CC BY
2
6. Merkulov A.V., Silchenko Yu.A., Skorikov V.A. Design of passports for drilling and blasting operations during mining: textbook. Stipend. Shakhty Institute of YURSTU. Novocherkassk: YURSTU, 2002. 70s.
7. Handbook of mining / edited by V.A. Grebenyuk, Ya.S. Pyzhyanova, I.E. Efremova M.: Nedra, 1983. 816 p
. 8. Khomenko O., Rudakov D., Kononenko M. Automation of design of drilling and blasting passports by optimizing the placement of boreholes // Forum girnikiv. Dnipro: NSU, 2011. pp. 39-43.
9. Prokopov A.Yu., Baldin A.A. An applied program for calculating the parameters of drilling and blasting operations and constructing a diagram of the location of holes in the bottom // Collection of scientific tr. Scientific and technical creativity of university students: materials of All Russia. scientific and technical review competition creativity of the student. universities "Eureka-2005". Novocherkassk: YURSTU, 2005. Part 3. pp. 190-193.
10. Popkov Yu.N., Prokopov A.Yu., Prokopova M.V. Information technologies in mining: textbook. stipend. Novocherkassk: Shakhtinsky Institute of YURSTU, 2007. 201 p.
УДК 621.355+622.62
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ШАХТНЫХ ЛОКОМОТИВОВ
В ПРОЦЕССЕ ЗАРЯДКИ
К.А. Рябко
Выполнен анализ тепловых процессов при заряде элемента батареи шахтного электровоза для прогнозирования его температурного состояния. Приведено математическое описание теплового состояния аккумуляторных батарей шахтных локомотивов в процессе зарядки, учитывающее энергию, затраченную на зарядку аккумулятора, потенциальную энергию, сообщаемую аккумулятору, а также тепловую энергию, затраченную на нагрев аккумулятора. Разработан экспериментальный стенд, позволяющий оценить величину нагрева аккумулятора. Выполнена оценка сходимости экспериментальных значений и результатов теоретической оценки теплового состояния аккумуляторных батарей шахтных локомотивов в процессе зарядки.
Ключевые слова: шахтный электровоз, аккумуляторная батарея, процесс заряда, потенциальная энергия, тепловая энергия, нагрев аккумулятора, экспериментальный стенд.
Ведение. Аккумуляторные батареи шахтных автономных электровозов как напочвенных, так и монорельсовых представляют собой набор последовательно соединенных аккумуляторных элементов, каждый из которых состоит из набора электродов, взаимодействующих с электролитом. Различают несколько электрохимических систем, используемых в тяговых аккумуляторных батареях шахтных электровозов. Наиболее распространенные на сегодняшний день свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, ни-кель-металлгидридные, литий-ионные, литий-полимерные. В процессе эксплуатации шахтного электровоза электрическая энергия аккумулятор-
ных батарей расходуется на реализацию силы тяги, то есть преобразуется в кинетическую энергию движения локомотива. Вне зависимости от условий эксплуатации и типа электрохимической системы аккумуляторные батареи подлежат зарядке. Время зарядки зависит от типа аккумулятора и зарядного устройства, а также от степени разряда аккумулятора. В процессе зарядки аккумулятора в нем происходят сложные взаимосвязанные процессы: электрохимические, диффузионные и теплообменные. При этом энергия от внешнего источника расходуется на сообщение потенциальной энергии аккумулятору, повышение температуры электрохимической системы, электролиз и на потери энергии за счет теплообмена с окружающей средой.
Актуальность темы. Исследованию параметров электропривода и аккумуляторных батарей шахтных электровозов посвящен ряд исследований отечественных и зарубежных ученых. Особую актуальность представляют работы В.С. Волкова [1], С.А. Волотковского [2], В.О. Гутаревича [3, 4], И.Е. Колесниченко [5], В.П. Кондрахина [6], Л.В. Лукиенко [7], И.Ю. Семыкиной [8], В.П. Степаненко [9, 10] и других ученых. Отдельный интерес вызывает исследование теплового состояния аккумуляторных батарей шахтных локомотивов в процессе зарядки, так как данный параметр оказывает непосредственное влияние на надежность электрохимических систем [11-14] и, как следствие, на безопасность и эффективность работы шахтного вспомогательного транспорта. Повышенный нагрев аккумуляторных батарей в процессе зарядки может вызвать перегрев, сопровождающийся снижением емкости и последующим выходом из строя, что может привести к простоям шахтных локомотивов и нарушению логистических цепочек.
