鑿巖鉆機(jī)用蓄電池選型與應(yīng)用淺析

余利芳，黃振華，葉永剛

（浙江志高機(jī)械股份有限公司，浙江 衢州324000）

0 前言

鉛酸蓄電池是鑿巖鉆機(jī)中的重要部件，是鉆機(jī)電源控制系統(tǒng)的重要組成部分。 蓄電池的性能指標(biāo)是鉆機(jī)的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)，其選型是否合理直接關(guān)系到整機(jī)的啟動性能和機(jī)組電氣系統(tǒng)的可靠性。 目前鑿巖鉆機(jī)用蓄電池的選型過多地側(cè)重于蓄電池容量方面的要求，對啟動電流和冷啟動性能等技術(shù)要求關(guān)注度不夠，在實際使用過程中蓄電池的環(huán)境適應(yīng)能力低，且配套成本高。 本文對鑿巖鉆機(jī)配置的蓄電池選型的理論計算、技術(shù)狀況以及實際應(yīng)用參數(shù)和效果等多方面進(jìn)行分析論證，對蓄電池在鑿巖鉆機(jī)中的合理應(yīng)用有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 蓄電池的功能概要

鑿巖鉆機(jī)配置的蓄電池主要功能如下：

（1）啟動發(fā)動機(jī)。 機(jī)組啟動時，同時給啟動機(jī)、發(fā)動機(jī)ECU 單元、點火系統(tǒng)、電子燃油噴射系統(tǒng)、控制器、顯示器等電氣元器件供電。

（2）穩(wěn)定機(jī)組電氣系統(tǒng)電壓。 在發(fā)動機(jī)工作后，充當(dāng)電容，起到穩(wěn)壓作用，緩解電壓沖擊給電氣設(shè)備造成損害。

（3）補(bǔ)電。 當(dāng)發(fā)動機(jī)短暫停機(jī)、發(fā)電機(jī)故障或特定工況下，發(fā)電機(jī)輸出能力不足時，蓄電池可以在有限的時間內(nèi)供電。

（4）向空氣壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)供電。 對于帶有空氣壓縮機(jī)的整體式鑿巖鉆機(jī)，蓄電池還需要向空氣壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)供電。

（5）特殊環(huán)境的適應(yīng)特性。 當(dāng)鑿巖鉆機(jī)應(yīng)用于極端氣候條件下，比如西藏、青海、新疆等地，鑿巖鉆機(jī)配置的蓄電池還必須適應(yīng)極端氣候條件。

2 蓄電池的技術(shù)指標(biāo)及計算方法

在鑿巖鉆機(jī)配置蓄電池的選型計算中，必須注重三個重要的技術(shù)指標(biāo)， 即Cn20值、Ce20和ICC值。

Cn20值：20 小時率額定容量（單位為安時，A·h），也是蓄電池的標(biāo)稱容量指標(biāo)，是蓄電池在出廠時標(biāo)定的該蓄電池在一定的放電電流及一定的電解液溫度下，單格電池的電壓降到規(guī)定值時所能提供的容量， 即20 小時額定放電率。 其體現(xiàn)蓄電池的儲電能力，數(shù)字越大，說明蓄電池容量越大。

Ce20值：20 小時率實際容量（單位為安時，A·h）。 實際應(yīng)用中，Cn20值Ce20值并不一定相等。

ICC值：為蓄電池的冷啟動電流指標(biāo)（單位為安培，A），在某一低溫下（通常規(guī)定在-18℃）蓄電池最大可以輸出的電流值，體現(xiàn)蓄電池在寒冷環(huán)境下的瞬時啟動能力。

2.1 蓄電池容量Ce20 值的計算方法

鑿巖鉆機(jī)用蓄電池容量選型計算有兩種常用的方法，其一是理論值法，其二是經(jīng)驗值法。

2.1.1 理論值法

某單位鑿巖鉆機(jī)電控系統(tǒng)電壓等級為24 V， 發(fā)動機(jī)功率較大， 配套的啟動機(jī)功率在4.8～10.5 kW 不等， 鑿巖鉆機(jī)的使用環(huán)境要求整機(jī)設(shè)計時需要考慮發(fā)動機(jī)的低溫啟動性能，即在-18℃時， 蓄電池容量應(yīng)能滿足起動機(jī)的輸出功率。

