发动机启动电源改造实验研究

郝文友，张华明，乌兰

（1.锡林郭勒职业学院；2.神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特，026000）

1 背景

工程机械是露天矿生产的重要辅助作业设备，由于北方冬季气候等原因，导致蓄电池容量下降明显，在长时间熄火后再启动困难。特别是在内蒙古等冬季气温较低省份，这一现象尤为明显。介于超级电容工作温度范围宽、充电速度快等优点对卡特彼勒D10T推土机发动机启动电源进行了并联超级电容改造，设计了充放电控制方案、电容工作状态监控、电容散热控制等环节并进行了改造。针对改造后的实验环节进行了设计并付诸于实施，对改造前后的实验数据进行对比分析后得出了结论。

2 实验设计

观测发动机在单纯蓄电池不同温度下启动情况，测量常温下启动电压和电流情况进行分析。

统计冬季推土机冬季不同环境温度下的蓄电池电压情况、启动电流大小。观测发动机在上述同等温度值下发动机启动情况，测量并统计并联超级电容后不同环境温度下电容模组和蓄电池启动电流。对并联超级电容启动和单纯蓄电池启动情况和相关参数进行对比得出结论。

3 实验内容及分析

3.1 常温启动实验及分析

（1）单纯蓄电池启动实验及分析。发动机蓄电池组由用4块12V、200Ah铅酸蓄电池组成，采用先两两串联后再并联的方式连接。常温启动实验选择在环境温度20℃时进行，测试时将超级电容模组与发动机启动线路断开，使原车蓄电池独立承担启动发动机电能供应工作。经过多次启动检测蓄电池端电压和启动过程中的电流值，统计后进行平均值计算得出数据如表1。

表1 蓄电池启动技术参数

通过表1可以看出在启动过程中峰值电流出现在启动开关开启后0.5S左右，峰值电流约为260A,电压处于最低值约为13.6V压差为11.6V。此时马达处于将要启动瞬间，输出转矩最大。这就意味着在启动瞬间对蓄电池的冲击影响较大，峰值放电导致蓄电池寿命缩短，并且随着峰值放电次数的增加蓄电池的寿命会进一步降低。特别是在低温环境下伴随蓄电池容量大幅下降，峰值放电对蓄电池的寿命影响变得更为突出。

（2）与电容模组并联启动实验测试。将9块3000F,2.7V单体电容串联组成的电容模组与铅酸蓄电池组并联。在20℃环境温度下进行启动测试。经过多次测试蓄电池、电容模组电流和端电压，取平均值得出数据如表2。

表2 并联电容模组启动技术参数表

并联电容模组后启动发动机，电压谷值为17.4、压差为7.8，相对并联电容模组前电压谷值提高3.8V。明显降低了发动机启动瞬间对蓄电池造成的电压冲击，而降低部分由超级电容模组分担了。并联电容模组后启动发动机，蓄电池峰值电流由并联前的260A下降到98A，电容模组峰值电流为392A，总电流峰值为490A，比并联前提高了1.88倍。马达吸收电流主要由电容模组提供，从蓄电池吸收的电流比并联前降低了63.4%。较为明显的降低了蓄电池的电流输出，使发动机启动瞬间给蓄电池带来的电流冲击明显减弱。大部分电流由具有瞬间放电电流大的超级电容分担。

并联电容模组后启动发动机，蓄电池峰值功率为1.7kW，超级电容膜组峰值功率为6.82kW，总功率为7.98kW，85.4%的功率由超级电容模组输出。由此可见并联超级电容模组后启动发动机时对蓄电池造成的功率冲击下降明显，具有保护蓄电池的作用，此外输出功率峰值也有较明显的提高。由公式（1）可已看出直流马达启动转矩与启动电流成正比，当并联超级电容模组后马达启动电磁转矩也随之增加如表3。

式（1）中，T为启动转矩；KT为转矩常数；ϕn为额定磁通量；Ist为启动电流。

表3 马达启动转矩

3.2 低温启动实验及分析

（1）单纯蓄电池启动实验及分析。在0～-35℃之间不同温度段对未并联超级电容模组发动机启动时蓄电池的各项技术数据进行了实地测量，整车在各测试温度段内均熄火放置8小时。测量后对比发现端电压和输出电流受环境温度影响不大。但当环境温度在-20℃时出现启动困难，且经过一次启动后电压下降幅度增大。当环境温度低至-25℃以下时发动机无法启动，且连续启动每次发动机转速有较为明显的下降，连续3次后发动机出现启动堵转现象。

