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(dòng)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(guò)多地側(cè)重于蓄電池容量方面的要求，對(duì)啟動(dòng)電流和冷啟動(dòng)性能等技術(shù)要求關(guān)注度不夠，在實(shí)際使用過(guò)程中蓄電池的環(huán)境適應(yīng)能力低，且配套成本高。 本文對(duì)鑿巖鉆機(jī)配置的蓄電池選型的理論計(jì)算、技術(shù)狀況以及實(shí)際應(yīng)用參數(shù)和效果等多方面進(jìn)行分析論證，對(duì)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。 機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，同時(shí)給啟動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 單元、點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(shí)，蓄電池可以在有限的時(shí)間內(nèi)供電。

（4）向空氣壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)供電。 對(duì)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(jì)算方法

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

Cn20值：20 小時(shí)率額定容量（單位為安時(shí)，A·h），也是蓄電池的標(biāo)稱容量指標(biāo)，是蓄電池在出廠時(shí)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(shí)所能提供的容量， 即20 小時(shí)額定放電率。 其體現(xiàn)蓄電池的儲(chǔ)電能力，數(shù)字越大，說(shuō)明蓄電池容量越大。

Ce20值：20 小時(shí)率實(shí)際容量（單位為安時(shí)，A·h）。 實(shí)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(dòng)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(shí)啟動(dòng)能力。

2.1 蓄電池容量Ce20 值的計(jì)算方法

鑿巖鉆機(jī)用蓄電池容量選型計(jì)算有兩種常用的方法，其一是理論值法，其二是經(jīng)驗(yàn)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(jí)為24 V， 發(fā)動(dòng)機(jī)功率較大， 配套的啟動(dòng)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(jì)時(shí)需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫啟動(dòng)性能，即在-18℃時(shí)， 蓄電池容量應(yīng)能滿足起動(dòng)機(jī)的輸出功率。

根據(jù)公式，起動(dòng)機(jī)制動(dòng)電流為

式中 IK—— 起動(dòng)機(jī)制動(dòng)電流，A

P—— 起動(dòng)機(jī)功率，W

η —— 起動(dòng)機(jī)電磁功率轉(zhuǎn)為輸出功率P時(shí)的效率

UH—— 蓄電池額定電壓，V

本文中，η 取值0.9。

起動(dòng)用鉛酸蓄電池實(shí)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(shí)蓄電池的實(shí)際容量，A·h

Ce20.20——環(huán)境溫度為20℃時(shí)蓄電池的實(shí)際容量，A·h

蓄電池內(nèi)阻與蓄電池實(shí)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(dòng)機(jī)所需匹配的蓄電池容量計(jì)算公式為

式中 P——起動(dòng)機(jī)輸出功率，W

η——起動(dòng)機(jī)電磁功率轉(zhuǎn)為輸出功率P時(shí)的效率（在此取值為0.9）

UK——起動(dòng)機(jī)制動(dòng)電壓， 制動(dòng)電壓不宜低于起動(dòng)機(jī)電磁開(kāi)關(guān)的釋放電壓，V

RL——蓄電池與起動(dòng)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(jì)算。

例如： 起動(dòng)機(jī)功率P=7.5 kW=7500 W，計(jì)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(dòng)機(jī)時(shí)， 蓄電池所需容量的理論計(jì)算值，見(jiàn)表1。

表1 不同環(huán)境溫度時(shí)所需蓄電池Ce20值

2.1.2 經(jīng)驗(yàn)值法

經(jīng)驗(yàn)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(yàn)公式計(jì)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(yàn)公式為

式中 Ce20——蓄電池實(shí)際容量，A·h

P——起動(dòng)機(jī)功率，kW

UH——蓄電池額定電壓，V

仍以7.5 kW 起動(dòng)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(shí)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(shí)可以選擇小容量， 環(huán)境溫度低時(shí)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(shí)，則選擇大容量。

