气制动车辆的蓄电池亏电时的应急启动装置设计

周 翔， 孙长存， 王 凯， 林永茂， 张 振

(江西博能上饶客车有限公司， 江西 上饶 334100)

随着越来越多的电气设备在汽车上的应用，汽车用电量大为增加，不仅增加了车辆运行时的用电需求量，也增加了车辆停车后的静态总电流[1-3]。这种情况容易使蓄电池电量不足，造成车辆难以启动的情况[4-5]。此外，使用环境温度过低会造成蓄电池放电能力下降，频繁的短途行车，使得车辆运行后的发电机充电量不能补足车辆启动消耗的电量，会使蓄电池亏电，造成难以启动甚至无法启动车辆的情况，车辆抛锚的后果是非常严重的。本文提出一种在气制动车辆蓄电池亏电时不需要搭接外部电源，而使用气制动压缩空气作为动力源的新型应急启动装置方案。

1 应急启动装置介绍

1.1 装置组成及原理

该装置组成示意图如图1所示，在传统的气制动车辆已有的储气筒基础上增加应急启动专用储气筒3、气动马达6、直流发电机8、联轴器7、单向阀2、电磁阀1和5、手控阀4及连接管路、线束等部件[6-7]。9为原有车辆蓄电池，10为原有车辆启动电机。

图1 应急启动装置组成示意图

电磁阀1受整车控制器控制。当整车气制动系统气压低于车辆起步压力时，电磁阀1为断开状态，空气压缩机优先对车辆气制动系统充气。应急启动专用储气筒3中的压缩空气可以从两条路径通往气动马达6。控制其中一条路径的手控阀4布置在驾驶室，方便驾驶员在发动车辆时操作；另一条路径的电磁阀5为常闭断开式，这条气路的连通由车辆启动继电器通电控制[8-10]。当有压缩空气通往气动马达6驱动其旋转，并通过联轴器7带动直流发电机8旋转发电，从而将电能输送至车辆蓄电池9和启动电机10。

1.2 装置工作模式

1) 蓄电池中的余电能满足车辆正常启动。此种情况下启动车辆时，图1中电磁阀5通过车辆启动继电器得电，阀门开启，压缩空气驱动马达6，直流发电机8对蓄电池9供电。此时，所发的电量一部分用于启动马达的供电，可以避免启动时蓄电池较大的放电电流对蓄电池寿命的影响。

2)车辆蓄电池一般程度亏电。此种情况启动电机无力或不转，已不能正常启动车辆。若此时蓄电池亏电的程度还能在启动车辆时使启动继电器吸合、电磁阀5打开，则该套装置发出的电量立刻提供给启动电机10用于正常启动车辆，多余的电量对蓄电池9充电。

3) 车辆蓄电池亏电严重。此种情况下，蓄电池的电量已无法使车辆启动继电器吸合，且无法打开电磁阀5。在该情况下，驾驶员可以手动打开手控阀4，同时尝试发动车辆。此时应急启动专用储气筒3中的压缩气体经过手控阀4推动气动马达6，发电机8发出的电量几乎全部供给收到启动指令的启动电机10启动车辆。当车辆成功启动后，关闭手控阀4，应急启动装置停止工作。

2 可行性分析

2.1 能量和用气量校核

以某气压制动的7 m校车为例，其启动电机最大输入功率为2.5 kW，蓄电池电压为24 V，气制动用储气筒容积为200 L，储气筒压力1 MPa。

所设计应急启动装置配置如下：应急启动专用储气筒容积50 L；气动马达输出功率4 kW，工作气压范围0.5～1.2 MPa，耗气量80.5 L/s(0.1 MPa环境下)；直流发电机输出电压28 V、电流120 A。

由以上参数可以看出，气动马达的输出功率超过直流发电机的额定输出功率(28 V×120 A/1 000=3.36 kW)，直流发电机的额定输出功率超过车辆启动电机的功率，且都留有一定后备量。因此，该应急启动装置所发出的电量能完全满足车辆启动的功率需求。

在正常情况下，由于应急启动专用储气筒和制动储气筒是连通的，它们共同组成的250 L压缩气体对应急启动装置供气。假设在极端情况下制动用储气筒压缩气体泄漏完，用单向阀的作用使得只有50 L容量的应急启动专用储气筒有压缩空气才能起到应急启动的作用：设启动时间为1 s，且储气筒内气体温度保持不变，理想气体状态方程为

P0V0=P1V1+P2V2

式中：P0、V0分别为应急启动前应急启动专用储气筒内气体的压力1 MPa和容积0.05 m3；P1、V1分别为应急启动1次后应急启动专用储气筒内剩余气体的压力和容积，因储气筒容积不变，故V1=V0；P2、V2分别为应急启动装置使用1次后所消耗气体的压力0.1 MPa和体积0.080 5 m3。

由上式计算得知，1次应急启动后应急储气筒的压力降至0.839 MPa，远高于气动马达最低工作压力0.5 MPa的要求。按此方法计算，共能满足3次应急启动的用气需求。

对于不漏气的正常状态，同样依据上述公式，将式(1)中的V0和V1改为0.25 m3，其他参数不变，可求得1次应急启动后P1=0.968 MPa，共能满足15次应急启动的用气需求。

2.2 装置对车辆制动性能的影响分析

GB 7258—2017要求采用气制动的车辆制动系统气压值从0升至起步气压的时间≤4 min[11]。本系统中的电磁阀1在气制动系统压力低于起步压力时，经整车控制器控制为断开状态。此时车辆空气压缩机仅对整车气制动系统进行充气，直至气制动系统压力高于起步压力时电磁阀1闭合，空气压缩机才对应急启动专用储气筒充气。由此可见，该系统不影响原车制动系统压力从0至起步压力的建立时间。因此，也满足国标对气制动系统压力建立时间的要求。

另外，该装置不改变原制动系统的结构和气压，只在原车基础上增加约80 kg的装置重量，理论上对采用气制动的总质量一般在5 000 kg以上的整车的制动性能影响可忽略不计。

通过对7 m校车进行气制动系统对比试验发现：装和没装该应急启动装置的储气筒压力从0升至起步压力0.5 MPa的时间分别为76 s、75 s；初始速度为60 km/h的0型试验制动距离分别为29.1 m、28.9 m。结果无明显差别，均满足国标要求[12]。

3 结束语

本文提出的应急启动装置操作简便，应急启动专用储气筒与制动用储气筒连通使用，能保证多次应急启动。即便制动用气管路出现泄漏，仍然能依靠应急启动储气筒中的压缩空气保证几次应急启动。因此，该装置能最大程度保证蓄电池在各种恶劣使用工况下不过度亏电，延长蓄电池的使用寿命。