法拉电容内燃机辅助启动电路 （室内理论测试阶段）

luosifu

首先声明：
一  本设制作仅为满足自己求知欲，属于没事闲得，不具有参考价值。设计所使用的器件不满足车规要求，制作出来的样品也未经过各种安全及稳定性测试，如被他人参考使用，导致安全问题，则与本人、与本贴无关。
二  电子电路问题需要相关知识储备才可动手操作。另外，今日所使用的电子技术及器件性能，已于数十年前大有不同，如法拉电容、理想二极管。本设计正得益于前两种器件的普及而做。
三  本设计舍近求远，以玩电路练手为主，实不具备实用性，本人也是业余爱好，专业人士切莫与我这种层次的人一般计较。

开始正题

在寒冷地区，导致内燃机启动困难的因素很多，比如气缸温度低、润滑油温度低等，电瓶问题仅为其中之一，本制作也仅对于电瓶启动问题有针对性的起到辅助作用，不能解决所有问题。

目前大多汽车使用为铅酸电瓶，启动机为直流电机。启动电机工作时间短，启动电流大，一般峰值可达到100A以上。铅酸电瓶为化学电池，其电能产生来源依赖内部化学反应，因此，低温因减缓化学反应速率，从而影响了电瓶的放电能力。另外，电瓶老化及低温，同时还会使电瓶内阻加大。以12V铅酸电瓶为例，假设其内阻达到120毫欧，那么它的短路电流是100A，加上一个电机后，电机无法得到正常启动所需的电流，这是电瓶内阻影响启动的原因。

法拉电容的特性之中，有2个特性可对上面铅酸电瓶的问题进行改善。其一是法拉电容比铅酸电瓶更耐低温，其二是低温下法拉电容的内阻也较小。将容量足够发动机完成一次启动，且漏电小、内阻低的法拉电容并在电瓶上，启动时，就可利用电容的低内阻特性，实现启动电流大部分甚至完全由电容提供，电瓶只起到辅助供电及向电容缓慢充电的作用。这样以来，不但解决了因电瓶内阻增大引起的启动困难的问题，还会减少电瓶因大电流放电对极板的冲击，延长电瓶寿命。

上面的假设，是基于优质的法拉电容。而现实中，优质的大容量法拉电容价格极高，远远超出了优质铅酸电瓶的价格。就算有闲钱买，个人也难有可靠的采购渠道。二手的旧电容，内阻和漏电这两个问题是使用需要注意的。内阻大了，那么辅助的效果就不好，如内阻比电瓶还高，那么没有任何意义了。漏电小，可以直接并在电容两端，如果漏电大，那么在发电机停止发电后，电容反而成了耗电设备，加速了电瓶的老化。

内阻问题无法解决，漏电问题，可以通过开关的方式，可控的让电容是否是否并在电瓶上，下面就是大体的设计方案图：

电容与铅酸电瓶，各自经过理想二极管后给起动机供电，这样电容和电瓶各自独立，不会出现相互充电的情况。
用升压电路，将电容的充电电压调整到略高于电瓶的平台电压，这样启动时会以电容为主要放电回路，减少对电瓶的冲击。由于使用了理想二极管，因此不用担心电容的较高电压会影响其他汽车电器。
电容的充电电路，使用汽车ACC信号作为使能信号，这样就避免了熄火后电瓶的损耗。如果有时间，可以先打开ACC，等电容充满电再启动。

先从简单问题解决，做一个理想二极管，为方便散热，使用铝基板，控制器使用德州仪器的LM74700，MOSFET使用FDBL9406。

焊接好的样品

由于二极管持续耗电，所以需要测试一下它自身的耗电大小。

这个耗电量应该可以接受，因为是2个二极管，所以在电瓶处和电容处各自有这么大的消耗。

以下是工程量较大的部分，电容的充电控制部分。
为了达到让电容在启动过程发挥主要作用，就要让电容的电压略高于电瓶电压，这就需要用到升压电路。汽车发电机电压最高时会达到14.8V，铅酸电瓶最低电压会低到10V甚至更低，这就需要一个可自动升降压的电路为电容充电。使用德州仪器的LM5175，这个控制器可以自动切换升降压模式。并且LM5175休眠状态下的功耗也很低。5175只是一个控制器，需要外部的MOSFET和电感。因为充电电流较大，所以无论是电感还是MOSFET，我都选了大功率的，并且设计在外置的铝基板上。