從計(jì)算結(jié)果看， 理論值法更具有實(shí)用意義， 其計(jì)算結(jié)果給出了環(huán)境溫度和容量的對(duì)應(yīng)關(guān)系； 經(jīng)驗(yàn)值法計(jì)算結(jié)果僅僅是一個(gè)范圍值，環(huán)境溫度的影響不能很好地體現(xiàn)，此為經(jīng)驗(yàn)值法（式5）的不足。 目前，普遍用這兩種計(jì)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(dòng)電流ICC 值的計(jì)算方法

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

Ik=4P/（η·UH）

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

Ik=4P/（η·UH）=4×7500/（0.9×24）

=1388.9 （A）

根據(jù)起動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線，起動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)電流I 為起動(dòng)機(jī)制動(dòng)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性曲線，在啟動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的瞬間， 轉(zhuǎn)速n 接近為0， 此時(shí)扭矩T最大， 啟動(dòng)最大電流Imax等于啟動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)電流Ik， 由于啟動(dòng)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(dòng)機(jī)輸出功率P也上升，理論上啟動(dòng)機(jī)的運(yùn)行最大功率Pmax點(diǎn)位于圖中ICC=0.5IK和功率曲線的交點(diǎn)處。

圖1 起動(dòng)機(jī)特性曲線

在鑿巖鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)配套啟動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)考慮啟動(dòng)機(jī)自身的低溫啟動(dòng)能力， 設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)可以追溯發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際啟動(dòng)所需功率來(lái)計(jì)算取值。

也就是說(shuō)，根據(jù)曲線圖可知，在-20℃時(shí)，啟動(dòng)機(jī)的最大功率約為5.5 kW，此時(shí)要求蓄電池的冷啟動(dòng)電流達(dá)到750 A 左右，即啟動(dòng)此臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)需要匹配的啟動(dòng)電流值為750 A 左右，考慮到啟動(dòng)機(jī)的低溫啟動(dòng)性能，故發(fā)動(dòng)機(jī)配套廠家放大起動(dòng)機(jī)容量到7.5 kW，此起動(dòng)機(jī)在低溫-18℃環(huán)境下， 設(shè)計(jì)預(yù)估值會(huì)降容至5.5 kW左右，此時(shí)要求配套的蓄電池低溫冷啟動(dòng)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(cè)試及技術(shù)參數(shù)對(duì)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(dòng)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(dòng)電流為750 A。

然而在實(shí)際選型中各個(gè)品牌因技術(shù)側(cè)重點(diǎn)不同，蓄電池的容量和冷啟動(dòng)電流并不都按這兩個(gè)數(shù)值匹配，有的品牌容量大但冷啟動(dòng)電流小， 有的品牌容量小而冷啟動(dòng)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(dòng)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(jià)比高的蓄電池，在上述計(jì)算基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用的測(cè)試及試驗(yàn)。

3.1 應(yīng)用測(cè)試試驗(yàn)

某單位選擇了4 組（各2 只）不同生產(chǎn)廠家規(guī)格型號(hào)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(cè)試試驗(yàn)，環(huán)境溫度約10℃，反復(fù)啟停機(jī)組20 次，記錄啟動(dòng)前后以及測(cè)試過(guò)程中蓄電池的參數(shù)變化值。

用于測(cè)試的鑿巖鉆機(jī)技術(shù)配套情況為：玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)，YC6J220-T300/6.494 L，162 kW；配套啟動(dòng)機(jī)，24 V，7.5 kW。 測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

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

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

3.2 低溫測(cè)試試驗(yàn)

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(dòng)性能的關(guān)鍵。 為進(jìn)一步驗(yàn)證， 以上4 組蓄電池做了低溫測(cè)試試驗(yàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 不同型號(hào)蓄電池ICC 實(shí)測(cè)值

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反應(yīng)出部分廠家規(guī)格型號(hào)有明顯的虛標(biāo)情況，只有在常溫測(cè)試下才能達(dá)到啟動(dòng)性能（如型號(hào)2、型號(hào)4），或者用堆積容量的方式來(lái)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)能力（如型號(hào)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(yàn)及參數(shù)對(duì)比是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

