王宏达
准能集团公司设备维修中心安监站 内蒙古鄂尔多斯市 010300
摘要：卡特彼勒D11T履带式推土机是大型工程机械设备之一，在矿山开采、道路建设上起着重要作用，D11T推土机电气系统是设备重要的组成部分，关系着设备的正常启动与运行。在实际运行过程中，由于各种因素的干扰，D11T推土机的蓄电池频繁损坏，本文研究并设计了一种提高蓄电池使用寿命与使用效率的方法，在原有电气系统上加设太阳能充电系统，以此达到解决故障隐患，提高设备运行效率的目的。
关键词：D11T履带式推土机、蓄电池、太阳能充电、直流—直流转换、充电管理
1、引言
卡特彼勒D11T履带式推土机是目前较为先进的矿山设备之一，其净功率为634/1800(kW/rpm)，广泛运用于矿山开采、道路建设、场地施工等行业。其性能先进，可以轻松应对繁重的作业和严苛的工况，实现低运行成本和有效的物料搬移。
D11T推土机电气系统主要作用是启动发动机和提高照明电源，是由启动电机、硅整流发电机、磁力开关、电压稳压器和两个12V蓄电池组成。蓄电池实现电能和化学能的相互转化，主要作用是：1、发动机启动时，为启动机和启动系统供电；2、发电机不工作或者系统电压过低时，向用电设备供电；3、稳定电网电压，保护电路中的电子元件。因此，D11T推土机的电气系统是设备的重要组成部分，蓄电池又是其中关键的部件，为设备的正常运行起着重要的作用。
在D11T推土机实际运行过程中，经常因为电气系统故障、天气因素、操作因素等的干扰，造成蓄电池异常损耗或者故障，频繁更换蓄电池不仅影响设备正常运行，增加维护成本和人工劳动成本，而且损坏的蓄电池难以再利用，处置不当会对环境造成污染。针对此种情况，本文提出了一种提高蓄电池使用寿命和效率的方法，利用太阳能持续对蓄电池进行充电保护，防止蓄电池异常损耗，提高设备运行效率。
2、设计方案
D11T推土机太阳能充电系统如图1，在原系统元件不变的前提下加装一套太阳能充电装置，太阳能板经转化及管理模块后与控制器连接，控制器的正极与蓄电池的正极线柱相连，控制器的负极与蓄电池的负极线柱相连。只要有太阳光照就可以为蓄电池进行安全充电，使蓄电池充电得到更有力的保障。
图1. D11T推土机太阳能充电系统示意图
太阳能发电板安装在推土机驾驶室的顶部，通过支架，和减震装置进行固定。在此处安装有以下优点：1、在驾驶室顶部安装可以不影响驾驶员的视线，更大面积的接收太阳能；2、太阳能板安装在驾驶室顶部方便操作人员随时观察，保养和使用，且不会影响其他的维修操作；3、太阳能板安装在驾驶室顶部可以降低因推土机震动带来的损害，且不容易被石块击中。
安装工艺：首先根据太阳能板的实际尺寸，将其安装固定在驾驶室顶部；其次将太阳能板的连接线与控制器的进线端口连接；最后将控制器出线端口与蓄电池连接。
3、太阳能发电板的选取
太阳能发电板的选用是根据蓄电池的电压等级决定的，一般的选用原则是：太阳能发电板的额定输出电压是蓄电池额定电压的1.3至1.5倍。卡特D11T推土机蓄电池额定电压是24V，则应当选择额定电压为31.2V至36V的太阳能发电板。按照D11T推土机蓄电池充电的极限电压值，本方案将太阳能发电板的充电补偿值设定为1.4倍，即选择额定电压为33.6V的太阳能发电板。
针对太阳能发电板在电压下降或者彻底失去电压时，蓄电池会对太阳能发电板逆向放电的问题，必须设计一个整流二极管，串联到电路中。由于太阳能发电板额定电压为33.6V，高于16V，则应当选用硅材料的二极管，原因是硅材料的二极管正向降压在0.7V左右，有利于整体电路的耐压性和稳定性。
4、太阳能充电系统设计
针对D11T推土机电气系统，对太阳能充电系统做以下设计。本系统采用额定开路电压33.6V，额定功率8W，短路电流0.5A的太阳能发电板为发电源，为24V、6.4A的蓄电池充电，蓄电池充电电压为30V、供电电压为24V。
4.1 系统整体设计
