CC BY
64
УДК 621.31 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-317-326
РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Д.М. Якунов, В.В. Дебелов, В.С. Стручков, В.Н. Козловский, А.С. Саксонов
Представлены результаты разработки комплексной математической модели электротехнической системы термостатирования высоковольтных литий-ионных автомобильных аккумуляторных батарей.
Ключевые слова: автомобиль; электротехническая система; аккумулятнорная батарея, математическое моделирование.
Наиболее существенным недостатком практически всех химических источников тока (ХИТ), являются низкие электрохимические показатели при низких температурах эксплуатации. Именно поэтому разработка и реализация электротехнических систем терморегулирования для высоковольтных литий-ионных аккумуляторных батарей, работающих в составе электромобилей или автомобилей с комбинированной энергоустановкой, а также соответствующих алгоритмов управления электротехнической системой в условиях низких и отрицательных температур, является актуальной задачей, решение которой обеспечивает существенное развитие новых направлений в области автомобильного транспорта и рост распространенности автомобилей на электротехнологиях по всему миру [1 - 3]. Решение поставленной задачи позволит повысить эффективность работы высоковольтных аккумуляторных батарей автомобилей. Такие решения улучшат эксплуатационные характеристики транспортных средств (ТС), а также позволят эксплуатировать ТС в регионах с более низкими среднесуточными температурам [4, 5]. Кроме этого полученные решения могут быть применены в условиях крайнего севера и Арктики. По этим причинам, развитие систем термостатирования и эффективных алгоритмов управления является важной задачей современного транспорта на электротяге [6, 7].
Целью настоящей работы является повышение энергетической эффективности и эксплуатационных показателей транспортных средств на электротяге в условиях низких и отрицательных температур.
Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ основных типов литий-ионных аккумуляторных батарей используемых в качестве источника энергии для электромобилей и гибридных автомобилей [8, 9]; провести исследование особенностей систем хранения электрической энергии при низких температурах и оценка эффективности хранения заряда; разработка комплексных математических моделей высоковольтных аккумуляторных батарей, оснащенных системами термостатирования.
Новизна работы заключается в разработке комплексной математической модели системы термостатирования для проведения качественной и количественной оценки эффективности работы тяговых аккумуляторных батарей.
Активный рост числа транспортных средств с электрической тягой, который мы наблюдаем последние несколько десятилетий обусловлен снижением стоимости, повышением энергоемкости и тяговых характеристик литий-ионных аккумуляторов (ЛИА).
В автомобилестроении наибольшее применение получили несколько типов ЛИА, такие как литий-кобальтовые (LCO), литий-никель-магний-кобальтовые (NMC), литий-марганцовые (LMO), литий-никель-кобальт-алюминиевые (NCA), литий-железо-фосфатные (LFP). Характеристики наиболее распространенных типов ЛИА представлены в табл. 1. Литий-ионные аккумуляторы обладают наивысшей среди существующих плотностью
энергии, высокой плотностью мощности. Благодаря высокой эффективности и хорошим удельным характеристикам они являются основными источниками энергии в транспортных средствах на электротяге.
Таблица 1
Характеристики химических источников тока_
Тип батареи Свинцово-кислотные AGM Литий-титанатные иго Литий-железо-фосфатные LiFePO4 Литий-никель-кобальт-оксид алюминиевые NCA Литий-марганцевые LMO Литий-никель-марганец-кобальтовые NMC
Номинальное напряжение, В 2.0 2.4 3.2-3.3 3.6 3.6-3.7 3.7
Максимальное напряжение, В 2.6 2.8 3.6 4.2 4.2 4.2-4.35
Минимальное напряжение, В 1.5 1.5 2.0-2.5 2.5 2.5-3.0 2.5-2.75
Плотность энергии, Вт*ч/кг 20 60-120 80-140 180-260 150-250 150-230
Плотность энергии, Вт*ч/л =75 =180 180-250 >300 >300 >300
Количество циклов заряда-разряда =200 >5000 >2500 <1000 <1000 >1500
Внутреннее сопротивление 20 Ом =2 мОм =2 мОм =1,5 мОм =2мОм =1 мОм
Эффективность зарядки, % 60 95 95 95 95 95
Рабочая температура от -40 до +60 °С от -40 до +55 °С от -20 до +60°С от -20 до +75 °С от -20 до +60°С от -20 до +60 °С
Саморазряд при 20±5°С =4%/месяц 2-5%/месяц <3%/месяц <1%/месяц 3%/месяц <1%/месяц
Формат ячейки Заполняемая электролитом Цилиндрические /призматические Цилиндрические /призматические Цилиндрические /призматические Цилиндрические /призматические Цилиндрические /призматические
Поскольку аккумулятор должен в течение длительного срока сохранять свои свойства, то для исследования температурных характеристик тяговых аккумуляторных батарей наиболее подходящим типом является LFP.