法拉电容单只是2.7V/3000F的，所以要用于汽车，需要6只串联，才能达到足够的电压。因为电容单体的差别，每个电容需要一个均衡器 ，也就是当某个电容充满电后，均衡器起作用，分走一部分电流，减缓它的充电电流，以限制它的充电电压不再提高。均衡控制器选用BW6101，BW6101有2个动作值电压可选，设计时用0Ω电阻做了可选的方式，实际使用时我按照2.45V用的。这里有个问题，我看很多均衡电路，包括锂电池的均衡电路，均衡电阻的功率都不大，我这里为了可靠，用了5W的水泥电阻。
由于均衡电路也需要耗电，为了尽可能减少电容平时的放电，我用继电器将均衡电路与电容进行了隔离，只有ACC有效时，均衡电路才会接入电容，平时均衡电路不好电。
用了一个STM32做总体的监控与控制，采集各电容电压，发电机电压，控制充电与否等等，还加了485和CAN接口，用于对外显示数据。下面时电容充电部分的框图：

LM5175的休眠耗电也很低，基本就是前面两个电解电容的耗电。本来也可以加个继电器解决的，但再加继电器，PCB面就超过免费的尺寸了……
设计中有一个不足，上图中5175后面加了一个继电器控制是否与电容连接，后来实验发现，如果继电器触点上，并联一个二极管+电阻效果更好，这样可以在部分电容充满电后，断开继电器，用二极管和电阻限流，对电容进行小电流充电。
下面是LM5175升压电路于休眠状态的功耗：

上述控制板的调试，仅仅是修改错误就耗费了近2天时间，其中一个错误，是5175的输出VCC忘了加电容，导致对MOSFET的驱动力不足。另一个是在设计的时候就担心的问题，将MOSFET和电感外置，会不会因走线过长引发问题，结果真的出现问题了，不过因为是给电容充电，对纹波要求也不高，因此靠着改变几个元器件的参数也能将就用了。
先用手里的几个小法拉电容做个充电测试：

为了玩的高兴，再增加点工作量，加一个屏用来显示电容的充电状态：

本来想做竖屏，看着顺眼，但是这个屏幕不支持文本数据竖过来，那就按它的方向改成横屏吧。绿色的对号表示电容充满达到均衡状态，红色箭头表示正在充电。

上面的图，仅仅是测试屏幕用的，数据和状态无效，左上角表示电池电量的更无效。
以上仅为室内实验，还没有实测。买的电容还没到货，且最近东北天冷，没室内车库，拆车又是个体力活，等各方面条件具备了，再向诸位汇报实测结果。
如果天气继续冷下去，或者买不到合适的电容，那这一套东西很可能加个触发电路改成车载点焊机，出去给别人点焊锂电池去……

经验教训：
1.在直接复制自己以前做过的电路时，一定要检查好是否有疏漏。上面的充电板，LM5175部分，我就是直接复制以前的原理图，结果少复制了一个电容。
2.功率电感，如果可选一体化压制的尽量选一体化压制的，这板5175部分的异常，除了和布线拉长有关外，还与我所使用的电感漏磁大有关，正因为漏磁大，才干扰了较长的信号反馈线。
3.好奇心不要太重，对技术的好奇与渴望，会大幅增加自己的开销。

补充内容 (2024-3-5 20:29):
32楼为电容自放电的测试，43楼为电瓶并联法拉电容的数据测试

luosifu

       一个月的电容自放电测试已完成，昨晚把电容，示波器等设备搬到车内，准备今天测试。
       近年来头脑愚钝，做事情总是想不到要点，昨天还为怎么接线而愁，因为要测试启动瞬间，所以自己操作这些就要在驾驶位，但机舱在外，扯根线又很长。好在家里没有足够长的线，不然我就要剪线了。晚上辗转反侧的习惯性失眠，想起了方向盘下有ODB接口，这样测试ODB接口就可以了，不用从机舱扯线了。几年前工作上开发过ODB设备，我偷偷留了几根线，这回派上用场了，完全在驾驶位就可以操作了。

