué)反應(yīng)速度放慢，充電接受能力變差，實(shí)際輸出容量減小[2]，這是鉛酸蓄電池低溫放電能力下降的根本原因，也是低溫環(huán)境下啟動(dòng)車(chē)輛困難最重要的原因。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)模組組成

發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)模組由超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元，DCDC、均壓電路組成。

儲(chǔ)能單元采用11個(gè)2.7V，3000F超級(jí)電容器串聯(lián)，總電壓范圍為0-29.7V，容值為272F。超級(jí)電容器功率密度高，功率密度一般可達(dá)300～5000W/kg，相當(dāng)于蓄電池的10倍;瞬間大電流放電能力強(qiáng)，瞬間能夠提供2000A左右的大電流，輸出功率大;內(nèi)阻小，充放電響應(yīng)速度快，使用壽命長(zhǎng)，充放電壽命可達(dá)1000000次;使用溫度范圍寬，可以在-40～65℃環(huán)境條件下全天候使用;無(wú)污染，超級(jí)電容器的密封結(jié)構(gòu)使其電解質(zhì)不會(huì)泄漏在空氣中原材料的生產(chǎn)及拆解過(guò)程中也無(wú)污染，是一種理想的綠色環(huán)保電源[3]。

DCDC主要作用是限流給超級(jí)電容器充電，避免蓄電池過(guò)流給超級(jí)電容模組充電，保護(hù)蓄電池，輸入電壓為蓄電池的24V，最大輸出電壓為28V，充電電流為20A，當(dāng)超級(jí)電容器電壓達(dá)到28V，停止工作保護(hù)模組;或者當(dāng)接收到超壓信號(hào)即停止工作保護(hù)模組。

均壓電路會(huì)對(duì)各個(gè)電容單體進(jìn)行均壓和監(jiān)測(cè)，均壓方式為被動(dòng)均壓，單體電壓值超過(guò)閾值均壓電路反饋給DCDC超壓信號(hào)，DCDC接收到超壓信號(hào)會(huì)停止工作。

4 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

相對(duì)于蓄電池24V起動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)模組是通過(guò)與24V蓄電池串聯(lián)方式連接到整車(chē)上的，Battery+經(jīng)過(guò)手動(dòng)電源總開(kāi)關(guān)與蓄電池正極相連接，避免冷啟動(dòng)模組與蓄電池并聯(lián)引起的因模組漏電流導(dǎo)致蓄電池虧電，避免DCDC轉(zhuǎn)換器漏電流引起蓄電池虧電;Starter+直接與起動(dòng)機(jī)相連，僅發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)模組為起動(dòng)機(jī)提供電能，避免發(fā)電機(jī)直接給模組充電。

在黑河進(jìn)行多次低溫啟動(dòng)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)車(chē)型主要有一汽解放JH6 420、一汽解放JH6 400、一汽解放JH6 550等，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)模組在零下25℃條件下均成功啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

以JH6 400車(chē)型為例，在零下20℃環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)需求最大啟動(dòng)電流為1200A左右，在低溫條件下單獨(dú)使用蓄電池啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)對(duì)蓄電池壽命產(chǎn)生很大影響，充滿電后的發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)模組可以順利地啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，模組放電電流和電壓變化如圖1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

在低壓柴油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑油等方面都采取相應(yīng)措施后，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)模組可以在低溫條件下為起動(dòng)機(jī)提供足夠大的電流，避免蓄電池低溫大電流放電，延長(zhǎng)蓄電池壽命，提高整車(chē)經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)模組可在商用車(chē)領(lǐng)域廣泛推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]叢孟營(yíng).電控柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能關(guān)鍵影響因素研究[D].天津：天津大學(xué)，2015.

[2]師永強(qiáng)，穆希輝，杜峰坡.柴油機(jī)啟動(dòng)性能改進(jìn)措施[J].機(jī)械與電子，2010，8（08）：37-39.

[3]牛建民.復(fù)合電源低溫起動(dòng)應(yīng)用研究[J].車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2012（03）：47-50.