Основной причиной деградации аккумуляторов при температурах ниже нуля градусов является металлизация лития. Исследования в этой области показывают значительное ухудшение характеристик, так как с ростом отрицательной температуры происходят изменения в проводимости электролита, ухудшается интеркаляция ионов лития, как следствие этого увеличивается внутреннее сопротивление, что приводит к уменьшению емкости и мощности химического источника тока, поэтому для предотвращения этого необходимо выполнять термостатирование аккумуляторных ячеек, что обеспечит оптимальные режимы эксплуатации.
На примере проведенных опытов (рис. 1, 2) видно значительное снижение эффективности при температурах минус 30оС и минус 40оС. Емкость по результатам тестирования снизилась более чем на 30 и 60% соответственно.
Для использования ЛИА в составе систем, предназначенных или допускающих эксплуатацию при температурах ниже 0°С, необходимо применять системы, обеспечивающие терморегуляцию в диапазоне от +5 до +45 °С. Это позволит избежать преждевременной деградации и повреждений ЛИА. Предварительный нагрев батарей до рабочей температуры является важной функцией эффективной системы управления батареями.
В качестве объекта для испытаний, при разработке электротехнической системы термостатирования, была использована тяговая аккумуляторная батарея (рис. 3), состоящая из 96 последовательно соединённых аккумуляторных ячеек, разделенных на 8 модулей, имеющая следующие параметры (табл. 2).
Рис. 1. Результаты эксперимента при температуре -30 °С
s
in
-J »
I ,,
Рис. 2. Результаты эксперимента при температуре -40 °С
Для построения комплексной математической электротехнической системы термостатирования высоковольтных литий-ионных аккумуляторных батарей, проведено двух известных типов конструкций ЛИА с модулями жидкостной и комбинированной системой терморегуляции, получены экспериментальные данные по двум различным конструкциям модуля (рис. 4, 5). Для равномерного распределения нагрева использовались два позисторных нагревательных элемента на каждый модуль. Преиму-
319
ществами позисторных элементов перед другими нагревательными элементами, являются: саморегулирование и энергоэффективность; отсутствие компонентов, увеличивающих вероятность перебоев в работе, что значительно увеличивают степень надёжности нагревателей; напряжение питания от 12 В до 800 В; широкий диапазон температур от 40оС до 280оС; компактная и простая конструкция; высокая удельная мощность; длительный срок службы (не менее 20000 часов непрерывной работы); возможность использования в условиях при повышенных требованиях к пожаро- и взрывозащищён-ности; конфигурирование (сборка) элементов любой формы.
Рис. 3. Тяговая аккумуляторная батарея
Таблица 2
Параметры тяговой аккумуляторной ^батареи_
Емкость (номинальная/минимум), Ач 20/19,6
Максимальное напряжение, В 345,6
Номинальное напряжение, В 316,8
Минимальное напряжение, В 192
Внутреннее сопротивление ГЯ-ЭС, мОм 1.0-1.6
Максимальный ток разряда продолжительный, А 200
Максимальный ток разряда кратковременный (10с), А 600
Температура разряда, °с -30 < тсе11 < +55
Максимальный ток заряда продолжительный, А 50
Максимальный ток заряда кратковременный (10с), А 200
Температура заряда, °с 0<тсе11 < +55
Масса, кг 100
Размеры, мм 939 482х209
Рис. 4. Модуль с гидравлической системой термостатирования
Рис. 5. Модуль с электрическим подогревателем и жидкостным охлаждением
320
Исходя из вышеизложенного, комплексная математическая модель электротехнической системы термостатирования высоковольтных литий-ионных аккумуляторных батарей должна включать в себя: модель аккумуляторной ячейки; модель силовой энергетической установки, включающей в себя модели электропривода, преобразователя электрической энергии, аккумуляторной батареи и системы управления; модель системы термостатирования; модель системы управления термостатированием.
Для разработки модели аккумуляторной ячейки, была использована эквивалентная электрическая схема замещения аккумуляторной ячейки, изображенная на рис. 6.
&
} ¡сг
il -и
i/o
—II—
ri r2
M M M 1—
иа->
Рис. 6. Эквивалентная электрическая схема модели литий-ионного аккумулятора
Выделение тепла единичного аккумулятора рассчитывалось по формуле
Q = l{E0C-E-Td-^-\ (1)
где I - полный ток, А; Eoc - потенциал открытой цепи, В; E - рабочее напряжение, В; T - локальная температура, 0С.