以前做的ODB线，配上DB25，很方便接示波器

我的示波器刚更新不久，买的二手的，不具备电池供电功能，我差点做了个逆变，想起来有个旧的UPS，于是自己不做了。UPS里面的铅酸电瓶废了，正好我前段时间闲着无聊，做了2组磷酸铁锂，串联28V，可以给UPS供电。
       下班前，给磷酸铁锂电池充电。常规性的非法操作，同时也给万用表的不可充电电池顺便强行充电。万用表电池，没电后，我这样强行充电，一般还可以坚持用1个月。

充电

UPS和电池，示波器放在一边。

下面是汽车ODB接口




这个是自动启停的电瓶，才用了5000Km，并且我不用自动启停功能，因此这电瓶还算很新，没有老电瓶来对比测试。
两次测试，都是测ODB电瓶电压，使用示波器。第一次测试，正常启动，测试启动过程电压变化；第二次测试，将电容并在电瓶上测试。之所以说准备不充足，是因为没有处理好连线，简单的把电容线夹在电瓶端子的缝隙中了，而没有可靠的连接。


下面是两侧测量的对比结果


电瓶连线没有处理好，估计接触电阻不小，等哪天有空，清理好接头可靠接线后再测量一次。

traingo

实测500f电容组 自带保护板，和原车电瓶并接已经5年，汽车一年四季发动，且车机音响也不会在发动汽车时断电没声了。关于安全：中大型车客车合适，可以和发动机舱完全隔开避免高温。关于自放电，测定下汽车静态漏电流在20ma-30左右，我直接放置了一个40w的太阳能充电板，疫情期间半年不开车也没有丝毫启动影响。电瓶12v80a 到目前已经7年了

yu258gk

法拉电容每次启动汽车后都会立即被汽车发电机补电

luosifu

chj6 发表于 2024-2-28 15:12
等您研究好了我这小白跟着沾个光，启停的电瓶太贵还不抗用就得加这个，一直在纠结这个体积和自放电，就得 ...

等天气暖和的，现在太冻手

a0815

不错...........2.7V/3000F，6个电容体积可不小，完全可以脱离电瓶给汽车启动好几次

twsg

我觉得理想二极管不如采用继电器解决方便
建议如下：电容控制电路控制电容充电和电压检测，当电容电压至与蓄电池电压一致的时候，继电器打开，此时电容参与汽车启动；这时候发电机发电，控制电路可以控制继电器断开（当然，不断开也可以）；当发动机熄火，车钥匙关掉后，必须断开继电器，防止蓄电池向电容放电。

yiguangqiang88

启动电流有点大，理想二极管方案可以嘛？
用低自放的6×360F自带均衡的法拉电容组（我运气好，完全充满后吸收电流不到3mA，不过内阻有点大达到23毫欧），直接并到电瓶上不知道效果怎么样？

twsg

yiguangqiang88 发表于 2024-1-22 12:55
启动电流有点大，理想二极管方案可以嘛？
用低自放的6×360F自带均衡的法拉电容组（我运气好，完全充满后 ...

虽然吸收电流很小，但也不建议长期接在蓄电池上，还是用的时候接上，不用的时候断开较好，楼主的方案就是解决这个问题的

burn

祝楼主早日DIY成功，然后开源项目资料，造福广大坛友

yacasu119

这个，我6个3000F的电容串联加了个保护板，用粗导线直接并在电瓶上的，东北已经用了好几年了，冬天启动车一点压力没有。直接并，减少内阻，无不良影响。

traingo

luosifu 发表于 2024-1-26 08:30
您的电池板安装在哪了，车内还是车外？

车内，位于副驾驶后排的那个座位的地板下，远离冷热源。

luosifu

twsg 发表于 2024-1-22 12:50
我觉得理想二极管不如采用继电器解决方便
建议如下：电容控制电路控制电容充电和电压检测，当电容电压至与 ...