Цель исследования. Для исследования теплового состояния аккумуляторных батарей могут использоваться различные методы, такие как инфракрасная термография, термопары, датчики температуры и тепловизоры [15, 16]. Эти методы позволяют определить распределение температуры на поверхности батарей, выявить горячие точки и определить причины перегрева. Данные методы дают подробное представление о процессе изменения температуры, однако не дают теоретического описания и установления закономерностей. Таким образом, в работе поставлена задача аналитического исследования теплового состояния аккумуляторных батарей шахтных локомотивов в процессе зарядки с сопоставлением теоретических данных с результатами эксперимента.
Основной материал. Зарядные процессы - нестационарные детерминированные, протекающие в электролите, электродах, активной массе и зонах теплоотвода от аккумулятора в окружающую среду. Для описания этих процессов необходимо составить уравнение сохранения энергии на достаточно малом отрезке времени йт, в течение которого значение параметров процесса можно принять неизменным.
Рассмотрим уравнение сохранения энергии процесса заряда аккумуляторной батареи шахтного электровоза.
Энергия на выводах зарядного устройства может быть представлена в виде суммы энергий:
^ = ¿Ор + ¿а + (1)
где dQp - потенциальная электрическая энергия, сообщенная аккумулятору от зарядного устройства; dQt - энергия, расходуемая на повышение температуры электрохимической системы; dQtoc - энергия, расходуемая
на теплообмен с окружающей средой.
Составляющие уравнения (1) могут быть записаны в следующем
виде:
dQзy = иМт; (2)
dQp =^г; (3)
дт
¿ОЬ =Е (ОС ; (4)
dQt . ос .= & (t - ta )dr, (5)
где I - ток зарядки батареи; и - напряжение зарядки; дОр / дт - количество электрической энергии, накапливаемой в аккумуляторной батарее за время одной секунды; О/ - масса /-того вещества в аккумуляторе; С/ -удельная массовая теплоемкость /-того вещества; t - температура веществ, заряжаемой электрохимической системы; к - коэффициент теплопередачи в окружающую среду; ^ - площадь наружной поверхности аккумулятора; ta - температура окружающей среды.
Используя соотношения (1) - (5), уравнение сохранения энергии запишем в виде
иМт = ¿т + У (ОС ^ + к¥^ - ta )с1т. (6)
дт
В общем случае сила тока I и и являются функциями времени. Приняв допущения, что температура t и величина д0р / дт распределяются
по объему аккумулятора равномерно, тогда эти величины являются только функциями времени.
Уравнение сохранения энергии аккумуляторной батареи шахтного электровоза можно решить, если будут раскрыты функции: и = /1(т); I = /2(г1); д0р / дт = /3(т3). Определение данных функций подразумевает
проведение ряда экспериментов с дальнейшей обработкой результатов, которая является сложной математической задачей. Задача также усложняется тем, что на эти функции оказывает влияние множество факторов, таких как: техническое состояние аккумулятора, тип электрохимической системы, емкость батареи и др.
На основании вышеизложенного, рассмотрим упрощенный способ определения температуры аккумуляторной батареи шахтного электровоза в процессе её зарядки.
Используем понятие о коэффициенте полезного действия аккумуляторной батареи:
4 = —. (7)
о
Принимаем допущение, что теплообменом с окружающей средой можно пренебречь. Тогда в процессе зарядки аккумулятора затраченная энергия будет равна сумме энергий, используемой на образование потенциальной энергии, которая будет расходоваться при разрядке батареи и тепловых потерь в аккумуляторе:
аз = бр + б^, (8)
где внагр1 - тепловая энергия, затраченная на нагрев аккумулятора в процессе зарядки.
