CC BY
203
Key words: hoisting transport machines, gravity loaders, bulk cargo, windage of particles.
Alekseev Anton Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, antonvla-dim@,mail.ru, Russia, Samara, Samara State Transport University,
Shishchenko Elena Vyacheslavovna, candidate of pedagogical sciences, docent, makeeva-ev@mail. ru, Russia, Samara, Samara State Transport University
УДК 629.113
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯГОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
А.С. Ганова, Р.Н. Хмелев
Работа посвящена анализу характеристик тяговых аккумуляторных батарей, применяемых в конструкции современных электромобилей. Приведены схемы подключения, преимущества и недостатки различных типов аккумуляторных батарей и сформулированы перспективы их дальнейшего развития.
Ключевые слова: электромобиль, тяговая аккумуляторная батарея, схемы подключения, характеристики тяговых аккумуляторов.
Актуальность работы обусловлена тем, что одной из основных проблем современных электромобилей являются высокая стоимость и низкие эксплуатационные характеристики тяговых аккумуляторных батарей. Эта проблема является основным сдерживающим фактором, препятствующимширокому распространению электромобилей [1-3].
Электромобили имеют ряд преимуществ по сравнению с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). К достоинствам электромобилей относятся следующие:
отсутствие вредных выхлопов, которые являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды;
существенно меньший уровень шума;
надежность и долговечность двигателя при его долговременной эксплуатации; высокий КПД электродвигателя (около 95 %). Недостатками электромобилей являются: высокая стоимость тяговой АКБ;
существенное влияние условий окружающей среды (температуры) на емкость
батареи;
большая масса транспортного средства;
сравнительно небольшой запас хода на одной зарядке тягового аккумулятора. В электромобилях применяются два типа АКБ. Стартерный используется как вспомогательный источник энергии для запуска двигателя, освещения, подогрева и других целей. Тяговый является основным источником электроэнергии, необходимой для питания электродвигателя.
Выделяют несколько основных видов тяговых АКБ:
свинцово-кислотный;
никель-кадмиевый;
никель-металлогидридный;
литий-ионный.
Целью данной работы является сравнительный анализ характеристик применяемых тяговых аккумуляторов и перспектив их развития.
Свинцово-кислотные аккумуляторы получили широкое распространение благодаря своей доступной стоимости и достаточной удельной мощности. Принцип работы этих аккумуляторов основан на химической реакции РЬ (свинца) и РЬСЬ (диоксида свинца) в водном растворе H2SO4 (серной кислоты). При разряде происходят следующие химические реакции слева направо, а при заряде реакция идет в обратном направлении:
На аноде: РЪ02 + S0|~ + 4Я+ + 2е~ <-> PbS04 + 2Н20.
На катоде: РЬ + - 2е~ <-> PbS04.
Рабочая температура аккумулятора имеет достаточно широкий диапазон: от -40 до +40°С. При снижении температуры окружающей среды их параметры ухудшаются: батареи не обеспечивают надежность пуска двигателя и не способны принимать заряд от генератора. Главное условие эксплуатации - не допускать разряженности аккумулятора ниже 50 % его емкости, так как это значительно уменьшает срок его службы. Одним из главных недостатков этих батарей является то, что они занимают 25...50 % от всей массы транспортного средства [4].
У никель-кадмиевых аккумуляторов есть значительное преимущество по сравнению со свинцово-кислотными - больший срок службы (при правильной эксплуатации 100-900 циклов заряда-разряда, что составляет около 20-25 лет). Химическим источником тока является №(ОН)г (гидрат закиси никеля) с графитовым порошком (5... 8 %). Принцип действия основан на обратимой химической реакции. Заряд аккумулятора осуществляется при ходе реакции слева направо, разряд-справа налево.
2Ж(ОН)2 + Cd(OH)2 <-> 2NiOOH + Cd + 2Н20.
Рабочая температура имеет больший диапазон, чем у свинцово-кислотных АКБ от -50 до +40 °С. Главное преимущество этих батарей заключается в том, что они могут храниться в разряженном состоянии, в отличие от никеле-солевых и никель-металл-гидридных, для которых необходимо поддерживать заряженное состояние. Так же как и свинцово-кислотные, они имеют низкую стоимость. Одним из недостатков является так называемый «эффект памяти». Этот процесс проявляется, когда аккумулятор заряжают раньше, чем он успел разрядиться. В этом случае в электрохимической системе аккумулятора появляется «лишний» электрический слой, из-за чего напряжение снижается на 0,1 В [4, 5].
В настоящее время использование рассматриваемых АКБ ограничено, так как они оказывают отрицательное влияние на экологию (токсичность используемых материалов значительно превышает нормы).
