Повышение энергоэффективности аккумуляторов и аккумуляторных батарей на железнодорожном транспорте

Основной автономный источник электроэнергии для запуска всех типов двигателей, питания цепей управления и резервного питания любых энергопотребителей на железнодорожном транспорте — электрохимические аккумуляторы и составленные из них аккумуляторные батареи.

Как и во всех отраслях промышленности, здесь используются аккумуляторы трех типов (классов): быстрого (Н), среднего (М) и длительного (L) разряда.

Аккумуляторы быстрого разряда применяются как стартерные — для запуска двигателей внутреннего сгорания тепловозов, рефрижераторных секций, мотрис, дизель-поездов и стационарных энергоагрегатов.

Аккумуляторы класса «М» широко используются как основной источник электропитания в пассажирских вагонах и рефрижераторных секциях при низких скоростях движения и на стоянках.

Третий класс аккумуляторных батарей (L) применяется как резервный источник в агрегатах бесперебойного питания при основной сети переменного тока или в буфере с основным электроисточником постоянного тока в устройствах сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) и связи, а также во вспомогательных низковольтных цепях электроподстанций и других стационарных установок железнодорожного транспорта. Пока работает основной источник энергии, батарея находится в режиме подзаряда, а при выходе из строя или временного отключения источника используется для питания ответственных электропотребителей.

Все аккумуляторы и батареи, в том числе применяющиеся на железнодорожном транспорте, разделяются по типу используемой электрохимической системы, как правило, щелочной или кислотной.

Выбор системы зависит от того, на каком объекте применяется аккумулятор и какой класс разряда требуется в данном случае.

Так, мощные кислотные аккумуляторы лучше всего использовать в качестве стартерных. В качестве тяговых аккумуляторов (среднего класса разряда) предпочтительнее применение щелочных, особенно никель-кадмиевых батарей. Они более надежны при низких температурах и обладают большим сроком службы. При этом свинцово кислотные аккумуляторы тех же габаритов и мощности отличаются значительно меньшей стоимостью.

Проблема заключается в том, что рабочая емкость всех основных типов и классов аккумуляторов и собранных из них батарей при низких наружных температурах значительно снижается. Это приводит к необходимости долива дистиллированной воды в жаркое время года и периодическому проведению восстановительных зарядных циклов, требующих снятия батарей с подвижного состава, что увеличивает эксплуатационные расходы.

Помимо этого, хронический недозаряд аккумуляторов при отрицательных температурах приводит к необратимой потере рабочей емкости и быстрому выходу аккумуляторов из строя из-за пассивации активных масс электродов у щелочных батарей и сульфатации — у кислотных.

Усугубляет проблему то, что все используемые на железной дороге типы аккумуляторов созданы для других отраслей промышленности, где система и сам процесс заряда отличаются от условий работы на железнодорожном транспорте, особенно на подвижном составе.

Повышение энергоэффективности аккумуляторов и аккумуляторных батарей на железнодорожном транспорте

Еще большие трудности выявились при попытках использования на железнодорожном транспорте более перспективных аккумуляторов закрытого типа, называемых еще необслуживаемыми. Герметизированные батареи нескольких зарубежных аккумуляторных фирм были испытаны на подвижном составе и некоторых стационарных установках железнодорожного транспорта. Надежно необслуживаемые аккумуляторы работали только в качестве резервных источников питания. При работе же на подвижном составе, особенно в пассажирских вагонах, герметизированные аккумуляторы или полностью выходили из строя, или за полгода теряли более половины мощности.

Хуже всего показали себя аккумуляторы с гелиевым электролитом, которые не рассчитаны на быстрый и постоянно повторяющийся заряд и разряд. К тому же их реальная емкость при отрицательных наружных температурах невысока.

Существует и другой тип герметизированных аккумуляторных батарей (в основном свинцовых). В них за счет использования сепараторов типа АGМ обеспечивается рекомбинация газовых носителей (водорода и кислорода), выделяющихся при заряде любых аккумуляторов, и уменьшается газовыделение за счет использования свинцово кальциевых сплавов в электродах.

Как показали исследования авторов, тип аккумуляторов с рекомбинацией газовых носителей при положительных температурах (до +40 °С) способен устойчиво работать в условиях зарядно-разрядных циклов, но имеет очень низкую реальную емкость при низких температурах. Это значит, что и этот тип аккумуляторов непригоден для использования на железнодорожном транспорте в российском климате.

Из сказанного выше следует, что назрела необходимость разработки универсального необслуживаемого аккумулятора для железнодорожного транспорта России. Такие аккумуляторы и батареи должны быть способны работать во всех климатических зонах в течение 8~10 лет в режиме постоянного заряда и разряда и с отдачей по емкости до 50 % от номинала. При этом главный энергетический показатель — коэффициент отдачи универсальных аккумуляторов (отношение отданной емкости при разряде к величине емкости, полученной при заряде) — должен быть увеличен при отрицательных температурах в 10~15 раз по сравнению с тем же показателем зарубежных герметизированных аккумуляторов.