При работе аккумулятора в тяговом режиме вовремя движении шахтного локомотива бр расходуется на питание электропривода локомотива и нагрев аккумулятора при разрядке:
бр = ботд + бнагр2 , (9)
где ботд - энергия, отдаваемая аккумулятором в процессе разряда; бнагр2
- тепловая энергия, затраченная на нагрев аккумулятора в процессе разряда.
Принимаем допущение, о том, что доля энергии, используемой для накопления потенциальной энергии от затрачиваемой энергии, равна доле энергии, отдаваемой потребителю от накопленной энергии:
бр _ б
^отд
(10)
бз бр
Откуда
бр Чбз • ботд . (1)
Используя зависимость (7), можно записать
Ор = б34л. (12)
Соотношение (12) подставляем в (8):
бз = б34л+ баР1. (13)
Из формулы (13) найдем выражение для определения тепловой энергии, затраченной на нагрев аккумулятора в процессе зарядки:
бнаррг = бз (1 (14)
Используя величину бнагр1, можно найти степень нагрева аккумуляторной батареи в процессе зарядки:
= Е ОСМ . (15)
Из соотношений (14) и (15) находим величину нагрева аккумулятора в процессе зарядки:
д.=аЫЗ
I О.с,
С целью сопоставления результатов теоретических исследований необходимо получить данные натурного эксперимента. Для получения экспериментальных значений А. был спроектирован стенд (рис. 1), позволяющий оценить величину нагрева аккумулятора.
4
Рис. 1. Схема экспериментального стенда по оценке величины нагрева
аккумулятора: 1 - лабораторный автотрансформатор; 2 - управляемый выпрямитель тока зарядки; 3 - зарядное устройство; 4 - АЦП/ЦАП; 5 - портативная ЭВМ; 6 - пирометр; 7 - исследуемый аккумулятор; 8- места установки термопар
Задачей экспериментальных исследований является анализ тепловых процессов при заряде элемента батареи для прогнозирования его температурного состояния.
Объектом исследования был выбран щелочной тяговый аккумулятор ТНЖ-350-У5. Номинальное напряжение элемента - 1,2 В, емкость -350 А^ч. Аккумуляторы данного типа применяются на рудничных электровозах серий: АМ8Д-550, АМ8Д-575, А8-550, А8-600, 2АМ8Д-900 и другие.
Согласно плану эксперимента разряженный аккумулятор подключался к зарядному устройству, выставлялись значения напряжения и зарядного тока, затем аккумулятор подключался к зарядному устройству и
начинался цикл эксперимента. Цикл подразумевал полную зарядку аккумулятора с регистрацией изменений зарядных параметров и его температуры. В процессе зарядки значения температуры аккумулятора фиксировались с помощью термопар, подключенных к АЦП/ЦАП, места установки которых позволяют оценить среднюю температуру аккумулятора. Количество задействованных каналов измерения АЦП соответствует количеству измеряемых параметров: напряжение зарядки 1 канал, ток зарядки 1 канал, температура аккумулятора 4 канала. При этом 1 -я термопара устанавливалась на верхней крышке аккумулятора, 2-я термопара погружена в электролит аккумулятора через отверстие пробки заливного отверстия, 3-я термопара устанавливалась на боковой поверхности аккумулятора, 4-я термопара погружена в электролит через отверстие в нижней части аккумулятора. Контроль изменения температуры поверхности аккумулятора также осуществлялся с помощью пирометра, регистрация полученных значений осуществлялась в лабораторном журнале. Начало измерений температуры аккумулятора соответствовало началу процесса зарядки. Начальная температура аккумулятора 18...20 °С, конечная температура 40±3 °С. Ток заряда аккумулятора в соответствие с рекомендациями завода изготовителя 70 А при восьмичасовом цикле.
Полученные значения по теоретическим зависимостям сопоставлены с результатами натурного эксперимента (рис. 2).