Никель-металлгидридный аккумулятор был разработан для замены никель-кадмиевого. Он имеет большую емкость (примерно на 20 %), но меньший срок службы (300-500 циклов заряда-разряда). Преимуществом рассматриваемых АКБ является значительно меньший «эффект памяти». Это означает, что заряжать не полностью разряженный аккумулятор можно, при этом образование «лишних» слоев исключено. Химическим источником тока является обратимая реакция гидрида никель-лантана или никель-лития. Заряд происходит при прямой реакции справа налево, разряд - в обратном направлении:
Ni(OH)2 + M <-> NiOOH + МН
Никель-металлгидридные АКБ наиболее экологичны, так как не имеют токсичных компонентов. Обладают хорошей работоспособностью при низких температурах. Диапазон рабочей температуры от -40 °С до +55 °С. При отрицательной температуре потеря мощности не более 1 2%, в то время как у других АКБ 20-30 %. К недостаткам относят плохую переносимость высоких температур (20-30 °С), большую стоимость по сравнению с никель-кадмиевыми батареями, величину саморазряда, которая в 1,5 раза выше, чем у других аккумуляторов [4, 5].
Литий-ионные батареи получили широкое распространение в ноутбуках, телефонах и других устройствах. В последнее время эти АКБ набирают популярность в современном электромобилестроении. Такие аккумуляторы обладают высокой удельной энергией (от 200 Втч/кг) и эффективностью заряда. Срок эксплуатации литий-ионных АКБ выше, чем у остальных - не менее 1000 циклов заряда-разряда (или не менее 10 лет).
Преимуществами рассматриваемого типа АКБ принято считать минимальный саморазряд (не более 3 %), отсутствие необходимости в дополнительном обслуживании и малый вес по сравнению с другими АКБ. Недостатки этого типа АКБ не дают занять лидирующую позицию на рынке. Это рабочая температура от -20 °С до +50 °С и высокая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды. При понижении температуры у аккумулятора резко снижается способность отдавать энергию, в этом они уступают свинцово-кислотным батареям. Заряжать их не рекомендуется при температурах ниже 0 °С. При температурах выше 60 °С наступает перегрев, что может привести к взрыву и пожару [3-6].
Ежегодно популярность электромобилей набирает обороты, поэтому вопрос усовершенствования аккумуляторных батарей становится все актуальнее. Выбор типа тягового аккумулятора для электрического транспорта зависит от его технических характеристик: напряжения, емкости, массы, силы зарядного и разрядного токов и коэффициента полезного действия.
В таблице представлена сравнительная характеристика различных типов тяговых АКБ для электромобилей.
Сравнительная характеристика тяговых АКБ
Характеристика Свинцово-кислотный Никель-кадмиевый Никель-металлгидридный Литий-ионный
Внутренне сопротивление Очень низкое Очень низкое Низкое Низкое
Количество циклов заряда/разряда 300-500 100-900 300-500 800-1500
Саморазряд в месяц 5 % 20 % 30 % до 5 %
Допустимая температура окружающей среды в процессе заряда 0т-20 °С до 50 °С От 0 °С до 45 °С От 0°С до 45 °С
Рабочая температура -20 ... 50 °С -50 ... 40 °С -40 ... 55 °С -20 ... 50 °С
Токсичность Очень высокая Очень высокая Низкая -
Обслуживание + + - -
Эффект памяти - + - -
Стоимость Низкая Умеренная Высокая Высокая
Применяемые на электротранспорте батареи состоят из ряда соединенных элементов (банок), которые имеют напряжение кратное двум. С учетом многообразия конструкций современных электромобилей необходимо иметь различные комбинации характеристик применяемых АКБ. Это достигается последовательным и параллельным соединением аккумуляторов. Последовательное подключение применимо в тех случаях, когда необходимо получить большее напряжение при неизменной емкости АКБ. Отдельные элементы (банки) соединяются поочередно (положительная клемма одного аккумулятора с отрицательной клеммой другого). Общее напряжение можно вычислить по формуле:
иобщ = иэл 'п ,
где иэл - напряжение на зажиме элемента; п - число элементов.
Параллельное соединение применимо в случаях, когда необходимо получить большую емкость АКБ при неизменном напряжении. В этом случае все положительные клеммы соединяются вместе, образовывая положительный заряд, аналогично соединяются отрицательные клеммы [4].
На рисунке приведены принципиальные схемы последовательного и параллельного соединений тяговых АКБ.