根據(jù)公式，起動機(jī)制動電流為

式中 IK—— 起動機(jī)制動電流，A

P—— 起動機(jī)功率，W

η —— 起動機(jī)電磁功率轉(zhuǎn)為輸出功率P時的效率

UH—— 蓄電池額定電壓，V

本文中，η 取值0.9。

起動用鉛酸蓄電池實際容量隨溫度變化的關(guān)系式為

式中 t ——環(huán)境溫度，℃

Ce20t——環(huán)境溫度為任意t 時蓄電池的實際容量，A·h

Ce20.20——環(huán)境溫度為20℃時蓄電池的實際容量，A·h

蓄電池內(nèi)阻與蓄電池實際容量的關(guān)系式為

式中 Rt——蓄電池內(nèi)阻，Ω

K——系數(shù)，普通型為0.05，薄極板型為0.04

UH——蓄電池額定電壓，V

由（1）（2）（3）式及以上所述可得出起動機(jī)所需匹配的蓄電池容量計算公式為

式中 P——起動機(jī)輸出功率，W

η——起動機(jī)電磁功率轉(zhuǎn)為輸出功率P時的效率（在此取值為0.9）

UK——起動機(jī)制動電壓， 制動電壓不宜低于起動機(jī)電磁開關(guān)的釋放電壓，V

RL——蓄電池與起動機(jī)連線內(nèi)阻，Ω

一般地， 鑿巖鉆機(jī)24 V 電系，UK按9.6 V考慮。 RL按0.002 Ω 進(jìn)行相應(yīng)的計算。

例如： 起動機(jī)功率P=7.5 kW=7500 W，計算所需蓄電池容量

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

根據(jù)公式（4）,有

根據(jù)式（4）可得到在不同環(huán)境溫度下，鑿巖鉆機(jī)配7.5 kW 起動機(jī)時， 蓄電池所需容量的理論計算值，見表1。

表1 不同環(huán)境溫度時所需蓄電池Ce20值

2.1.2 經(jīng)驗值法

經(jīng)驗值法也是鑿巖鉆機(jī)選用蓄電池容量的常用方法。 該方法用經(jīng)驗公式計算蓄電池容量的大致范圍，然后根據(jù)機(jī)組具體使用環(huán)境選擇近似的容量。

經(jīng)驗公式為

式中 Ce20——蓄電池實際容量，A·h

P——起動機(jī)功率，kW

UH——蓄電池額定電壓，V

仍以7.5 kW 起動機(jī)為例， 即P=7.5 kW，UH=24 V，代入公式（5），則所需蓄電池容量為

即： 蓄電池的實際容量在140～187.5 A·h范圍內(nèi)可選，可參考使用環(huán)境溫度后確定。 當(dāng)環(huán)境溫度高時可以選擇小容量， 環(huán)境溫度低時選擇稍大容量； 當(dāng)環(huán)境溫度不能確定或高低溫變化較大時，則選擇大容量。

從計算結(jié)果看， 理論值法更具有實用意義， 其計算結(jié)果給出了環(huán)境溫度和容量的對應(yīng)關(guān)系； 經(jīng)驗值法計算結(jié)果僅僅是一個范圍值，環(huán)境溫度的影響不能很好地體現(xiàn)，此為經(jīng)驗值法（式5）的不足。 目前，普遍用這兩種計算方法作為鑿巖鉆機(jī)用蓄電池容量選擇的依據(jù)。

2.2 蓄電池冷啟動電流ICC 值的計算方法

按-18°C 進(jìn)行估算分析， 起動機(jī)制動電流計算仍以公式（1）得出

Ik=4P/（η·UH）

還是以7.5 kW 起動機(jī)為例，即P=7.5 kW=7500 W，UH=24 V，η=0.9，則起動機(jī)制動電流Ik值為

Ik=4P/（η·UH）=4×7500/（0.9×24）

=1388.9 （A）

根據(jù)起動機(jī)起動曲線，起動機(jī)最大功率時電流I 為起動機(jī)制動電流Ik的一半， 即ICC值為

ICC=0.5Ik=0.5×1388.9=694.5（A）

圖1 為某起動機(jī)的啟動特性曲線，在啟動機(jī)啟動的瞬間， 轉(zhuǎn)速n 接近為0， 此時扭矩T最大， 啟動最大電流Imax等于啟動機(jī)堵轉(zhuǎn)電流Ik， 由于啟動機(jī)電樞磁路不飽和， 輸出功率P低。 隨著轉(zhuǎn)速n 逐漸上升，啟動機(jī)輸出功率P也上升，理論上啟動機(jī)的運行最大功率Pmax點位于圖中ICC=0.5IK和功率曲線的交點處。

圖1 起動機(jī)特性曲線

在鑿巖鉆機(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計配套啟動機(jī)時，會考慮啟動機(jī)自身的低溫啟動能力， 設(shè)計時有1.2～1.4 倍功率的配套余量， 因此在選型鑿巖鉆機(jī)用蓄電池容量時可以追溯發(fā)動機(jī)的實際啟動所需功率來計算取值。