45
42
39 36
«теор 33 .эксп1
*.эксп2 ^
ООН
'.экспЗ 27
еюе
24 21 18
.18.1,
15
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 X т 180x3 Г, Мин
Рис. 2. Расчетные и экспериментальные значения изменения температуры аккумулятора в процессе зарядки: 1 - теоретическая зависимость; 2, 3, 4 - экспериментальные зависимости
Эксперимент проводился 3 раза, условия его проведения при всех трех циклах зарядки аккумулятора идентичны. Начальная температура аккумулятора во всех трех случаях составляла 18,1...18,81 °С. Ток, напряжение и время заряда одинаковы для трех экспериментов. Начальная температура для определения теоретических значений принята 18,5 °С.
Выполнив анализ полученных результатов, можно сделать вывод, что величина нагрева аккумулятора в процессе заряда нестационарный процесс, который зависит от многих переменных, таких как: способ зарядки аккумулятора, величины зарядного тока и напряжения, начальной температуры электрохимической системы, остаточного заряда аккумулятора и температуры окружающей среды.
По полученным расчетным и экспериментальным значениям были определены средние отклонения полученных значений температуры:
- для кривой 2, 5*12 =1,229 ;
- для кривой 3, 5*13 =1,468;
- для кривой 4, = 2,849 .
Также определены среднеквадратические отклонения теоретических значений от экспериментальных:
- для экспериментальной кривой 2, ст2 = 0,920;
- для экспериментальной кривой 3, о3 = 1,496 ;
- для экспериментальной кривой 4, сг4 = 1,983.
Дисперсия случайной величины . составляет:
- первый эксперимент = 0,847;
- второй эксперимент В2 = 2,238;
- третий эксперимент =3,931.
На основании анализа полученных значений выявлено, что экспериментальная модель имеет достаточную сходимость с теоретической, что расширяет ее область применения при оценке нагрева аккумуляторов шахтных электровозов в процессе заряда. Следует отметить универсальность данной методики, так как полученные расчетные зависимости применимы для всех типов электрохимических систем, эксплуатируемых на шахтных монорельсовых или напочвенных электровозах.
Заключение. Предложено математическое описание теплового состояния аккумуляторных батарей шахтных локомотивов в процессе зарядки, которое основывается на уравнении сохранения энергии и учитывает энергию, затраченную на зарядку аккумулятора, потенциальную энергию, сообщаемую аккумулятору, а также тепловую энергию, затраченную на нагрев аккумулятора. С целью проверки адекватности полученных расчетных значений изменения температуры аккумулятора в процессе зарядки, предложен экспериментальный стенд, позволяющий оценить величину
нагрева аккумулятора. Средние отклонения полученных теоретических и экспериментальных значений температуры аккумулятора для трех экспериментов составляют 1,229, 1,468 и 2,849. Среднеквадратические отклонения результатов экспериментов не превышают 1,983, а максимальное значение дисперсии случайной величины t не превышает 3,931, что свидетельствует о достаточной точности предложенного математического описания.
Результаты данного исследования могут быть использованы для оптимизации процесса зарядки, например, путем изменения параметров зарядного устройства, улучшения конструкции батарей или использования специальных систем охлаждения. Это может повысить надежность и безопасность работы аккумуляторных шахтных локомотивов, а также снизить затраты на обслуживание и ремонт электрохимических систем. В целом, исследование теплового состояния аккумуляторных батарей является важной частью процесса разработки и эксплуатации как напочвенных, так и монорельсовых шахтных аккумуляторных электровозов, позволяющей обеспечить надежность, безопасность и экономичность их работы.
Список литературы
1. Волков В. С. Электроника и электрооборудование транспортных и транспортно-технологических комплексов. М.: Издательский Дом «Академия», 2010. 368 с. ISBN 978-5-7695-7128-2. EDN TMTZLX.
2. Волотковский С.А. Рудничная электровозная тяга. М.: Недра, 1981. 389 с.