Принципиальные схемы последовательного и параллельного подключений АКБ [4]
На основе проведенного сравнительного анализа тяговых АКБ можно сделать следующие выводы:
свинцово-кислотные АКБ обладают самой низкой стоимостью, имеют большие габаритные размеры и требуют обслуживание каждые 3 - 6 месяцев;
никель кадмиевые АКБ обладают большим количеством зарядно/разрядных циклов, устойчивы к низким температурам, но имеют негативный «эффект памяти»;
никель-металлгидридные АКБ обладают больше величиной саморазряда, чем никель-кадмиевые батареи и плохо переносят пониженные температуры;
из рассмотренных АКБ наиболее перспективными являются литий-ионные, так как обладают высокой энергоемкостью, большим количеством циклов заряда/разряда и наиболее экологичны.
Список литературы
1. Карамян О.Ю., Чебанов К. А., Соловьева Ж. А. Электромобиль и перспективы его развития // Фундаментальные исследования, 2015. № 15. С. 696-696.
2. Тиматков В.В. Электромобиль - предвестник грядущего электрического мира // ТЭК XXI Века: тенденции и прогнозы. 2016. Вып. 3. С. 86-97.
3. Иванов С. А., Асадов Д.Г. Анализ рынка и тенденции развития литий-ионных аккумуляторов и электромобилей // Международный технико-экономический журнал. 2011. № 1. С. 119-122.
4. Выбор и эксплуатация аккумуляторов для автономного и резервного электроснабжения. [Электронный ресурс] URL: www.invertor.ru/akb.htm (дата обращения: 17.10.2020).
5. Наука, техника, товары. Информационно-образовательный портал. [Электронный ресурс] URL: https://bcoreanda.com/ShowArticle.aspx?ID=13640 (дата обращения: 17.10.2020).
6. Оспанбеков Б.К. Оптимизация ресурсоопределяющих эксплуатационных режимов тяговых аккумуляторных батарей электромобилей: дисс. ... канд. техн. наук. М., 2017. 170 с.
Ганова Анастасия Сергеевна, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хмелев Роман Николаевич, д-р техн. наук, профессор, aiah@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPARAYIVE ANALYSIS OF GHARA C TERISTICS OF TRACTION BATTERIES FOR
MODERN ELECTRIC VEHICLES
A.S. Ganova, R.N. Khmelev 321
The article is devoted to the analysis of the characteristics of traction batteries used in the design of modern electric vehicles. Connection diagrams, advantages and disadvantages of various types of batteries are given, and prospects for their further development are formulated.
Key words: electric vehicle, traction battery, connection diagrams, characteristics of traction batteries.
Ganova Anastasia Sergeevna, student, epik_99@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khmelev Roman Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, aiahayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 629.4
РАСПОЗНАВАНИЕ ДИАГНОЗОВ НЕИСПРАВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
П.В. Губарев, АС. Шапшал, ВВ. Шабаев
В статье использован метод технической диагностики Байеса для распознавания диагнозов неисправности технической системы на примере работы тягового двигателя локомотива в различных режимах работы. По условию вероятности выхода из строя тягового двигателя для холостого, продолжительного и часового режима, соответственно равны р1 = 0,05; р2 = 0,1; р3 = 0,7
Ключевые слова: метод, техническая диагностика, вероятность диагноза, локомотив, тяговый двигатель, отказ.
Отказы технических систем возникают по ряду причин: вследствие несовершенства конструкции (например, при конструировании не были учтены «пиковые» нагрузки), возникновения технологических дефектов и дефектов, образовавшихся в результате нарушения правил эксплуатации и постепенного накопления повреждений (постепенного старения или изнашивания), а также комбинации перечисленных причин. Для повышения надежности продукции машиностроения важно и необходимо при производстве изделий организовывать системы входного и выходного контроля, основанные на применении методов неразрушающего контроля. Своевременное распознавание скрытых дефектов позволит вовремя принять управляющее решение (или комплекс управляющих решений), направленное на улучшение технологического процесса. Часть технологических дефектов, не обнаруженных в процессе контроля на отдельных этапах технологического процесса, может не проявится в первые часы работы изделия, но стать причиной его преждевременного отказа в сфере эксплуатации [1-6].
На этапе эксплуатации жизненного цикла изделия машиностроения важно уметь правильно организовывать процедуры технического диагностирования и обрабатывать результаты выполненного контроля с целью точного определения причин неисправности системы и предотвращения возникновения рисков «ложной тревоги» и «пропуска цели» [7-10].
Основным преимуществом статистических методов распознавания неисправностей технической системы является возможность одновременного учета диагностических признаков различной физической природы, так как они характеризуются безразмерными величинами - вероятностями их появления при различных состояниях системы.