也就是說，根據(jù)曲線圖可知，在-20℃時，啟動機(jī)的最大功率約為5.5 kW，此時要求蓄電池的冷啟動電流達(dá)到750 A 左右，即啟動此臺發(fā)動機(jī)需要匹配的啟動電流值為750 A 左右，考慮到啟動機(jī)的低溫啟動性能，故發(fā)動機(jī)配套廠家放大起動機(jī)容量到7.5 kW，此起動機(jī)在低溫-18℃環(huán)境下， 設(shè)計預(yù)估值會降容至5.5 kW左右，此時要求配套的蓄電池低溫冷啟動電流ICC值需要達(dá)到750 A。

3 鑿巖鉆機(jī)用蓄電池應(yīng)用測試及技術(shù)參數(shù)對比

按前述方法可以得到鑿巖鉆機(jī)用蓄電池的選型技術(shù)參數(shù)， 即：-18℃環(huán)境溫度情況下，配套起動機(jī)功率為7.5 kW 的鑿巖鉆機(jī)用蓄電池，容量為185 A·h，冷啟動電流為750 A。

然而在實際選型中各個品牌因技術(shù)側(cè)重點不同，蓄電池的容量和冷啟動電流并不都按這兩個數(shù)值匹配，有的品牌容量大但冷啟動電流小， 有的品牌容量小而冷啟動電流可以較大，目前鑿巖鉆機(jī)配套蓄電池選型的普遍方法是首先滿足容量，造成容量冗余而啟動性能不足，環(huán)境適應(yīng)性差且配套成本高的情況。

為了選配滿足性能要求且性價比高的蓄電池，在上述計算基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實際應(yīng)用的測試及試驗。

3.1 應(yīng)用測試試驗

某單位選擇了4 組（各2 只）不同生產(chǎn)廠家規(guī)格型號的蓄電池，均充滿電的情況下在同一鑿巖鉆機(jī)機(jī)組上進(jìn)行應(yīng)用測試試驗，環(huán)境溫度約10℃，反復(fù)啟停機(jī)組20 次，記錄啟動前后以及測試過程中蓄電池的參數(shù)變化值。

用于測試的鑿巖鉆機(jī)技術(shù)配套情況為：玉柴發(fā)動機(jī)，YC6J220-T300/6.494 L，162 kW；配套啟動機(jī)，24 V，7.5 kW。 測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同型號蓄電池啟動前后參數(shù)表（環(huán)境溫度約10℃）

試驗結(jié)果表明：啟動前后的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)差異性較大，型號2 電壓降值最大，型號4 的ICC測試降值明顯高于其它型號，從啟動性能方面分析， 型號1 和型號3 電壓降值少，ICC測試值下降少，同時也滿足啟動時放電電流較大的啟動性能。 但是型號3 蓄電池的容量較大，成本高。

3.2 低溫測試試驗

ICC值體現(xiàn)-18℃蓄電池瞬間放電電流的大小，是決定蓄電池啟動性能的關(guān)鍵。 為進(jìn)一步驗證， 以上4 組蓄電池做了低溫測試試驗，實測數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同型號蓄電池ICC 實測值

實測數(shù)據(jù)反應(yīng)出部分廠家規(guī)格型號有明顯的虛標(biāo)情況，只有在常溫測試下才能達(dá)到啟動性能（如型號2、型號4），或者用堆積容量的方式來達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)啟動能力（如型號3），蓄電池容量選型偏大，成本增高。 因此，為保證鑿巖鉆機(jī)的可靠性，蓄電池應(yīng)用前的試驗及參數(shù)對比是非常重要的一個環(huán)節(jié)。

3.3 蓄電池的選用須考慮的其它因素

對于鑿巖鉆機(jī)用蓄電池來說，區(qū)別于一般汽車用蓄電池的選型，鑿巖鉆機(jī)用蓄電池主要功能為起動機(jī)組， 要求蓄電池具備啟動力強(qiáng)、內(nèi)阻小、冷啟動電流大等的特點，機(jī)組啟動后沒有太多用電負(fù)荷消耗，對容量的要求相對低一點。

隨著蓄電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， 容量足，內(nèi)阻小，自放電小的品牌不斷涌現(xiàn)，特別是低內(nèi)阻和抗腐蝕能力強(qiáng)的正極“倍伏銳”板柵技術(shù)的應(yīng)用，導(dǎo)電能力和使用壽命與常規(guī)的拉網(wǎng)板柵和鑄造板柵相比明顯提高， 起動流足夠，使用壽命可達(dá)3～5年。

綜上所述，基于實際使用環(huán)境和配套成本考慮， 此配套7.5 kW 啟動機(jī)的鑿巖鉆機(jī)用蓄電池型號選擇為型號1：容量100 A·h，標(biāo)稱冷起動電流值680 A。

經(jīng)理論計算及實際配套情況總結(jié)，表4 給出了不同使用環(huán)境溫度下，幾種常用鑿巖鉆機(jī)發(fā)動機(jī)功率級配套蓄電池的冷啟動電流值選型參數(shù)。

