基于超级电容的推土机启动辅助方法

（山东济宁山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

推土机的电气系统主要由蓄电池和发动机自带的发电机供电，而在启动过程中，仅由蓄电池供电。发动机启动时，启动马达所需要的电流在5～10s 内为200～600A。而大马力推土机的启动马达所需要的启动电流瞬时可达1 000A 以上。在推土机上应用最广泛的就是铅蓄电池，铅蓄电池含有重金属离子，回收处理困难，而大电流冲击会降低蓄电池的寿命，从而使蓄电池在短时间内报废，浪费能源而且危害环境。

1 启动过程的大电流对蓄电池的影响

蓄电池由6 个电池板组串联而成，每个电池板组都有若干个正极板和负极板，电压在2V 左右，两种极板上都附着有活性物质，并且都浸入在电解液中。蓄电池的充放电过程就是依靠极板上的活性物质在电解液中的电化学反应实现的。

实验证明，放电电流越大，则电压下降的越快，至终止电压的时间越短（图1）。这是因为铅蓄电池在大电流放电时，其内部化学反应较快，极板表面活性物质的空隙很快就被放电生成的物质所堵塞，电解液难以渗入，使极板内层活性物质不能参加反应，因而活性物质利用率大大降低，容量减小，充电周期缩短，寿命进而缩短[1]。

目前尚无相应的技术辅助推土机的蓄电池进行启动。在实际应用中，推土机操作规范要求推土机的驾驶员在启动失败以后再次启动时，需要等待1～3min，避免短时间内多次冲击蓄电池。本文从另外一个方向辅助蓄电池完成启动，减小蓄电池的电流冲击。

2 超级电容辅助启动方案

传统推土机启动操作过程：驾驶员插入钥匙，将钥匙开关由OFF 位扭到ON 位，此时整车电气系统接通到蓄电池上，整车电气系统得电；一段时间以后，驾驶员将钥匙开关由ON 位扭到START 位并维持在START 位，启动马达得电，开始启动发动机；驾驶员判断出发动机已经启动后，松手，钥匙开关自动由START 位回到ON位，推土机开始正常进行工作，此时电气系统由发动机自带的发电机和蓄电池共同为电气系统供电。

超级电容辅助启动系统方案如图2 所示。该辅助启动系统辅助推土机启动的过程：驾驶员将钥匙开关由OFF 位扭到ON 位的时候，蓄电池继电器工作，将蓄电池整机与电气系统的+24V 电源端接通，超级电容管理模块开始给超级电容以恒压的方式充电，此时的充电电流也较为平稳。充电完毕后，超级电容管理模块将充电完毕的信号传送给整车控制器，整车控制器再将该信息传送的显示仪表盘进行显示，提醒驾驶员此时可以启动。驾驶员看到可以启动的信息以后再将钥匙开关由ON 位扭到START 位，启动继电器工作，将+24V 电源端接通到启动马达上，超级电容电能输出端也接在此端口，此时超级电容管理模块将超级电容电能输出到启动马达上，提供马达启动瞬时所需要的大电流，减小蓄电池需要供应的电流量，辅助蓄电池完成启动过程。启动完成，控制器获得整车正常工作的信息后，发送控制信号到超级电容管理模块。超级电容管理模块将超级电容与电气系统断开，此时辅助启动过程结束。

图2 超级电容辅助启动系统

3 类似方案的启动辅助效果

此类辅助方法尚未在推土机上有过实验和相关数据。据文献[2]所提供的资料，该方案的类似方案在汽车系统上有过实验。其实验的方案与本方案的不同在于：①没有电源管理模块，直接将超级电容并联到了蓄电池的两端；②没有其它控制器、显示仪表等，只是记录了启动过程的相应的电流、电压等数据；③只使用了单个12V 左右的蓄电池，而不是推土机所使用的2 块蓄电池串联的24V 电源。实验数据如图3 所示。

图3 超级电容辅助启动系统

启动的过程中，没有超级电容的话，蓄电池的电压会有一个骤降的过程，蓄电池的输出电流会有一个冲击，如图3（a）所示。系统并入超级电容以后，启动过程的电压波动明显变小，启动过程的电流冲击主要由超级电容提供，如图3（b）所示。

推土机的启动过程与汽车的启动过程相类似，区别在于推土机的功率普遍较大，启动需要更大的电流。从以上实验过的方案推断，本文所提供的辅助启动方案也会改善启动过程的电压骤降和电流冲击问题，保护蓄电池，延长其寿命。

4 结论

经过分析与比较，本文所提供的基于超级电容的推土机辅助启动方法可以减小启动过程的电流冲击，延长蓄电池的寿命，进而减少了蓄电池回收过程可能造成的能耗和污染，提高了推土机的节能性和环保性。