Тепловые и электрические процессы, протекающие при работе аккумулятора описаны на основании схемы замещения ячейки:
ке(273 + G)C1 -SOC), R1 = R10 ыфОС), Ti
Сг = —,
1 Ri
e[A21(l-SOC)]
R2 = Rio T~ 7m\,
1 + еУА22!*)
( vpn \
Em Emo
"pn
/г
VpnGpoe
V
/
Qe(t) =Qe init + I -fm(T)dr, Jo
KcC0*Kt
со, в) =
1 + {Kc-1)~
SOC = 1-DOC = 1-
C(0,e)'
Qe
^ijavgfi") I-m
Iava (rlS + 1)' fPs
m= в init + I --TT^^dT,
Jо
Ca
Vt>
ps= ~^ + i2r0 + i2r2,
R0 = R00[1+Ao(1-SOC)]
(2)
где Em0 -напряжение холостого хода, В; Ke - температурный коэффициент, В/0С; 0 -температура электролита, ОС; SOC - степень заряда, %; Ri - общее сопротивление цепи, Ом; Rio - сопротивление постоянная, Ом; DOC - глубина заряда, о.е.; Ci - емкость цепи, мкФ, остальные обозначения в соответствии с данными источников [3 - 5].
Для полноценного моделирования исходя из реальных режимов движения был подобран ездовой цикл. За основу были взят цикл WLTC так как он основан на статистическом анализе действующего трафика и наилучшим образом соответствует движения транспорта как в городе, так и за его пределами [10] (рис. 7).
Рис. 7. Циклы движения: 1 — цикл движения легкового ТС; 2 - цикл WLTC
Математическое и имитационное моделирование позволило определить границы эффективного использования систем терморегулирования в транспортных средствах на электротяге в зависимости от: степени заряженности, при котором происходит циклирование; разрядно-зарядные токи; температуры аккумулятора.
Переходим к разработке методики расчета низкотемпературного контура предназначенного для обеспечения необходимого температурного режима электронных, электрических и электромеханических компонентов автомобиля.
Одномерный расчет низкотемпературного контура выполнен в программе KULI 10.1. Программный комплекс KULI 10.1 предназначен для проведения 1D моделирования современных сложных технических изделий на макроуровне. Системное 1D моделирование позволяет увидеть поведение объектов на системном (функциональном) уровне. При этом возможно объединение в одну систему подсистем различной физической природы. Это позволяет моделировать современные сложные технические изделия, которые состоят из множества различных подсистем.
Разработка расчетных моделей, составляющих методику, состоит из следующих этапов: определение назначения и функционирования изделия и его частей; составление общей схемы модели и определение внешних воздействий; разработка моделей функционирования отдельных систем и элементов; описание функциональных связей между системами и элементами; разработка алгоритма управления и модели блока управления; тестирование функций отдельных элементов и систем и изделия в целом; проведение виртуальных испытаний.
Для создания модели теплообменного контура используются отдельные функциональные элементы, характеризующиеся набором параметров, которые получены экспериментальным путем. Каждый элемент описан математическими функциями результатом обработки которых является набор конечных параметров, описывающих поведение отдельного элемента при его взаимодействии в составе системы.
Схема низкотемпературного контура представлена на рис. 8.
Математическая модель низкотемпературного контура включает в себя три зависимых контура: CF, A/C и воздушный тракт. Контур CF - контур в котором рабочим агентом выбрана охлаждающая жидкость, состоящая из смеси воды (50 %) и эти-ленгликоля (50%). Контур CF выполнен по замкнутой схеме и включает в себя математические аналоги элементов, включенных в схему, представленную на рис. 9.
Контур А/С - контур, выполненный по открытой схеме, представляет собой часть контура кондиционера. Рабочим телом контура является фреон R134a. В рассматриваемом контуре представлен только испарителем пластинчатого типа.
ряеширытрльнмй
II
с..........