由于蓄电池电压基本恒定，因此要求太阳能发电板输出的电压相应恒定，而太阳能发电板输出的电压是受太阳光照影响的，波动性较大，为达到输出电压恒定的目的，需要加装一个转换模块。由于太能能发电板和蓄电池的电流均为直流电，所以采用直流—直流（DC-DC）的转换方式。DC-DC转换方式的优点在于可以最大化的保持电压稳定，采用此方式可以最大程度的实现太阳能发电板输出电压稳定。
图2. 太阳能发电系统整体结构图
图2为太阳能发电系统整体结构图。太阳能发电板发出直流电，经DC-DC转换模块转换为稳定电压，经过充电管理模块和控制器后对蓄电池进行充电。本系统中太阳能发电板输出电压为0-33.6V，DC-DC模块将其转换为24V稳定电压。充电管理模块起的作用是对充电过程进行保护，包括短路、过载、过流等，可以有效的保护电池及电路，保持系统稳定可靠。
4.2 DC-DC转换模块
本系统的DC-DC转换模块是一个电源控制芯片，原理是利用电感储能元件通过可调开关来实现对高频的控制，太阳能发电板输出的电能存储在电感元件里，当电源接通时，电能再释放给蓄电池，实现充电。开关电源可以实现升压和降压调节。开关电源优势在于其电器元件处于长期开关状态，相较线性电源功耗小，效率高。由于开关频率和次数高，，所需电感数值较小，因此不需要配置变压器，同时由于其重量轻、体积小，更适合为D11T推土机蓄电池进行充电。图3位DC-DC转换模块电路图。
图3. DC-DC转换模块电路图
相较于电容DC-DC转换方式，本系统采用电感转换方式，电容DC-DC转换器会产生电磁干扰和输出波纹。此外，本系统采用集成的电感DC-DC转换芯片，优点在于体积小、转换效率高、工作噪音小、动态电流大等。
4.3 充电管理模块
D11T推土机太阳能充电系统的充电管理模块设计原理如图4左。优点是以最简单的电路实现对充电过程的管理和控制。
图4. 充电管理模块电路图及充电曲线
充电管理模块的充电流程和曲线如图4右所示，充电分为三个阶段：预充阶段、恒流充电、恒压充电。
预充阶段在太阳能发电板控制开关打开后，充电管理模块首先检测发电板输出电压，若输出电压过低时，进入休眠状态；若输出电压在正常范围内，再检测蓄电池电压，当蓄电池电压正常或者过压时，充电管理模块将发电板控制开关断开，当蓄电池电压低于设定的最低电压值时（本系统设计为最低电压2V），则以额定电流的10%对蓄电池进行预充电。
在完成预充电后，即蓄电池电压高于最低电压值2V时，充电管理模块进入恒流充电状态，此时由感测电阻通过电压监控的方式监控充电电流，当感测电阻电压值达到上限时，则充电管理模块断开恒流充电。
当蓄电池电压达到额定电压24V时，进入恒压充电状态。充电管理模块检测蓄电池电压，当电压达到设定的电压上限值时停止充电，当电压低于电压上限值时自动重新开始充电。这样，蓄电池持续保持在正常电压工作状态。
5经济效益分析
本太阳能充电系统已在一台D11T推土机上安装试用，运行时间近一年三个月。该试验D11T推土机上一年度累计更换蓄电池4次共8块，在试验期间，蓄电池未发生损坏，使用状态良好。按照一块铅酸蓄电池成本约1500元，加装太阳能充电系统成本约2000元，该台D11T推土机一年可节省维护成本1万元左右。此外，由于减少蓄电池更换频率和次数，人工成本也随之减少，相应的随着设备运行时间的增加，运行所创造的价值也随之升高。
6结束语
设备在加装太阳能电池板后完全可以克服电量不足导致设备停机的故障，使系统性能得到了进一步的完善，在成本方面，加装成本较低，由于其可以延长蓄电池的使用寿命，并可以降低设备的停机时间，故可带来可观的直接或间接的经济效益。
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论文作者:王宏达
论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/17
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