表4 幾種常用鑿巖鉆機(jī)用蓄電池ICC 值選型參數(shù)表

4 蓄電池的應(yīng)用

4.1 蓄電池的安裝

安裝前檢查電眼，確認(rèn)電眼為綠色，不能將電眼呈黑色的蓄電池裝車。

蓄電池外殼表面或正負(fù)極柱無酸液溢出，無裂紋，無磕碰傷，無污物。

蓄電池傾斜不能超過40°， 不得將蓄電池側(cè)向或倒置放置。

蓄電池電路連接、斷開的順序如下：

連接蓄電池連線的順序：先連接蓄電池正極連線，后連接蓄電池負(fù)極連線。

斷開蓄電池連線的順序：先斷開蓄電池負(fù)極連線，后斷開蓄電池正極連線。

蓄電池的負(fù)極引出線要直接接至發(fā)動機(jī)機(jī)殼總接地，接觸牢靠。

4.2 蓄電池的存儲

蓄電池儲存不宜受陽光直射，需離熱源至少2m 以上，適宜儲存在5～20℃干燥、清潔和通風(fēng)良好的環(huán)境中。

儲存溫度越高，自放電速度越快，儲存溫度每升高10℃，儲存期限會縮短一半。

蓄電池在室溫下的儲存期基本為6 個月，6個月內(nèi)一般不需要補(bǔ)充電即可使用，但存放超過6 個月則需進(jìn)行補(bǔ)充電后才可正常使用。

如果蓄電池存放時間超過1年以上，期間未按照規(guī)定時間進(jìn)行補(bǔ)充電的，須作報廢處理。

4.3 蓄電池的補(bǔ)充電

蓄電池常溫儲存6 個月左右，電壓將會衰減到12.45 V 左右，容量低于65%，此時須進(jìn)行補(bǔ)充電處理，否則對其容量和壽命都會造成不良影響。

蓄電池電解液密度、荷電量、電壓對應(yīng)情況見表5 （不同廠家蓄電池對應(yīng)狀態(tài)略微會有差異）。

表5 蓄電池荷電狀態(tài)和電壓對應(yīng)表

經(jīng)過試驗，蓄電池常溫儲存接近6 個月的時候，電壓會衰減到補(bǔ)電節(jié)點12.45 V。 具體試驗數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 蓄電池常溫儲存電壓衰減實驗數(shù)據(jù)曲線

鑿巖鉆車在未啟動條件下，蓄電池自放電時間過長、機(jī)組漏電、發(fā)電機(jī)充電故障等，造成蓄電池長時間深度虧電，電眼發(fā)黑，甚至不能啟動機(jī)組，則該蓄電池需要通過車外補(bǔ)充電處理。

充電器正極連接蓄電池正極，充電器負(fù)極連接蓄電池負(fù)極。 切勿對電瓶串聯(lián)24 V 充電。

確認(rèn)蓄電池極柱清潔、充電回路壓接良好。

最好用恒壓16.0 V、 限流25 A 充電器對蓄電池進(jìn)行充電，充電至充電電流小于2 A 且電眼發(fā)綠則說明充電完成。

恒壓充電最大不能超過16.2 V，超過此電壓限值充電將會造成蓄電池水被大幅度電解，液位下降，電眼發(fā)白，致使電池報廢）。

表6 給出了充電時間與蓄電池當(dāng)前電壓的對應(yīng)關(guān)系。

表6 充電時間與蓄電池當(dāng)前電壓的對應(yīng)關(guān)系

對于電壓低于11.0 V 的蓄電池，補(bǔ)充電初期可能會出現(xiàn)充不進(jìn)電現(xiàn)象。因為長時間深度虧電蓄電池內(nèi)硫酸比重已接近純水， 蓄電池內(nèi)阻很大，這時需要通過減小充電電流，或換用較大功率的充電機(jī)，或采用與另一電池并聯(lián)的方法進(jìn)行充電。 隨蓄電池充電的進(jìn)行，蓄電池內(nèi)硫酸比重會逐漸上升，蓄電池的充電電流可以逐步恢復(fù)正常。

補(bǔ)充電結(jié)束并測試合格后建議在極柱上涂抹黃油，以防止電蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

5 總結(jié)

按照鑿巖鉆機(jī)使用特性，其配套蓄電池最重要的作用是起動機(jī)組，所以冷起動性能是鑿巖鉆機(jī)選配蓄電池最重要的技術(shù)指標(biāo)。鑿巖鉆機(jī)用蓄電池的選型，容量和冷啟動電流與整機(jī)性能及蓄電池的成本有直接的聯(lián)系，容量及冷啟動電流選擇不足，會使整機(jī)的靜置及啟動性能降低；若選擇富余，則造成浪費。同時蓄電池的安裝、儲存和補(bǔ)充電亦是蓄電池使用壽命和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。