凿岩钻机用蓄电池选型与应用浅析

余利芳，黄振华，叶永刚

（浙江志高机械股份有限公司，浙江 衢州324000）

0 前言

铅酸蓄电池是凿岩钻机中的重要部件，是钻机电源控制系统的重要组成部分。 蓄电池的性能指标是钻机的关键性技术指标，其选型是否合理直接关系到整机的启动性能和机组电气系统的可靠性。 目前凿岩钻机用蓄电池的选型过多地侧重于蓄电池容量方面的要求，对启动电流和冷启动性能等技术要求关注度不够，在实际使用过程中蓄电池的环境适应能力低，且配套成本高。 本文对凿岩钻机配置的蓄电池选型的理论计算、技术状况以及实际应用参数和效果等多方面进行分析论证，对蓄电池在凿岩钻机中的合理应用有非常重要的指导意义。

1 蓄电池的功能概要

凿岩钻机配置的蓄电池主要功能如下：

（1）启动发动机。 机组启动时，同时给启动机、发动机ECU 单元、点火系统、电子燃油喷射系统、控制器、显示器等电气元器件供电。

（2）稳定机组电气系统电压。 在发动机工作后，充当电容，起到稳压作用，缓解电压冲击给电气设备造成损害。

（3）补电。 当发动机短暂停机、发电机故障或特定工况下，发电机输出能力不足时，蓄电池可以在有限的时间内供电。

（4）向空气压缩机的控制系统供电。 对于带有空气压缩机的整体式凿岩钻机，蓄电池还需要向空气压缩机的控制系统供电。

（5）特殊环境的适应特性。 当凿岩钻机应用于极端气候条件下，比如西藏、青海、新疆等地，凿岩钻机配置的蓄电池还必须适应极端气候条件。

2 蓄电池的技术指标及计算方法

在凿岩钻机配置蓄电池的选型计算中，必须注重三个重要的技术指标， 即Cn20值、Ce20和ICC值。

Cn20值：20 小时率额定容量（单位为安时，A·h），也是蓄电池的标称容量指标，是蓄电池在出厂时标定的该蓄电池在一定的放电电流及一定的电解液温度下，单格电池的电压降到规定值时所能提供的容量， 即20 小时额定放电率。 其体现蓄电池的储电能力，数字越大，说明蓄电池容量越大。

Ce20值：20 小时率实际容量（单位为安时，A·h）。 实际应用中，Cn20值Ce20值并不一定相等。

ICC值：为蓄电池的冷启动电流指标（单位为安培，A），在某一低温下（通常规定在-18℃）蓄电池最大可以输出的电流值，体现蓄电池在寒冷环境下的瞬时启动能力。

2.1 蓄电池容量Ce20 值的计算方法

凿岩钻机用蓄电池容量选型计算有两种常用的方法，其一是理论值法，其二是经验值法。

2.1.1 理论值法

某单位凿岩钻机电控系统电压等级为24 V， 发动机功率较大， 配套的启动机功率在4.8～10.5 kW 不等， 凿岩钻机的使用环境要求整机设计时需要考虑发动机的低温启动性能，即在-18℃时， 蓄电池容量应能满足起动机的输出功率。

根据公式，起动机制动电流为

式中 IK—— 起动机制动电流，A

P—— 起动机功率，W

η —— 起动机电磁功率转为输出功率P时的效率

UH—— 蓄电池额定电压，V

本文中，η 取值0.9。

起动用铅酸蓄电池实际容量随温度变化的关系式为

式中 t ——环境温度，℃

Ce20t——环境温度为任意t 时蓄电池的实际容量，A·h

Ce20.20——环境温度为20℃时蓄电池的实际容量，A·h

蓄电池内阻与蓄电池实际容量的关系式为

式中 Rt——蓄电池内阻，Ω

K——系数，普通型为0.05，薄极板型为0.04

UH——蓄电池额定电压，V

由（1）（2）（3）式及以上所述可得出起动机所需匹配的蓄电池容量计算公式为

式中 P——起动机输出功率，W

η——起动机电磁功率转为输出功率P时的效率（在此取值为0.9）

UK——起动机制动电压， 制动电压不宜低于起动机电磁开关的释放电压，V

RL——蓄电池与起动机连线内阻，Ω

一般地， 凿岩钻机24 V 电系，UK按9.6 V考虑。 RL按0.002 Ω 进行相应的计算。

例如： 起动机功率P=7.5 kW=7500 W，计算所需蓄电池容量

选K=0.04，UH=24 V，UK=9.6 V，η=0.9，RL=0.002 Ω，t=-18℃

根据公式（4）,有

根据式（4）可得到在不同环境温度下，凿岩钻机配7.5 kW 起动机时， 蓄电池所需容量的理论计算值，见表1。

表1 不同环境温度时所需蓄电池Ce20值

2.1.2 经验值法

经验值法也是凿岩钻机选用蓄电池容量的常用方法。 该方法用经验公式计算蓄电池容量的大致范围，然后根据机组具体使用环境选择近似的容量。

经验公式为

式中 Ce20——蓄电池实际容量，A·h

P——起动机功率，kW

UH——蓄电池额定电压，V

仍以7.5 kW 起动机为例， 即P=7.5 kW，UH=24 V，代入公式（5），则所需蓄电池容量为

即： 蓄电池的实际容量在140～187.5 A·h范围内可选，可参考使用环境温度后确定。 当环境温度高时可以选择小容量， 环境温度低时选择稍大容量； 当环境温度不能确定或高低温变化较大时，则选择大容量。