3. Гутаревич В. О., Кондратенко М.П. Динамика тягового устройства шахтной подвесной монорельсовой дороги / В.О. Гутаревич, // Устойчивое развитие горных территорий. 2020. Т. 12, № 3(45). С. 410-417. DOI 10.21177/1998-4502-2020-12-3-410-417. EDN UQSLMC.
4. Обзор конструкций тяговых аккумуляторных батарей, применяемых на шахтных электровозах / В.О. Гутаревич, К.А. Рябко, Е.В. Рябко, В.А. Захаров // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2020. № 2. С. 109-118. DOI 10.21440/0536-1028-2020-2-109-118. EDN YMLFKJ.
5. Химические источники энергии для обеспечения безопасности в угольной промышленности: энергетический механизм образования постоянного электрического тока в аккумуляторе / И.Е. Колесниченко, Е.А. Ко-лесниченко, Е.И. Любомищенко, Е.И. Колесниченко // Горная промышленность. 2023. № 1. С. 80-88. DOI 10.30686/1609-9192-2023-1-80-88. EDN RHMLLX.
6. Кондрахин В.П., Стадник Н.И. О характере нагрузки частотно-регулируемых приводов двухдвижительных механизмов перемещения
очистных комбайнов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2012.№ 3. С. 113-124.
7. Лукиенко Л.В., Каменский М.Н. Повышение эффективности работы шахтных электровозов в наклонных выработках // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. № 4. С. 130 -139. EDN AOOJNI.
8. Система беспроводного заряда аккумуляторов для рудничного электровоза / В.М. Завьялов, И. Ю. Семыкина, Е.А. Дубков, А.С. Велиляев // Записки Горного института. 2023. Т. 261. С. 428-442. EDN JSNTAQ.
9. Степаненко В.П. Пути повышения энергоэффективности и ресурсосбережения горного локомотивного транспорта // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2016. № 9. С. 128-137. EDN WRKLAJ.
10. Степаненко В.П. Применение комбинированных (гибридных) энергосиловых установок в горной промышленности // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014. № 11. С. 322-328. EDN SXWVMX.
11. Буров Ю.В., Трембицкий А.Л. Исследование литиевых источников тока для использования в искробезопасном электрооборудовании // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. № S1. С. 546-551. EDN TJUVZP.
12. Energy recuperation as one of the factors improving the energy efficiency of mining battery locomotives / B. Polnik [et al.] // Management Systems in Production Engineering. 2020. Т. 28. №. 4. С. 253-258.
13. Barbosa F.C. Battery only electric traction for freight trains-A technical and operational assessment // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2023. С.09544097231160613.
14. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. SRM with 8/6 magnetic system topology for electric drive of mine battery electric locomotives: design and modelling // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. -IOP Publishing, 2022. Т. 1211. №. 1. С. 012004.
15. Язвинская Н.Н. Исследование теплового разгона в литий-ионных аккумуляторах // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Технические науки. 2020. № 2(206). С. 89-95. DOI 10.17213/1560-3 644-2020-2-89-95. EDN NKZVBJ.
16. Клименко Г.К., Ляпин А.А., Марахтанов М.К. Исследование теплового состояния аккумулятора в рабочем цикле // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 10(22). С. 33. EDN RLMVPD.
Рябко Константин Александрович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Воронеж, Ростовский государственный университет путей сообщения (филиал в г. Воронеж)
RESEARCH OF THE THERMAL STATE OF MINE LOCOMOTIVE BATTERIES DURING
CHARGING PROCESS
K.A. Ryabko
An analysis of thermal processes during charging of a battery element of a mine electric locomotive was performed to predict its temperature state. A mathematical description of the thermal state of the batteries of mine locomotives during the charging process is given, taking into account the energy spent on charging the battery, the potential energy imparted to the battery, as well as the thermal energy spent on heating the battery. An experimental stand has been developed that allows one to estimate the amount of heating of the battery. An assessment was made of the convergence of experimental values and the results of a theoretical assessment of the thermal state of the batteries of mine locomotives during the charging process.
