基于PLC的矿用自卸车蓄电池加热系统设计

张亚鹏 张莉 张亮 房康宁

摘要：矿用自卸车作为一种矿用运输车辆，广泛应用于大型矿山，工况恶劣，经常要工作在低温工况下。过低的环境温度，严重影响蓄电池的容量和放电能力，致使车辆无法启动，影响车辆的出勤率。针对现有不足，本文设计了一种基于PLC的矿用自卸车蓄电池加热系统，利用车辆柴油燃烧产生的热量对蓄电池箱内空气循环加热，提高蓄电池温度，有效发挥蓄电池性能，保障车辆高效率运行。

关键词：矿用自卸车;低温工况;出勤率;蓄电池的容量和放电能力;蓄电池加热

中图分类号：U463.63+3                                  文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）24-0214-02

0  引言

矿用自卸车作为一种矿用运输车辆，在大型露天矿山有着广泛的应用[1]。国内大型露天矿山多集中在西部和北部地区，冬季较为寒冷，时常低于-30℃。矿用自卸车经常要在低温的工况下运行。过低的环境温度，严重影响了车辆铅酸蓄电池的性能，其容量和放电能力远低于额定值。致使车辆无法启动，影响车辆的出勤率。长期在低温环境下工作，蓄电池的充电性能也会受到影响，致使蓄电池寿命缩短[2-3]。

为维持蓄电池的性能，需要对蓄电池进行保温和加热，目前常用的有用保温棉和电加热的方式。保温棉的方式比较简单，成本也低，但是保温效果较差。当天气较热时，还应把保温棉拆除，否则蓄电池工作散热热量无法扩散，容易引起安全事故。

电加热的方式一般采用蓄电池和市电供电两种方式。如果采用蓄电池供电，会消耗较多蓄电池能量，反而不利于车辆启动。如果采用市电供电加热的方式，只适合应用于有维修车间和发电车的情况，实用性较差[4]。

因此，为解决现有技术存在的问题，本文设计了一种基于PLC的矿用自卸车蓄电池加热系统。采用燃烧车辆柴油产生的热量，经过加热器进行热量交换，实现在蓄电池箱内空气循环加热，提高蓄电池温度，使蓄电池的容量和放电能力维持在较佳状态，有效发挥蓄电池的性能，使车辆在寒冷环境中能正常启动，保证车辆出勤率。有助于提高蓄电池的使用寿命，进而提高车辆的经济性。

1  系统设计原理

如图1所示，基于PLC的矿用自卸车蓄电池加热系统由PLC控制器、进气风机、加热器、蓄电池组、柴油箱、电磁泵、助燃风机、环境温度传感器、工作指示灯以及温度传感器A、温度传感器B、温度传感器C、进风管道A、进风管道B、回风管道组成。

PLC控制器作为系统的核心，监测环境温度传感器数值，当环境温度低时，控制电磁泵，将燃油箱的燃油泵入加热器，控制助燃风机将助燃空气进入加热器，与燃油混合，产生的油气混合物燃烧产生的热量，对由进气风机和进风管道A吸进的冷空气进行加热，经过升温的空气通过进风管道B进入蓄电池箱，对蓄电池组加热，最后通过回风管道回到进气风机。工作过程中，温度传感器A和温度传感器B用来监测蓄电池箱内温度，温度传感器C用来监测进风管道B温度。开关用来控制是否启用该系统，指示灯通过点亮、熄灭指示系统的工作状态，当系统故障时，指示灯闪烁提示。

2  系统功能实现

如图2所示，当车辆驾驶员按下开关时，启动蓄电池加热系统。PLC控制器采集环境温度传感器数值，当环境温度低于设定值时，启动蓄电池快速加热功能，经过加热器热交换的冷空气进入蓄电池箱内，提升蓄电池电解液温度。蓄电池温度提升的过程中，PLC控制器实时采集温度传感器A和温度传感器B数值，采用两个传感器的平均值作为蓄电池箱内环境温度。加热一定时间后，当蓄电池箱内温度达到设定值后，启动蓄电池保溫加热功能，维持蓄电池箱内温度恒定。

系统处在蓄电池快速加热功能时，PLC控制进气风机打开进风口，吸入冷风，冷风经过进风管道A进入加热器。PLC控制加热器点火塞通电，电磁泵将燃油泵入加热器，通过加热器的挥发网进行挥发，由助燃风机注入的助燃空气与雾状的燃油混合后，被加热的点火塞点燃，然后产生的热量加热进入加热器的冷空气，经过升温的空气经由进风管道B进入蓄电池箱内，对蓄电池组进行加热，再由回风管道进入进气风机。为尽快提升蓄电池箱内蓄电池组温度，一段时间后PLC控制进气风机将进风口关闭，通过循环加热回风口进入的空气，缩短蓄电池组温度上升时间。

系统处在蓄电池保温加热功能时，PLC控制进气风机再次打开进风口，根据加热器出风温度传感器C的数值和蓄电池箱内温度变化情况，通过脉宽调制的方式，实时调节进风口开度大小，保持加热器出风温度和蓄电池箱内温度恒定。PLC同时控制电磁泵的燃油量，辅助控制出风温度和蓄电池箱内温度恒定，也降低了燃油的消耗。

系统加热器停止燃烧后，PLC控制助燃风机延时关闭，对加热器进行散热冷却。系统工作时，系统指示灯点亮。系统停止工作，系统指示灯熄灭。当系统故障时，系统指示灯闪烁，提示人员进行检修。

3  系统测试

系统选用某大吨位矿用自卸车进行测试，该车辆使用了6个12V铅酸电池，采用了两个电池串联，三组串联的电池再并联的方式为车辆提高24V电压。根据该蓄电池特性，蓄电池组可以在-18℃的情况下，提供保证车辆启动的电流量。据此判断，如果车辆在-30℃的环境下，将蓄电池温度提高15℃左右，就可以保证车辆启动所需电流量。

将车辆熄火静置一段时间，待蓄电池箱温度降至约-30℃左右时，开始测试。在每个蓄电池不同位置，安装两个温度传感器，取其平均值作为蓄电池温度的测试值。每加热2.5分钟，采集下蓄电池温度数据，测试数据如表1。

经过测试分析，系统对蓄电池加热20分钟后，蓄电池组环境温度升高平均值为16.8℃，且每个蓄电池处温度均超过-15℃，满足发动机启动所需电流量，达到设计要求。

4  结论

本文设计的一种基于PLC的矿用自卸车蓄电池加热系统，在某大吨位矿用自卸车上，添加少量的器件，进行适当的改装，利用燃烧车辆燃油产生的热量，实现了对蓄电箱内蓄电池组温度的提升，维持蓄电池的最佳性能，保证车辆在低温环境下正常启动，提高车辆出勤率，具有一定的应用价值。

参考文献：

[1]孙博，胡顺安，周俊，等.国内非公路矿用自卸车发展现状研究[J].煤矿机械，2010（8）：15-16.

[2]胡传正，殷琳，魏恒.高原高寒地带工程车辆启动困难的原因及应对措施[J].工程机械，2004（10）：47-49.

[3]何西常，张众杰，等.柴油机冷起动研究现状[J].内燃机，2012（4）：1-4.

[4]于新武.铅酸蓄电池低温性能的改善与提高[D].天津大学，2007.