（2）与电容模组并联启动实验测试。在0～-35℃之间不同温度段对并联超级电容模组发动机启动时蓄电池的各项技术数据进行了实地测量，整车在各测试温度段内均熄火放置8小时。测量对比发现端电压和输出电流受环境温度影响不大。在-25℃时一次启动顺利着车、在-30℃时依然能一次性顺利着车、在-35℃时出现一次启动未着车，继续启动在第三次启动时发动机顺利着车，电压有轻微下降。

表4 不同温度着车启动次数

4 实验结论

通过改造后进行现场实验测试和分析比较，发现并联超级电容模组后启动发动机蓄电池端电压压差、启动输出电流、和输出功率明显变小，超级电容模组承担了主要的功率输出。这样大幅减小了发动机启动时对蓄电池造成的电流和功率输出波动，进而间接延长了蓄电池的使用寿命。

改造前环境温度下降到-25℃就发动机就已无法启动，且蓄电池容量下降明显，连续汽车约10s左右发动机启动堵转。并联超级电容模组后，整个电源的输出电流和功率都有大幅提高，使马达启动功率和启动转矩提高了1.8倍。特别是在低温情况下启动效果明显在环境温度-35℃下停放8小时后经过3次启动发动机着车，且电源电压下降微小。

综上所述采用并联超级电容冷启动改造后，实现了较好的启动效果特别是在寒冷的冬季效果尤为突出。在保护蓄电池的同时避免了研究背景中所述的要求司机每十分钟左右启动一次发动机给蓄电池充电。在节能减排的同时也避免了频繁启动给发动机带来的伤害，减轻了司机的工作强度。

5 效益分析

5.1 直接效益分析

项目利用超级电容节能环保、使用寿命长、安全、工作温度范围宽、充电速度快、免维护等多项铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、锂电池所不具备的优点，进行C27EUI发动机冷启动电源改造，弥补了蓄电池作为发动机冷启动电源的缺点，解决了冷启动所带来的不利影响。超级电容作为发动机冷启动时电源，弥补因气温低蓄电池容量下降问题，避免冬季冷启动困难等问题；避免因低温状态下频繁启动所带来的蓄电池加速老化问题，能够保证蓄电池正常使用寿命；避免冬季因频繁启动导致发动机节气门、缸筒内壁等部位积炭增多，降低发动机故障率；保证露天矿工程机械出动率，降低企业生产运营成本。

保证露天矿工程机械出动率，降低企业生产运营成本。卡特彼勒一台C27EUI发动机总成预计160万元，大修一次发动机预计40余万元。发动机启动回路通过利用超级电容改造后，可以延长发动机大修周期，减少因发动机故障而导致发动机提前进入大修期的几率。根据目前工程机械发动机运转小时数，仅神华北电胜利能源有限公司就拥有14台D10T推土机，改造后预计每年可以节约成本预计80万左右。

此外通过调查研究发现在内蒙、东北、新疆等冬季气温普遍偏低地区，矿山生产作业过程中辅助工程机械同样面临蓄电池容量下降严重冷启动困难等问题，给矿山生产带来了较大影响，不仅提高了维修成本也在一定程度上影响了生产效率，目前已成为矿山企业亟待解决的问题之一。除矿山生产之外在寒冷地区其他发动机应用场合也面临同样问题。运用超级电容冷启动技术可以较大程度的方便生产和生活。从上述情况可以看出发动机超级电容冷启动技术在我国北方寒冷地区具有较为广阔的推广应用前景。

5.2 间接效益分析

C27EUI发动机超级电容冷启动改造研究除了在直接经济方面效益明显外，在节能环保和降低劳动强度等方面也具有较为明显的效益。C27EUI发动机在超级电容冷启动改造前平均需要每隔10分钟需启动发动机充电10分钟，C27发动机排量为27L，仅怠速充电过程就占了近30%的出动时间，此过程不仅增加了发动机的油耗还增大了尾气的日排放量。改造后发动机无需为了给蓄电池充电而频繁启动，也无需为了给蓄电池充电而每隔10分钟充电10分钟。这样间接的降低了发动机的日工作油耗，减小了排放。总体来说节约了生产成本，减小了尾气排放带来的环境污染达到了节能降耗的目的。

此外C27EUI发动机超级电容冷启动后无需司机频繁启动发动机，降低了司机的劳动强度，缓解了司机的工作疲劳间接的使发生误操作系数大大降低，提高了作业的精准率和工作效率。