从计算结果看， 理论值法更具有实用意义， 其计算结果给出了环境温度和容量的对应关系； 经验值法计算结果仅仅是一个范围值，环境温度的影响不能很好地体现，此为经验值法（式5）的不足。 目前，普遍用这两种计算方法作为凿岩钻机用蓄电池容量选择的依据。

2.2 蓄电池冷启动电流ICC 值的计算方法

按-18°C 进行估算分析， 起动机制动电流计算仍以公式（1）得出

Ik=4P/（η·UH）

还是以7.5 kW 起动机为例，即P=7.5 kW=7500 W，UH=24 V，η=0.9，则起动机制动电流Ik值为

Ik=4P/（η·UH）=4×7500/（0.9×24）

=1388.9 （A）

根据起动机起动曲线，起动机最大功率时电流I 为起动机制动电流Ik的一半， 即ICC值为

ICC=0.5Ik=0.5×1388.9=694.5（A）

图1 为某起动机的启动特性曲线，在启动机启动的瞬间， 转速n 接近为0， 此时扭矩T最大， 启动最大电流Imax等于启动机堵转电流Ik， 由于启动机电枢磁路不饱和， 输出功率P低。 随着转速n 逐渐上升，启动机输出功率P也上升，理论上启动机的运行最大功率Pmax点位于图中ICC=0.5IK和功率曲线的交点处。

图1 起动机特性曲线

在凿岩钻机发动机设计配套启动机时，会考虑启动机自身的低温启动能力， 设计时有1.2～1.4 倍功率的配套余量， 因此在选型凿岩钻机用蓄电池容量时可以追溯发动机的实际启动所需功率来计算取值。

也就是说，根据曲线图可知，在-20℃时，启动机的最大功率约为5.5 kW，此时要求蓄电池的冷启动电流达到750 A 左右，即启动此台发动机需要匹配的启动电流值为750 A 左右，考虑到启动机的低温启动性能，故发动机配套厂家放大起动机容量到7.5 kW，此起动机在低温-18℃环境下， 设计预估值会降容至5.5 kW左右，此时要求配套的蓄电池低温冷启动电流ICC值需要达到750 A。

3 凿岩钻机用蓄电池应用测试及技术参数对比

按前述方法可以得到凿岩钻机用蓄电池的选型技术参数， 即：-18℃环境温度情况下，配套起动机功率为7.5 kW 的凿岩钻机用蓄电池，容量为185 A·h，冷启动电流为750 A。

然而在实际选型中各个品牌因技术侧重点不同，蓄电池的容量和冷启动电流并不都按这两个数值匹配，有的品牌容量大但冷启动电流小， 有的品牌容量小而冷启动电流可以较大，目前凿岩钻机配套蓄电池选型的普遍方法是首先满足容量，造成容量冗余而启动性能不足，环境适应性差且配套成本高的情况。

为了选配满足性能要求且性价比高的蓄电池，在上述计算基础上，进行了实际应用的测试及试验。

3.1 应用测试试验

某单位选择了4 组（各2 只）不同生产厂家规格型号的蓄电池，均充满电的情况下在同一凿岩钻机机组上进行应用测试试验，环境温度约10℃，反复启停机组20 次，记录启动前后以及测试过程中蓄电池的参数变化值。

用于测试的凿岩钻机技术配套情况为：玉柴发动机，YC6J220-T300/6.494 L，162 kW；配套启动机，24 V，7.5 kW。 测试数据见表2。

表2 不同型号蓄电池启动前后参数表（环境温度约10℃）

试验结果表明：启动前后的关键技术指标差异性较大，型号2 电压降值最大，型号4 的ICC测试降值明显高于其它型号，从启动性能方面分析， 型号1 和型号3 电压降值少，ICC测试值下降少，同时也满足启动时放电电流较大的启动性能。 但是型号3 蓄电池的容量较大，成本高。

3.2 低温测试试验

ICC值体现-18℃蓄电池瞬间放电电流的大小，是决定蓄电池启动性能的关键。 为进一步验证， 以上4 组蓄电池做了低温测试试验，实测数据见表3。

表3 不同型号蓄电池ICC 实测值

实测数据反应出部分厂家规格型号有明显的虚标情况，只有在常温测试下才能达到启动性能（如型号2、型号4），或者用堆积容量的方式来达到标准启动能力（如型号3），蓄电池容量选型偏大，成本增高。 因此，为保证凿岩钻机的可靠性，蓄电池应用前的试验及参数对比是非常重要的一个环节。