11*1.1 П fi.V.lW.iHlM ОТДГ* Г-11К.Л
rt п«репус>Ф * труба
18. Дтчмк температуры That
Зсна под отделен««
Рис. 8. Схема низкотемпературного контура: 1 — радиатор; 2 — трехходовой клапан; 3 — электромашина; 4 — датчик температуры; 5 — датчик температуры; 6 — инвертор; 7 — датчик температуры;
8 — расширительный бачок; 9 — циркуляционный насос; 10 — преобразователь напряжения DC/DC; 11 — трехходовой клапан; 12 — чиллер; 13 — циркуляционный насос; 14 — топливный подогреватель; 15 — обратный клапан; 16 — датчик температуры; 17 — высоковольтная батарея; 18 — датчик температуры
Simulation parameters
.RAD [I] 1 .nFan 1.CP
HB^iP^aFHB^HEF
21.5610001 ["С]|1]
Puc. 9. Модель низкотемпературного контура
323
В качестве параметров описания контура А/С задаются: скорость вращения компрессора кондиционера, расход фреона и давление в контуре кондиционера, а также удельная энтальпия фреона на входе в испаритель Аналогичным образом описываются и остальные элементы контура.
Входные параметры для расчета циклов задаются табличном виде. В табл. 3 представлены следующие параметры для данной задачи:
Operating point - номер расчетной точки;
PRM Engine - обороты двигателя;
Torque - крутящий момент;
Driving speed - скорость автомобиля;
Warm-up temperature - подогрев воздуха перед решеткой радиатора;
Ambient pressure - давление окружающей среды;
Ambient temperature - температура окружающего воздуха;
Air humidity - влажность воздуха;
Calculate OP - признак проведения расчета.
Таблица 3
Входные параметры для расчета циклов
Variable during simulation
Operating point RPM Engine U/min]... Torque [Nm],„ Driving speed [km/h]... Warm-up temperature [KJ_ Ambient pressure [hPa]... Ambient temperature ra- Air humidity 14- Comment Calculate OP
1 480 179.48 25 0 1013 30 50 Ves
2 720 179111 30 0 1013 30 50 Yes
3 950 179.082 40 0 1013 30 50 Yes
4 1190 179.024 50 0 1013 30 50 Yes
5 1430 178.925 61 0 1013 30 50 Yes
6 1670 178.738 70 0 1013 30 50 Yes
7 1910 157.002 80 0 1013 30 50 Yes
8 2390 125.768 90 0 1013 30 50 Yes
9 2630 114.02 101 0 1013 30 50 Yes
10 2860 104.015 112 0 1013 30 50 Yes
11 3100 95.8025 120 0 1013 30 50 Yes
12 3340 893711 133 0 1013 30 50 Yes
13 3580 82.8901 140 0 1013 30 50 Yes
14 3820 76.9513 150 0 1013 30 50 Yes
15 4060 71.6378 160 0 1013 30 50 Yes
16 4300 66.4661 170 0 1013 30 50 Yes
17 4540 621619 181 0 1013 30 50 Yes
18 4650 56 190 0 1013 30 50 Yes
В ходе выполнения работы по созданию расчетной модели низкотемпературного контура были определены гидравлические параметры контура при различных внешних условиях и оптимальные режимы работы циркуляционных насосов и вентилятора для обеспечения эффективного теплосъема с аккумуляторных ячеек.
Разработанная модель описывает взаимосвязи и влияние основных факторов на теплораспределение и позволяет вычислить требуемую мощность и время необходимое для обеспечения работоспособного состояния ТАБ в зависимости от температуры.
Практическим результатом проведенных исследований систем термостатиро-вания является разработанная система управления и поддержания рабочего диапазона температур высоковольтных аккумуляторных батарей.
Таким образом, в работе разработана комплексная математическая модель системы термостатирования для проведения качественной и количественной оценки эффективности работы тяговых аккумуляторных батарей.
Список литературы
1. Козловский, В. Комплексная оценка удовлетворенности потребителей качеством автомобилей / В. Козловский, В. Строганов, С. Клейменов // Стандарты и качество. 2013. № 5. С. 94-98.
2. Козловский В.Н. Методология анализа и прогнозирования качества автомобилей в эксплуатации / В.Н. Козловский, Д.В. Антипов, А.В. Заятров // Актуальные проблемы экономики. 2016. Т. 186. № 12. С. 387-398.
3. Кондратьев А.С. Расчет скорости стесненного осаждения монодисперсных твердых частиц / А.С. Кондратьев, Т.Л. Ньа // Изв. МГТУ «МАМИ». Естест. науки. 2015. № 4(26). Т. 4. С. 78-81.
4. Кондратьев А.С. Основы расчета гидродинамических параметров при движении жидкости с монодисперсными крупными твердыми частицами в вертикальных трубах / А.С. Кондратьев, Т.Л. Ньа // Фундаментальные исследования. 2016. № 9. С. 3541.