Key words: mine electric locomotive, battery, charging process, potential energy, thermal energy, battery heating, experimental stand.
Ryabko Konstantin Aleksandrovich, candidate of technical sciences, associate professor, [email protected], Russia, Voronezh, Rostov State Transport University (Voronezh branch)
Reference
1. Volkov V. S. Electronics and electrical equipment of transport and transport-technological complexes. Moscow: Publishing House "Academy", 2010. 368 p. ISBN 978-57695-7128-2. EDN TMTZLX.
2. Volotkovsky S.A. Rudnichnaya electric locomotive traction. M.: Nedra, 1981.
389p.
3. Gutarevich V. O., Kondratenko M.P. Dynamics of the traction device of a mine suspended monorail / V.O. Gutarevich, // Sustainable development of mountain territories. 2020. Vol. 12, No. 3(45). pp. 410-417. DOI 10.21177/1998-4502-2020-12-3-410-417. EDN UQSLMC.
4. Review of designs of traction batteries used on mine electric locomotives / V.O. Gutarevich, K.A. Ryabko, E.V. Ryabko, V.A. Zakharov // Izvestia of higher educational institutions. The mountain magazine. 2020. No. 2. pp. 109-118. DOI 10.21440/0536-1028-20202-109-118. EDN YMLFKJ.
5. Chemical energy sources for safety in the coal industry: an energy mechanism for the formation of a constant electric current in a battery / I.E. Kolesnichenko, E.A. Kole-snichenko, E.I. Lyubomishchenko, E.I. Kolesnichenko // Mining industry. 2023. No. 1. pp. 80-88. DOI 10.30686/1609-9192-2023-1-80-88. EDN RHMLLX.
6. Kondrakhin V.P., Stadnik N.I. On the nature of the load of frequency-controlled drives of two-moving mechanisms for moving cleaning combines // Physico-technical problems of mining. 2012.No. 3. pp. 113-124.
7. Lukienko L.V., Kamensky M.N. Improving the efficiency of mine electric locomotives in inclined workings // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2019. No. 4. pp. 130-139. EDN AOOJNI.
8. The system of wireless battery charging for a mining electric locomotive / V.M. Zavyalov, I. Yu. Semykina, E.A. Dubkov, A.S. Ve-lilyaev // Notes of the Mining Institute. 2023. Vol. 261. pp. 428-442. EDN JSNTAQ.
9. Stepanenko V.P. Ways to improve energy efficiency and resource conservation of mining locomotive transport // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2016. No. 9. pp. 128-137. EDN WRKLAJ.
10. Stepanenko V.P. Application of combined (hybrid) power plants in the mining industry // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2014. No. 11. pp. 322-328. EDN SXWVMX.
11. Burov Yu.V., Trembitsky A.L. Investigation of lithium current sources for use in intrinsically safe electrical equipment // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2015. No. S1. pp. 546-551. EDN TJUVZP.
12. Energy recuperation as one of the factors improving the energy efficiency of mining battery locomotives / B. Polnik [et al.] // Management Systems in Production Engineering. 2020. Vol. 28. No. 4. pp. 253-258.
13. Barbosa F.C. Battery only electric traction for freight trains-A technical and operational assessment // Proceedings of the Institution of Me-chanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2023. pp. 09544097231160613.
14. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. SRM with 8/6 mag-netic system topology for electric drive of mine battery electric locomotives: design and modeling // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2022. Vol. 1211. No. 1. p. 012004.
15. Yazvinskaya N.N. Investigation of thermal acceleration in lithium-ion batteries // Izvestia of higher educational institutions. The North Caucasus region. Technical sciences. 2020. No. 2(206). pp. 89-95. DOI 10.17213/1560-3644-2020-2-89-95. EDN NKZVBJ.
16. Klimenko G.K., Lyapin A.A., Marakhtanov M.K. Investigation of the thermal state of the battery in the operating cycle // Engineering Journal: science and innovation. 2013. No. 10(22). p. 33. EDNRLMVPD.