3.3 蓄電池的選用須考慮的其它因素

對(duì)于鑿巖鉆機(jī)用蓄電池來(lái)說(shuō)，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(dòng)機(jī)組， 要求蓄電池具備啟動(dòng)力強(qiáng)、內(nèi)阻小、冷啟動(dòng)電流大等的特點(diǎn)，機(jī)組啟動(dòng)后沒(méi)有太多用電負(fù)荷消耗，對(duì)容量的要求相對(duì)低一點(diǎn)。

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(dòng)流足夠，使用壽命可達(dá)3～5年。

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

經(jīng)理論計(jì)算及實(shí)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(dòng)機(jī)功率級(jí)配套蓄電池的冷啟動(dòng)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(wú)酸液溢出，無(wú)裂紋，無(wú)磕碰傷，無(wú)污物。

蓄電池傾斜不能超過(guò)40°， 不得將蓄電池側(cè)向或倒置放置。

蓄電池電路連接、斷開(kāi)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(kāi)蓄電池連線的順序：先斷開(kāi)蓄電池負(fù)極連線，后斷開(kāi)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(dòng)機(jī)機(jī)殼總接地，接觸牢靠。

4.2 蓄電池的存儲(chǔ)

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

儲(chǔ)存溫度越高，自放電速度越快，儲(chǔ)存溫度每升高10℃，儲(chǔ)存期限會(huì)縮短一半。

蓄電池在室溫下的儲(chǔ)存期基本為6 個(gè)月，6個(gè)月內(nèi)一般不需要補(bǔ)充電即可使用，但存放超過(guò)6 個(gè)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(shí)間超過(guò)1年以上，期間未按照規(guī)定時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)充電的，須作報(bào)廢處理。

4.3 蓄電池的補(bǔ)充電

蓄電池常溫儲(chǔ)存6 個(gè)月左右，電壓將會(huì)衰減到12.45 V 左右，容量低于65%，此時(shí)須進(jìn)行補(bǔ)充電處理，否則對(duì)其容量和壽命都會(huì)造成不良影響。

蓄電池電解液密度、荷電量、電壓對(duì)應(yīng)情況見(jiàn)表5 （不同廠家蓄電池對(duì)應(yīng)狀態(tài)略微會(huì)有差異）。

表5 蓄電池荷電狀態(tài)和電壓對(duì)應(yīng)表

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，蓄電池常溫儲(chǔ)存接近6 個(gè)月的時(shí)候，電壓會(huì)衰減到補(bǔ)電節(jié)點(diǎn)12.45 V。 具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

圖2 蓄電池常溫儲(chǔ)存電壓衰減實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

鑿巖鉆車在未啟動(dòng)條件下，蓄電池自放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、機(jī)組漏電、發(fā)電機(jī)充電故障等，造成蓄電池長(zhǎng)時(shí)間深度虧電，電眼發(fā)黑，甚至不能啟動(dòng)機(jī)組，則該蓄電池需要通過(guò)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(duì)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(duì)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(shuō)明充電完成。

恒壓充電最大不能超過(guò)16.2 V，超過(guò)此電壓限值充電將會(huì)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(bào)廢）。

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

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

對(duì)于電壓低于11.0 V 的蓄電池，補(bǔ)充電初期可能會(huì)出現(xiàn)充不進(jìn)電現(xiàn)象。因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)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(shí)需要通過(guò)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(huì)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(cè)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(dòng)機(jī)組，所以冷起動(dòng)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(dòng)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(dòng)電流選擇不足，會(huì)使整機(jī)的靜置及啟動(dòng)性能降低；若選擇富余，則造成浪費(fèi)。同時(shí)蓄電池的安裝、儲(chǔ)存和補(bǔ)充電亦是蓄電池使用壽命和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。