Как показали исследования специалистов ОАО «ВНИИЖТ» и ООО «Транспорт» (г. Москва), подобные характеристики для закрытого типа аккумуляторов могут быть достигнуты за счет внутреннего нагрева воздуха портативным нагревательным элементом, подключаемым специальным терморегулятором к борнам (клеммам) аккумулятора при температуре ниже –10 °С и расположенным внутри аккумулятора.

Повышение энергоэффективности аккумуляторов и аккумуляторных батарей на железнодорожном транспорте

Рис. 1

При этом габариты аккумулятора не должны увеличиваться, а питание нагревательного элемента от аккумулятора должно осуществляться только в процессе его заряда с диапазоном напряжения 2,5÷2,75 В (для аккумуляторов кислотной системы), и 1,4÷1,7 (для щелочной системы). Таким требованиям в настоящее время не соответствует ни один аккумулятор, используемый на железнодорожном транспорте при работе во всех климатических зонах России.
Решение поставленных выше задач достигнуто в результате исследований ОАО «ВНИИЖТ» и ООО «Транспорт» (г. Москва), специализирующихся в том числе на разработке и совершенствовании железнодорожного энергетического оборудования.

Совместными усилиями был создан универсальный герметизированный аккумулятор на базе сепараторов АGМ, обеспечивающий полную рекомбинацию газовых носителей практически при любой наружной температуре (от –45 °С до +40 °С). Для обеспечения работы при низких наружных температурах в донную часть (под подставку блока электродов) обычного призматического свинцово кислотного аккумулятора был введен электронагреватель мощностью 30÷35 Вт ленточного типа из свинцового сплава с кислостойкой изоляцией, автоматически подключаемый к борнам при низких наружных температурах.

Терморегулятор выполнен на основе электронного блока, что обеспечивает эффективную работу аккумуляторов при движении подвижного состава, а стационарных установок — при их питании от батарей при температуре около 0 °С. Достигается это за счет эффективной работы активных масс электродов при низких положительных температурах, делающих их работу эквивалентной обычным аккумуляторам без внутреннего подогрева при наружной температуре 0~+5 °С.

Как уже упоминалось, управление работой нагревательного элемента осуществляется электронным коммутатором, смонтированным на печатной плате, основным элементом которой является специальный терморегулятор (резистивный датчик температуры внутри аккумулятора), обладающий способностью резко увеличивать свое сопротивление при температурах наружного воздуха ниже 0 °С. Терморегулятор массой 150 г имеет габариты 50×70×10 мм и крепится над крышкой аккумулятора (на рис. 1 показана конструкция созданного аккумулятора).

Повышение энергоэффективности аккумуляторов и аккумуляторных батарей на железнодорожном транспорте

Рис. 2

При этом расчеты показывают, что при использовании разработанного устройства управления внутренним нагревом стоимость аккумуляторов мощностью 100 А•ч и больше возрастает всего на 5–7 %. Всесторонние испытания опытных образцов созданных аккумуляторов (PzV350P) показали, что при температуре –20 °С емкость аккумуляторов в три раза превышает емкость зарубежных аккумуляторов аналогичной мощности в тех же условиях. При температуре –40 °С емкость отечественной разработки превышает показатели аналогов в 10 раз! Отдача у опытных аккумуляторов при разряде номинальным стабильным током 60 А составляет 160 А∙ч, что больше, чем у аккумуляторов открытого типа, в 4–5 раз при аналогичных условиях заряда.

На рис. 2 и 3 приведены характеристики изменения разрядного тока и напряжения для известных аккумуляторов с рекомбинацией газовых носителей, но без устройства внутреннего подогрева при наружной температуре –40 °С (рис. 2) и разработанной новой конструкции герметизированного аккумулятора (рис. 3).

Повышение энергоэффективности аккумуляторов и аккумуляторных батарей на железнодорожном транспорте

Рис. 3

Значительное увеличение реальной емкости позволяет резко поднять основные энергетические характеристики аккумуляторов: увеличить надежность работы при отрицательных наружных температурах, сократить стоимость жизненного цикла за счет увеличения срока службы, а также увеличить комфорт пассажиров в вагонах, при этом упростив работу обслуживающему персоналу.

Представленная конструкция приемлема для всех классов кислотных и щелочных аккумуляторов, как с электролитом, так и без него.

Особенно эффективна конструкция с автономным подогревом для аккумулятора стартерного типа — как открытого, так и закрытого. В этом случае резко увеличиваются рабочая емкость и надежность пуска двигателей при низких наружных температурах после длительного простоя подвижного состава (тепловозов, мотрис, дизель-поездов), а также всего гражданского и военного автотранспорта в условиях работы в северных и горных районах.

Увеличение стоимости универсальных аккумуляторов на 5–10 % полностью окупается за счет увеличения срока службы.

Авторы

Науменко С.Н.

Доктор технических наук, заведующий комплексным отделением «Электрификации и энергоснабжение железных дорог» ОАО «ВНИИЖТ»

Калинкин Е.И.

Кандидат технических наук, технический директор ООО «Транспорт»

Правила использования статей