谢谢您的建议，最开始我想用一个具有长闭常开的继电器做切换，常闭接电瓶，常开接电容，根据电容电压控制继电器，后来发现网上卖的这种转换型200A继电器不靠谱，靠谱的价格高了点，于是想尝试一下理想二极管的效果，毕竟理想二极管用于大电流我还没实践过，正好借机体验一下。不久前又弄到了一个宏发的直流高压大电流继电器，宏发介绍说是用于电车的，还带磁吹弧功能，也正合适。二极管测完了再用继电器测一下，

luosifu

yiguangqiang88 发表于 2024-1-22 12:55
启动电流有点大，理想二极管方案可以嘛？
用低自放的6×360F自带均衡的法拉电容组（我运气好，完全充满后 ...

选用的二极管是FDBL9406，规格如下

按手册的数据，电流不是问题，启动时间虽然短，但电流太大，这个1.3毫欧的内阻也不小，怕发热大，所以用了铝基板。
为了保险起见，我又并上了一个英飞凌的MOSFET，这个内阻小一些

所以这个理想二极管每一路都用了2种MOSFET并联，百安培级别的实际效果和压降还没测试，最大测试过6A，压降在200mV左右。
因为买的都是旧件，所以买了2种实验，焊接的时候忘了对比测试，就打算这么用了。

luosifu

a0815 发表于 2024-1-22 12:56
不错...........2.7V/3000F，6个电容体积可不小，完全可以脱离电瓶给汽车启动好几次

体积大，价格贵，相比于电池来，低温性和寿命是优势。

JuncoJet

楼主均衡电路完整版方便开源吗，或者给点提示
我设计瓶颈卡住了，电容每个节点的电压只能向上调整
不能向下调整，也就有一个电容始终不可控

luosifu

yiguangqiang88 发表于 2024-1-22 12:55
启动电流有点大，理想二极管方案可以嘛？
用低自放的6×360F自带均衡的法拉电容组（我运气好，完全充满后 ...

      如果电容的性能有保证，直接并上没什么问题，但咱买的基本都是淘汰下来的高龄电容了，万一有点毛病，漏电大把电瓶耗废了都算是小问题，3毫安的耗电量，虽然不大，但是跟整车关闭后的静态耗电相比来看，也不算小。

      另外您有空看一下均压板，模拟一下在发电机正常输出的电压下，电容全部充满后和部分充满后均压电阻的功耗和发热量，因为二手电容一致性可能不好，我也因为担心这点，才用的5W均压电阻，但愿是杞人忧天吧。

luosifu

JuncoJet 发表于 2024-1-22 13:29
楼主均衡电路完整版方便开源吗，或者给点提示
我设计瓶颈卡住了，电容每个节点的电压只能向上调整
不 ...

均衡电路我用的成品，没自己设计比较器。当初也是因为电容电压太低，担心自己设计的电路在低压工作时不理想。
均衡电路就是下面这些，6个串联，整个截图就看不清了。整个东西没有什么保密的，我也只是简单拼凑而已。完整的原理图修改后再说吧，现在发现一些问题，能将就用，如果发出来我觉得不太负责，改进了以后再发吧。

BW6101.pdf (312.82 KB, 下载次数: 141)

2024-1-22 13:40 上传

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luosifu

JuncoJet 发表于 2024-1-22 13:29
楼主均衡电路完整版方便开源吗，或者给点提示
我设计瓶颈卡住了，电容每个节点的电压只能向上调整
不 ...

如果您的电路方便贴出来，我正好顺便学习一下

JuncoJet

我的   

luosifu

JuncoJet 发表于 2024-1-22 14:00
我的

我分析的不一定对啊。
V1,V2,V3,V4是接电池或者电容的4个节点吧？
T2，T3应该是一个比较基准电压吧。在您的电路中，没看到专用的基准源，会不会是V1受负载影响变化了，导致基准电压跟着变了造成的？