超级电容在柴油机起动中的应用

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摘 要：利用蓄电池起动柴油机的传统起动方法将使蓄电池深度放电，严重影响蓄电池的使用寿命，为改善这种传统的起动方式对蓄电池产生的影响，利用超级电容装置辅助蓄电池进行柴油机的起动，以达到大大提高起动效率、提高蓄电池的使用寿命。本文介绍了利用超级电容辅助蓄电池起动柴油机的的原理及其控制方式。

关键词：超级电容；电机；蓄电池

1.前言

目前，内燃机车柴油机的起动大多数是利用蓄电池给直流起动电机供电，起动电机得电后，经过柴油机与直流起动电机之间的起动变速箱的变速，拖动柴油机至发火转速后，柴油机正常运转，这时停止直流起动电机供电，柴油机起动完成。这种起动方式，在柴油机开始转动的瞬间，蓄电池要大电流深度放电，对蓄电池的使用寿命将产生很大影响，对蓄电池的容量要求较高。为改善这种传统的起动方式对蓄电池产生的影响，应用超级电容装置辅助蓄电池进行柴油机的起动，以达到大大提高起动效率、提高蓄电池的使用寿命、减小经济损失的目的。

2.传统柴油机起动电气原理

目前，由蓄电池单独供电的柴油机电起动电路如下图1所示。

蓄电池闸刀开关1QS闭合，滑油泵接触器3KM1闭合，滑油泵3MA给机车各运动部件提供，燃油泵接触器4KM1闭合，燃油泵4MA给机车提供燃油，机车进入准备起机状态。由控制系统使起动接触器触头6KM1闭合，通过蓄电池闸刀开关1QS闭合形成回路，蓄电池给起动电动机起动绕组2MA1提供大量电能，释放大电流，起动电机作为串励励磁电动机旋转，通过变速箱带动柴油机起动。

这种传统方式起动柴油机，起动电流大，蓄电池作为唯一的能源，需要释放大电流，消耗的能量较大，容易造成蓄电池的深度放电，影响蓄电池的使用寿命。

3.应用超级电容装置的柴油机起动工作原理

应用超级电容起动柴油机的电路图如图2所示，

超级电容器辅助蓄电池进行内燃机车柴油机电起动的方法，包括以下步骤：接通蓄电池同时起动滑油泵电机和超级电容器先后关闭超级电容器和滑油泵电机起动电机通电柴油机转动起动电机断电柴油机起动完成。

4应用超级电容装置起动柴油机的起动控制

超级电容器辅助内燃机车柴油机电起动时的控制技术是利用柴油机起机前柴油机预供油的时间，由自动控制装置控制超级电容器的充电过程，当柴油机的预供油时间结束时，超级电容器预存的能量与蓄电池并联共同作用于柴油机起动电机，使柴油机快速起动。电路图如图3所示。

1）万能转换开关20SA设置在“自动”位，微机LCS32检测到起动按钮1SB1信号有效，并满足柴油机起动限制条件时，微机LCS32控制燃油泵接触器线圈4KM 得电、滑油泵接触器线圈3KM得电、燃油泵接触器主触4KM1闭合、滑油泵接触器主触头3KM1闭合，分别接通燃油泵电机4MA、滑油泵电机3MA工作电路，微机LCS32同时控制充电接触器线圈CKM1得电、充电接触器主触头CKM1闭合，接通超级电容器CC的充电电路，开始超级电容器的充电过程；同时燃油泵接触器辅助触头4KM2、滑油泵接触器辅助触头3KM2、、充电接触器辅助触头4KM2闭合，将动作信号反馈给微机LCS32。由于内燃机车对柴油机有一个预油的时间，超级电容器的充电过程，就是在此时完成。通过对充电电阻R2的选择，确保在预油的时间里完成充电过程。当微机LCS32设定的柴油机预油时间到达时，微机LCS32断开滑油泵接触器线圈3KM的电源，则滑油泵接触器主触头3KM1和滑油泵接触器辅助触头3KM2断开；同时微机LCS32断开充电接触器线圈CKM1的电源，充电接触器主触头CKM1和充电接触器辅助触头CKM2断开，则滑油泵电机3MA工作电路和超级电容器CC的充电电路分断，微机LCS32同时还驱动起动电机接触器线圈6KM得电，则起动电机接触器主触头6KM1和起动电机接触器辅助触头5KM2闭合将信号反馈给微机LCS32，接通起动电机2MA工作电路，超级电容器上述预存的能量与蓄电池并联共同作用于柴油机起动电机2MA，使柴油机快速起动；当柴油机起动后，微机LCS32使起动电机接触器线圈6KM失电，则起动电机接触器主触头6KM1和起动电机接触器辅助触头6KM2断开，起动电机2MA失电，完成柴油机起动过程。

2）万能转换开关20SA设置在“手动”位，充电接触器主触头CKM1由人为操纵，可人为对超级电容器进行充电，此时微机自动控制系统解除对超级电容器的充电控制程序，这样可实现充电手动控制，以便检查超级电容器的充电性能。

3）万能转换开关20SA设置在“切除”位时，充电接触器线圈CKM1不能得电，充电接触器主触头CKM1不可以投入工作状态。此时放电电阻5R接入电路中，此电阻并联在超级电容器两端，可将蓄电池上的剩余电压放掉，从而实现对电路的检查维护。

5.参数的选择

5.1 超级电容参数的选择

由于是利用蓄电池充电，所以超级电容的电压应与蓄电池电压相近；超级电容的容量选择依据放电电流的大小和放电时间决定。

5.2 充电电阻和放电电阻

根据公式R=t/C，t为充放电时间，在充电时t的设定应小于预油时间，C为超级电容容量。在放电时，如果想快速放掉超级电容的电，可以把放电电阻5R短接，缩短放电时间，但是这样做的电流非常大，具有一定的危险。

6.应用超级电容的优越性

1）超级电容的充电时间是利用蓄电池给柴油机打滑油的时间内完成，由系统微机控制系统自动完成，不增加额外的起机时间、司机不增加任何操作指令，与传统起机方法一致。

2）超级电容充电电阻R2的设定是保证超级电容的充电电流不至于过大，击穿超级电容。同时电路中还设有放电电阻5R，通过5R释放超级电容的电量，保护维修人员的安全。

3）利用超级电容器的蓄能作用，在柴油机起动的瞬间投入工作，与蓄电池共同给直流起动电机供电，在超级电容和蓄电池的共同作用下，直流起动电机将得到更多的电能，使柴油机起动加速，缩短柴油机起动时间，减少了柴油机的起机供油，减少了柴油机起机冒黑烟现象，具有节能环保的效果。

4）在超级电容和蓄电池的共同给直流起动电机供电，由于超级电容的辅助起动作用，蓄电池减少了深度放电过程，可提高蓄电池的使用寿命，节约经济成本。

7 实际应用

超级电容在我公司出口沙特机车上和大功率调车机车上成功应用，其中还有需要改进之处，达到人性化设计，例如在放至位置附近设置超级电容电压指示灯，当超级电容电压高于人体所能承受的电压36V时，应有警示指示灯，以防对操作人员造成人身伤害。

参考文献

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[2]唐西胜、齐智平 超级电容器蓄电池混合电源[M] 电源技术，2006.11：933-936

[3]陈英放、李媛媛、邓梅根.超级电容的原理及应用[J].电子元件与材料，2008，27（4）.