基于PLC的礦用自卸車蓄電池加熱系統(tǒng)設(shè)計

張亞鵬 張莉 張亮 房康寧

摘要：礦用自卸車作為一種礦用運輸車輛，廣泛應(yīng)用于大型礦山，工況惡劣，經(jīng)常要工作在低溫工況下。過低的環(huán)境溫度，嚴(yán)重影響蓄電池的容量和放電能力，致使車輛無法啟動，影響車輛的出勤率。針對現(xiàn)有不足，本文設(shè)計了一種基于PLC的礦用自卸車蓄電池加熱系統(tǒng)，利用車輛柴油燃燒產(chǎn)生的熱量對蓄電池箱內(nèi)空氣循環(huán)加熱，提高蓄電池溫度，有效發(fā)揮蓄電池性能，保障車輛高效率運行。

關(guān)鍵詞：礦用自卸車;低溫工況;出勤率;蓄電池的容量和放電能力;蓄電池加熱

中圖分類號：U463.63+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0214-02

0? 引言

礦用自卸車作為一種礦用運輸車輛，在大型露天礦山有著廣泛的應(yīng)用[1]。國內(nèi)大型露天礦山多集中在西部和北部地區(qū)，冬季較為寒冷，時常低于-30℃。礦用自卸車經(jīng)常要在低溫的工況下運行。過低的環(huán)境溫度，嚴(yán)重影響了車輛鉛酸蓄電池的性能，其容量和放電能力遠(yuǎn)低于額定值。致使車輛無法啟動，影響車輛的出勤率。長期在低溫環(huán)境下工作，蓄電池的充電性能也會受到影響，致使蓄電池壽命縮短[2-3]。

為維持蓄電池的性能，需要對蓄電池進(jìn)行保溫和加熱，目前常用的有用保溫棉和電加熱的方式。保溫棉的方式比較簡單，成本也低，但是保溫效果較差。當(dāng)天氣較熱時，還應(yīng)把保溫棉拆除，否則蓄電池工作散熱熱量無法擴(kuò)散，容易引起安全事故。

電加熱的方式一般采用蓄電池和市電供電兩種方式。如果采用蓄電池供電，會消耗較多蓄電池能量，反而不利于車輛啟動。如果采用市電供電加熱的方式，只適合應(yīng)用于有維修車間和發(fā)電車的情況，實用性較差[4]。

因此，為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本文設(shè)計了一種基于PLC的礦用自卸車蓄電池加熱系統(tǒng)。采用燃燒車輛柴油產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過加熱器進(jìn)行熱量交換，實現(xiàn)在蓄電池箱內(nèi)空氣循環(huán)加熱，提高蓄電池溫度，使蓄電池的容量和放電能力維持在較佳狀態(tài)，有效發(fā)揮蓄電池的性能，使車輛在寒冷環(huán)境中能正常啟動，保證車輛出勤率。有助于提高蓄電池的使用壽命，進(jìn)而提高車輛的經(jīng)濟(jì)性。

1? 系統(tǒng)設(shè)計原理

如圖1所示，基于PLC的礦用自卸車蓄電池加熱系統(tǒng)由PLC控制器、進(jìn)氣風(fēng)機(jī)、加熱器、蓄電池組、柴油箱、電磁泵、助燃風(fēng)機(jī)、環(huán)境溫度傳感器、工作指示燈以及溫度傳感器A、溫度傳感器B、溫度傳感器C、進(jìn)風(fēng)管道A、進(jìn)風(fēng)管道B、回風(fēng)管道組成。

PLC控制器作為系統(tǒng)的核心，監(jiān)測環(huán)境溫度傳感器數(shù)值，當(dāng)環(huán)境溫度低時，控制電磁泵，將燃油箱的燃油泵入加熱器，控制助燃風(fēng)機(jī)將助燃空氣進(jìn)入加熱器，與燃油混合，產(chǎn)生的油氣混合物燃燒產(chǎn)生的熱量，對由進(jìn)氣風(fēng)機(jī)和進(jìn)風(fēng)管道A吸進(jìn)的冷空氣進(jìn)行加熱，經(jīng)過升溫的空氣通過進(jìn)風(fēng)管道B進(jìn)入蓄電池箱，對蓄電池組加熱，最后通過回風(fēng)管道回到進(jìn)氣風(fēng)機(jī)。工作過程中，溫度傳感器A和溫度傳感器B用來監(jiān)測蓄電池箱內(nèi)溫度，溫度傳感器C用來監(jiān)測進(jìn)風(fēng)管道B溫度。開關(guān)用來控制是否啟用該系統(tǒng)，指示燈通過點亮、熄滅指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)故障時，指示燈閃爍提示。