3.3 蓄电池的选用须考虑的其它因素

对于凿岩钻机用蓄电池来说，区别于一般汽车用蓄电池的选型，凿岩钻机用蓄电池主要功能为起动机组， 要求蓄电池具备启动力强、内阻小、冷启动电流大等的特点，机组启动后没有太多用电负荷消耗，对容量的要求相对低一点。

随着蓄电池技术的发展和应用， 容量足，内阻小，自放电小的品牌不断涌现，特别是低内阻和抗腐蚀能力强的正极“倍伏锐”板栅技术的应用，导电能力和使用寿命与常规的拉网板栅和铸造板栅相比明显提高， 起动流足够，使用寿命可达3～5年。

综上所述，基于实际使用环境和配套成本考虑， 此配套7.5 kW 启动机的凿岩钻机用蓄电池型号选择为型号1：容量100 A·h，标称冷起动电流值680 A。

经理论计算及实际配套情况总结，表4 给出了不同使用环境温度下，几种常用凿岩钻机发动机功率级配套蓄电池的冷启动电流值选型参数。

表4 几种常用凿岩钻机用蓄电池ICC 值选型参数表

4 蓄电池的应用

4.1 蓄电池的安装

安装前检查电眼，确认电眼为绿色，不能将电眼呈黑色的蓄电池装车。

蓄电池外壳表面或正负极柱无酸液溢出，无裂纹，无磕碰伤，无污物。

蓄电池倾斜不能超过40°， 不得将蓄电池侧向或倒置放置。

蓄电池电路连接、断开的顺序如下：

连接蓄电池连线的顺序：先连接蓄电池正极连线，后连接蓄电池负极连线。

断开蓄电池连线的顺序：先断开蓄电池负极连线，后断开蓄电池正极连线。

蓄电池的负极引出线要直接接至发动机机壳总接地，接触牢靠。

4.2 蓄电池的存储

蓄电池储存不宜受阳光直射，需离热源至少2m 以上，适宜储存在5～20℃干燥、清洁和通风良好的环境中。

储存温度越高，自放电速度越快，储存温度每升高10℃，储存期限会缩短一半。

蓄电池在室温下的储存期基本为6 个月，6个月内一般不需要补充电即可使用，但存放超过6 个月则需进行补充电后才可正常使用。

如果蓄电池存放时间超过1年以上，期间未按照规定时间进行补充电的，须作报废处理。

4.3 蓄电池的补充电

蓄电池常温储存6 个月左右，电压将会衰减到12.45 V 左右，容量低于65%，此时须进行补充电处理，否则对其容量和寿命都会造成不良影响。

蓄电池电解液密度、荷电量、电压对应情况见表5 （不同厂家蓄电池对应状态略微会有差异）。

表5 蓄电池荷电状态和电压对应表

经过试验，蓄电池常温储存接近6 个月的时候，电压会衰减到补电节点12.45 V。 具体试验数据见图2。

图2 蓄电池常温储存电压衰减实验数据曲线

凿岩钻车在未启动条件下，蓄电池自放电时间过长、机组漏电、发电机充电故障等，造成蓄电池长时间深度亏电，电眼发黑，甚至不能启动机组，则该蓄电池需要通过车外补充电处理。

充电器正极连接蓄电池正极，充电器负极连接蓄电池负极。 切勿对电瓶串联24 V 充电。

确认蓄电池极柱清洁、充电回路压接良好。

最好用恒压16.0 V、 限流25 A 充电器对蓄电池进行充电，充电至充电电流小于2 A 且电眼发绿则说明充电完成。

恒压充电最大不能超过16.2 V，超过此电压限值充电将会造成蓄电池水被大幅度电解，液位下降，电眼发白，致使电池报废）。

表6 给出了充电时间与蓄电池当前电压的对应关系。

表6 充电时间与蓄电池当前电压的对应关系

对于电压低于11.0 V 的蓄电池，补充电初期可能会出现充不进电现象。因为长时间深度亏电蓄电池内硫酸比重已接近纯水， 蓄电池内阻很大，这时需要通过减小充电电流，或换用较大功率的充电机，或采用与另一电池并联的方法进行充电。 随蓄电池充电的进行，蓄电池内硫酸比重会逐渐上升，蓄电池的充电电流可以逐步恢复正常。

补充电结束并测试合格后建议在极柱上涂抹黄油，以防止电蚀现象的发生。

5 总结

按照凿岩钻机使用特性，其配套蓄电池最重要的作用是起动机组，所以冷起动性能是凿岩钻机选配蓄电池最重要的技术指标。凿岩钻机用蓄电池的选型，容量和冷启动电流与整机性能及蓄电池的成本有直接的联系，容量及冷启动电流选择不足，会使整机的静置及启动性能降低；若选择富余，则造成浪费。同时蓄电池的安装、储存和补充电亦是蓄电池使用寿命和稳定性的关键。