5. Кондратьев А.С. Расчет коэффициента гидравлического сопротивления твердых частиц произвольной формы / А.С. Кондратьев, Т.Л. Ньа, П.П. Швыдько // Фундаментальные исследования. 2016. № 16. С. 286-292.
6. Козловский В.Н. Моделирование электрооборудования автомобилей в процессах проектирования и производства: монография / В.Н. Козловский; Федеральное агентство по образованию, Тольяттинский гос. ун-т. Тольятти, 2009.
7. Козловский В.Н. Обеспечение качества и надежности системы электрооборудования автомобилей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук // Моск. гос. автомобил.-дорож. ин-т (техн. ун-т). Тольятти, 2010.
8. Petrovski S.V. Intelligent diagnostic complex of electromagnetic compatibility for automobile ignition systems / S.V. Petrovski, V.N. Kozlovski, A.V. Petrovski, D.F. Skripnuk, E. Telitsyna // В сборнике: Reliability, Infocom Technologies and Optimization (Trends and Future Directions). 6th International Conference ICRITO. 2017. С. 282-288.
9. Козловский В.Н. Комплекс электронных систем управления движением легкового автомобиля с комбинированной силовой установкой. Часть 2. / В.Н. Козловский, В.И. Строганов, В.В. Дебелов, М.А. Пьянов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. Т. 10. № 2. С. 19-28.
10. Panyukov D.I. Highlights of Russian experience in implementing ISO/TS 16949 / D.I. Panyukov, V.N. Kozlovskiy // Life Science Journal. 2014. Т. 11. № 8s. С. 439444.
Якунов Дмитрий Михайлович, заведующий сектором функционального тестирования накопителей энергии, dmitry.yakunov@nami.ru, Россия, Москва ГНЦРФ ФГУП «НАМИ»,
Дебелов Владимир Валентинович, канд. техн. наук, заведующий отделом, debelovvladimir@yahoo.com, Россия, Москва, ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»,
Стручков Владимир Сергеевич, заведующий сектором архитектуры и управляющих алгоритмов накопителей энергии, v.struchkov@nami.ru, Россия, Москва, ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, Kozlovskiy-76@mail.ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Саксонов Александр Сергеевич, аспирант, alex eleciriciairamail. ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
DEVELOPMENT OF ELECTRICAL THERMOSTATING SYSTEM OF HIGH-VOLTAGE LITHIUM-ION AUTOMOTIVE BATTERIES
D.M. Yakunov, V.V. Debelov, V. S. Siruchkov, V.N. Kozlovsky, A.S. Saxonov
325
The paper presents the results of the development of an integrated mathematical model of an electrical system for thermostating high-voltage lithium-ion automobile storage batteries.
Key words: car; electrical system; rechargeable battery, mathematical modeling.
Yakunov Dmitry Mikhailovich, head of department, dmitry.yakunov@nami.ru, Russia, Moscow, SSC RF FSUE «NAMI»,
Debelov Vladimir Valentinovich, candidate of technical sciences, head of department, debe-lovvladimir@yahoo.com, Russia, Moscow, SSC RF FSUE «NAMI»,
Struchkov Vladimir Sergeevich, head of department, v.struchkov@nami.ru, Russia, Moscow, SSC RF FSUE «NAMI»,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, Kozlovskiy-76@mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Saksonov Alexander Sergeevich, postgraduate, alex_electrician@mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 621.313.126 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-326-330
УСТРОЙСТВО РЕЗЕРВНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ТУРБОГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ РЕАКТИВНО-ВЕНТИЛЬНОГО
ГЕНЕРАТОРА
В.М. Степанов, Д.А. Карпунин
Представлено устройство резервирования системы возбуждения синхронного турбогенератора.
Ключевые слова: резервная система возбуждения, синхронный турбогенератор, реактивно-вентильный генератор.
Техническое решение относится к области генерирования электрической энергии электрическими машинами и касается особенностей устройства управления возбуждения генератора, применяемых на электрических станциях.
В качестве аналога взята схема зависимого косвенного возбуждения, приведённая на рисунке и описанная в работе [1]. Рассматривая система возбуждения состоит из синхронного генератора, обмотки возбуждения синхронного генератора, возбудителя постоянного тока, трансформатора собственных нужд, шин собственных нужд, электродвигателя и механической связи. Трансформатор собственных нужд в нормальном режиме работы генератора обеспечивает электрической энергией систему шин собственных нужд, от которой получает электропитание электродвигатель, передающий момент с помощью механической связи возбудителю постоянного тока. Который в свою очередь преобразует механическую энергию вращения в постоянный ток, питающий обмотку возбуждения основного генератора.
326