2? 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

如圖2所示，當(dāng)車輛駕駛員按下開關(guān)時，啟動蓄電池加熱系統(tǒng)。PLC控制器采集環(huán)境溫度傳感器數(shù)值，當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定值時，啟動蓄電池快速加熱功能，經(jīng)過加熱器熱交換的冷空氣進(jìn)入蓄電池箱內(nèi)，提升蓄電池電解液溫度。蓄電池溫度提升的過程中，PLC控制器實時采集溫度傳感器A和溫度傳感器B數(shù)值，采用兩個傳感器的平均值作為蓄電池箱內(nèi)環(huán)境溫度。加熱一定時間后，當(dāng)蓄電池箱內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值后，啟動蓄電池保溫加熱功能，維持蓄電池箱內(nèi)溫度恒定。

系統(tǒng)處在蓄電池快速加熱功能時，PLC控制進(jìn)氣風(fēng)機(jī)打開進(jìn)風(fēng)口，吸入冷風(fēng)，冷風(fēng)經(jīng)過進(jìn)風(fēng)管道A進(jìn)入加熱器。PLC控制加熱器點火塞通電，電磁泵將燃油泵入加熱器，通過加熱器的揮發(fā)網(wǎng)進(jìn)行揮發(fā)，由助燃風(fēng)機(jī)注入的助燃空氣與霧狀的燃油混合后，被加熱的點火塞點燃，然后產(chǎn)生的熱量加熱進(jìn)入加熱器的冷空氣，經(jīng)過升溫的空氣經(jīng)由進(jìn)風(fēng)管道B進(jìn)入蓄電池箱內(nèi)，對蓄電池組進(jìn)行加熱，再由回風(fēng)管道進(jìn)入進(jìn)氣風(fēng)機(jī)。為盡快提升蓄電池箱內(nèi)蓄電池組溫度，一段時間后PLC控制進(jìn)氣風(fēng)機(jī)將進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉，通過循環(huán)加熱回風(fēng)口進(jìn)入的空氣，縮短蓄電池組溫度上升時間。

系統(tǒng)處在蓄電池保溫加熱功能時，PLC控制進(jìn)氣風(fēng)機(jī)再次打開進(jìn)風(fēng)口，根據(jù)加熱器出風(fēng)溫度傳感器C的數(shù)值和蓄電池箱內(nèi)溫度變化情況，通過脈寬調(diào)制的方式，實時調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口開度大小，保持加熱器出風(fēng)溫度和蓄電池箱內(nèi)溫度恒定。PLC同時控制電磁泵的燃油量，輔助控制出風(fēng)溫度和蓄電池箱內(nèi)溫度恒定，也降低了燃油的消耗。

系統(tǒng)加熱器停止燃燒后，PLC控制助燃風(fēng)機(jī)延時關(guān)閉，對加熱器進(jìn)行散熱冷卻。系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)指示燈點亮。系統(tǒng)停止工作，系統(tǒng)指示燈熄滅。當(dāng)系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)指示燈閃爍，提示人員進(jìn)行檢修。

3? 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)選用某大噸位礦用自卸車進(jìn)行測試，該車輛使用了6個12V鉛酸電池，采用了兩個電池串聯(lián)，三組串聯(lián)的電池再并聯(lián)的方式為車輛提高24V電壓。根據(jù)該蓄電池特性，蓄電池組可以在-18℃的情況下，提供保證車輛啟動的電流量。據(jù)此判斷，如果車輛在-30℃的環(huán)境下，將蓄電池溫度提高15℃左右，就可以保證車輛啟動所需電流量。

將車輛熄火靜置一段時間，待蓄電池箱溫度降至約-30℃左右時，開始測試。在每個蓄電池不同位置，安裝兩個溫度傳感器，取其平均值作為蓄電池溫度的測試值。每加熱2.5分鐘，采集下蓄電池溫度數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)如表1。

經(jīng)過測試分析，系統(tǒng)對蓄電池加熱20分鐘后，蓄電池組環(huán)境溫度升高平均值為16.8℃，且每個蓄電池處溫度均超過-15℃，滿足發(fā)動機(jī)啟動所需電流量，達(dá)到設(shè)計要求。

4? 結(jié)論

本文設(shè)計的一種基于PLC的礦用自卸車蓄電池加熱系統(tǒng)，在某大噸位礦用自卸車上，添加少量的器件，進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b，利用燃燒車輛燃油產(chǎn)生的熱量，實現(xiàn)了對蓄電箱內(nèi)蓄電池組溫度的提升，維持蓄電池的最佳性能，保證車輛在低溫環(huán)境下正常啟動，提高車輛出勤率，具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫博，胡順安，周俊，等.國內(nèi)非公路礦用自卸車發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].煤礦機(jī)械，2010（8）：15-16.

[2]胡傳正，殷琳，魏恒.高原高寒地帶工程車輛啟動困難的原因及應(yīng)對措施[J].工程機(jī)械，2004（10）：47-49.

[3]何西常，張眾杰，等.柴油機(jī)冷起動研究現(xiàn)狀[J].內(nèi)燃機(jī)，2012（4）：1-4.

[4]于新武.鉛酸蓄電池低溫性能的改善與提高[D].天津大學(xué)，2007.