基于超級(jí)電容的推土機(jī)啟動(dòng)輔助方法

（山東濟(jì)寧山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

推土機(jī)的電氣系統(tǒng)主要由蓄電池和發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的發(fā)電機(jī)供電，而在啟動(dòng)過程中，僅由蓄電池供電。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)馬達(dá)所需要的電流在5～10s 內(nèi)為200～600A。而大馬力推土機(jī)的啟動(dòng)馬達(dá)所需要的啟動(dòng)電流瞬時(shí)可達(dá)1 000A 以上。在推土機(jī)上應(yīng)用最廣泛的就是鉛蓄電池，鉛蓄電池含有重金屬離子，回收處理困難，而大電流沖擊會(huì)降低蓄電池的壽命，從而使蓄電池在短時(shí)間內(nèi)報(bào)廢，浪費(fèi)能源而且危害環(huán)境。

1 啟動(dòng)過程的大電流對(duì)蓄電池的影響

蓄電池由6 個(gè)電池板組串聯(lián)而成，每個(gè)電池板組都有若干個(gè)正極板和負(fù)極板，電壓在2V 左右，兩種極板上都附著有活性物質(zhì)，并且都浸入在電解液中。蓄電池的充放電過程就是依靠極板上的活性物質(zhì)在電解液中的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。

實(shí)驗(yàn)證明，放電電流越大，則電壓下降的越快，至終止電壓的時(shí)間越短（圖1）。這是因?yàn)殂U蓄電池在大電流放電時(shí)，其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)較快，極板表面活性物質(zhì)的空隙很快就被放電生成的物質(zhì)所堵塞，電解液難以滲入，使極板內(nèi)層活性物質(zhì)不能參加反應(yīng)，因而活性物質(zhì)利用率大大降低，容量減小，充電周期縮短，壽命進(jìn)而縮短[1]。

目前尚無相應(yīng)的技術(shù)輔助推土機(jī)的蓄電池進(jìn)行啟動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，推土機(jī)操作規(guī)范要求推土機(jī)的駕駛員在啟動(dòng)失敗以后再次啟動(dòng)時(shí)，需要等待1～3min，避免短時(shí)間內(nèi)多次沖擊蓄電池。本文從另外一個(gè)方向輔助蓄電池完成啟動(dòng)，減小蓄電池的電流沖擊。

2 超級(jí)電容輔助啟動(dòng)方案

傳統(tǒng)推土機(jī)啟動(dòng)操作過程：駕駛員插入鑰匙，將鑰匙開關(guān)由OFF 位扭到ON 位，此時(shí)整車電氣系統(tǒng)接通到蓄電池上，整車電氣系統(tǒng)得電；一段時(shí)間以后，駕駛員將鑰匙開關(guān)由ON 位扭到START 位并維持在START 位，啟動(dòng)馬達(dá)得電，開始啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；駕駛員判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)后，松手，鑰匙開關(guān)自動(dòng)由START 位回到ON位，推土機(jī)開始正常進(jìn)行工作，此時(shí)電氣系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的發(fā)電機(jī)和蓄電池共同為電氣系統(tǒng)供電。

超級(jí)電容輔助啟動(dòng)系統(tǒng)方案如圖2 所示。該輔助啟動(dòng)系統(tǒng)輔助推土機(jī)啟動(dòng)的過程：駕駛員將鑰匙開關(guān)由OFF 位扭到ON 位的時(shí)候，蓄電池繼電器工作，將蓄電池整機(jī)與電氣系統(tǒng)的+24V 電源端接通，超級(jí)電容管理模塊開始給超級(jí)電容以恒壓的方式充電，此時(shí)的充電電流也較為平穩(wěn)。充電完畢后，超級(jí)電容管理模塊將充電完畢的信號(hào)傳送給整車控制器，整車控制器再將該信息傳送的顯示儀表盤進(jìn)行顯示，提醒駕駛員此時(shí)可以啟動(dòng)。駕駛員看到可以啟動(dòng)的信息以后再將鑰匙開關(guān)由ON 位扭到START 位，啟動(dòng)繼電器工作，將+24V 電源端接通到啟動(dòng)馬達(dá)上，超級(jí)電容電能輸出端也接在此端口，此時(shí)超級(jí)電容管理模塊將超級(jí)電容電能輸出到啟動(dòng)馬達(dá)上，提供馬達(dá)啟動(dòng)瞬時(shí)所需要的大電流，減小蓄電池需要供應(yīng)的電流量，輔助蓄電池完成啟動(dòng)過程。啟動(dòng)完成，控制器獲得整車正常工作的信息后，發(fā)送控制信號(hào)到超級(jí)電容管理模塊。超級(jí)電容管理模塊將超級(jí)電容與電氣系統(tǒng)斷開，此時(shí)輔助啟動(dòng)過程結(jié)束。

圖2 超級(jí)電容輔助啟動(dòng)系統(tǒng)

3 類似方案的啟動(dòng)輔助效果

此類輔助方法尚未在推土機(jī)上有過實(shí)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)。據(jù)文獻(xiàn)[2]所提供的資料，該方案的類似方案在汽車系統(tǒng)上有過實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)的方案與本方案的不同在于：①?zèng)]有電源管理模塊，直接將超級(jí)電容并聯(lián)到了蓄電池的兩端；②沒有其它控制器、顯示儀表等，只是記錄了啟動(dòng)過程的相應(yīng)的電流、電壓等數(shù)據(jù)；③只使用了單個(gè)12V 左右的蓄電池，而不是推土機(jī)所使用的2 塊蓄電池串聯(lián)的24V 電源。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 超級(jí)電容輔助啟動(dòng)系統(tǒng)

啟動(dòng)的過程中，沒有超級(jí)電容的話，蓄電池的電壓會(huì)有一個(gè)驟降的過程，蓄電池的輸出電流會(huì)有一個(gè)沖擊，如圖3（a）所示。系統(tǒng)并入超級(jí)電容以后，啟動(dòng)過程的電壓波動(dòng)明顯變小，啟動(dòng)過程的電流沖擊主要由超級(jí)電容提供，如圖3（b）所示。

推土機(jī)的啟動(dòng)過程與汽車的啟動(dòng)過程相類似，區(qū)別在于推土機(jī)的功率普遍較大，啟動(dòng)需要更大的電流。從以上實(shí)驗(yàn)過的方案推斷，本文所提供的輔助啟動(dòng)方案也會(huì)改善啟動(dòng)過程的電壓驟降和電流沖擊問題，保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)其壽命。

4 結(jié)論

經(jīng)過分析與比較，本文所提供的基于超級(jí)電容的推土機(jī)輔助啟動(dòng)方法可以減小啟動(dòng)過程的電流沖擊，延長(zhǎng)蓄電池的壽命，進(jìn)而減少了蓄電池回收過程可能造成的能耗和污染，提高了推土機(jī)的節(jié)能性和環(huán)保性。