基于超級電容的推土機啟動輔助方法

（山東濟寧山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

推土機的電氣系統主要由蓄電池和發動機自帶的發電機供電，而在啟動過程中，僅由蓄電池供電。發動機啟動時，啟動馬達所需要的電流在5～10s 內為200～600A。而大馬力推土機的啟動馬達所需要的啟動電流瞬時可達1 000A 以上。在推土機上應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，而大電流沖擊會降低蓄電池的壽命，從而使蓄電池在短時間內報廢，浪費能源而且危害環境。

1 啟動過程的大電流對蓄電池的影響

蓄電池由6 個電池板組串聯而成，每個電池板組都有若干個正極板和負極板，電壓在2V 左右，兩種極板上都附著有活性物質，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在電解液中的電化學反應實現的。

實驗證明，放電電流越大，則電壓下降的越快，至終止電壓的時間越短（圖1）。這是因為鉛蓄電池在大電流放電時，其內部化學反應較快，極板表面活性物質的空隙很快就被放電生成的物質所堵塞，電解液難以滲入，使極板內層活性物質不能參加反應，因而活性物質利用率大大降低，容量減小，充電周期縮短，壽命進而縮短[1]。

目前尚無相應的技術輔助推土機的蓄電池進行啟動。在實際應用中，推土機操作規范要求推土機的駕駛員在啟動失敗以后再次啟動時，需要等待1～3min，避免短時間內多次沖擊蓄電池。本文從另外一個方向輔助蓄電池完成啟動，減小蓄電池的電流沖擊。

2 超級電容輔助啟動方案

傳統推土機啟動操作過程：駕駛員插入鑰匙，將鑰匙開關由OFF 位扭到ON 位，此時整車電氣系統接通到蓄電池上，整車電氣系統得電；一段時間以后，駕駛員將鑰匙開關由ON 位扭到START 位并維持在START 位，啟動馬達得電，開始啟動發動機；駕駛員判斷出發動機已經啟動后，松手，鑰匙開關自動由START 位回到ON位，推土機開始正常進行工作，此時電氣系統由發動機自帶的發電機和蓄電池共同為電氣系統供電。

超級電容輔助啟動系統方案如圖2 所示。該輔助啟動系統輔助推土機啟動的過程：駕駛員將鑰匙開關由OFF 位扭到ON 位的時候，蓄電池繼電器工作，將蓄電池整機與電氣系統的+24V 電源端接通，超級電容管理模塊開始給超級電容以恒壓的方式充電，此時的充電電流也較為平穩。充電完畢后，超級電容管理模塊將充電完畢的信號傳送給整車控制器，整車控制器再將該信息傳送的顯示儀表盤進行顯示，提醒駕駛員此時可以啟動。駕駛員看到可以啟動的信息以后再將鑰匙開關由ON 位扭到START 位，啟動繼電器工作，將+24V 電源端接通到啟動馬達上，超級電容電能輸出端也接在此端口，此時超級電容管理模塊將超級電容電能輸出到啟動馬達上，提供馬達啟動瞬時所需要的大電流，減小蓄電池需要供應的電流量，輔助蓄電池完成啟動過程。啟動完成，控制器獲得整車正常工作的信息后，發送控制信號到超級電容管理模塊。超級電容管理模塊將超級電容與電氣系統斷開，此時輔助啟動過程結束。

圖2 超級電容輔助啟動系統

3 類似方案的啟動輔助效果

此類輔助方法尚未在推土機上有過實驗和相關數據。據文獻[2]所提供的資料，該方案的類似方案在汽車系統上有過實驗。其實驗的方案與本方案的不同在于：①沒有電源管理模塊，直接將超級電容并聯到了蓄電池的兩端；②沒有其它控制器、顯示儀表等，只是記錄了啟動過程的相應的電流、電壓等數據；③只使用了單個12V 左右的蓄電池，而不是推土機所使用的2 塊蓄電池串聯的24V 電源。實驗數據如圖3 所示。

圖3 超級電容輔助啟動系統

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

推土機的啟動過程與汽車的啟動過程相類似，區別在于推土機的功率普遍較大，啟動需要更大的電流。從以上實驗過的方案推斷，本文所提供的輔助啟動方案也會改善啟動過程的電壓驟降和電流沖擊問題，保護蓄電池，延長其壽命。

4 結論

經過分析與比較，本文所提供的基于超級電容的推土機輔助啟動方法可以減小啟動過程的電流沖擊，延長蓄電池的壽命，進而減少了蓄電池回收過程可能造成的能耗和污染，提高了推土機的節能性和環保性。