Admin

Ионисторные накопители энергии в системах тягового подвижного состава

Кандидаты технических наук, РУТ (МИИТ)
С.П. КАЛУГИН, доцент кафедры «Электропоезда и локомотивы»,
И.И.ЛОБАНОВ, заведующий лабораторией «Локомотивы»

В настоящее время инновационные элементы, основанные на применении нанотехнологий, все шире находят свое применение на тяговом подвижном составе (ТПС) железных дорог. В публикуемой статье речь пойдет об одной из таких технологий — ионисторных накопителях энергии, называемых также суперконденсаторами. Подробно рассмотрены проблемы запуска ТПС в работу и пути их решения.

Многие проблемы, с которыми сталкивается техника, решаются при помощи накопителей энергии. Различные типы накопителей известны давно, однако только развитие этой технологии за последние 10 лет привело к созданию изделий, обладающих достаточно высокими характеристиками для того, чтобы удовлетворить требованиям эксплуатации.


Достаточно вспомнить аккумуляторный локомотив ЛАМ-01, созданный на базе тепловоза ЧМЭЗ, основные недостатки которого были связаны с примененной на нем свинцово-кислотной аккумуляторной батареей. Накопители энергии также успешно применяются на автомобильном транспорте в составе гибридных силовых установок. Так, были построены автобусы ЛиАЗ-5292 с разными вариантами гибридных схем, в которые, помимо аккумуляторов, входят суперконденсаторы (называемыетакже ионисторами или конденсаторами с двойным электрическим слоем).

ОФОРМЛЕНИЕ ВЫХОДА УЧАСТНИКА ИЗ ООО - https://bexperts.ru/vyhod-iz-ooo/

Особенностью ионисторов (суперконденсаторов) (рис. 1) в сравнении с аккумуляторами является способность чрезвычайно быстро принимать и отдавать энергию, сохраняя при этом высокий КПД. Лучшие литий-ионные аккумуляторы могут отдать свой запас энергии за 30 мин, конденсаторы же — за 5 — 7 с, а в режиме короткого замыкания — за 0,5 — 1 с, причем без ущерба для срока службы, если не допускается перегрев (т.е. если такие интенсивные разряды происходят не слишком часто). Это свойство, помимо применения в силовых цепях для сглаживания бросков мощности с характерным временем порядка минуты (разгон и торможение), оказывается особенно полезным на тепловозах при пуске дизеля.

Ряд двигателей, преимущественно тепловых (как поршневых, так и газотурбинных), не может работать со сколь угодно малой интенсивностью рабочего процесса, ограничен минимально устойчивым режимом работы и, в отличие, например, от электромоторов, имеет режим холостого хода, на котором топливо потребляется в отсутствие нагрузки лишь для поддержания готовности двигателя эту нагрузку принять. Кроме того, перевод двигателя из состояния покоя в режим холостого хода требует сообщения двигателю некоторой энергии.

Для дизельного двигателя при пуске должны выполняться два условия: стартер должен создавать вращающий момент, преодолевающий первую компрессию, и сообщать двигателю энергию, равную сумме энергии механических потерь в двигателе и кинетической энергии движущихся частей двигателя. Мощность стартера будет определяться продолжительностью пуска, но не меньше мощности механических потерь при минимально устойчивой частоте вращения. Чем короче продолжительность пуска, тем больше нужна мощность стартера и тем больше (при внешнем подводе энергии) будет вращающий момент; именно опасностью сломать коленчатый вал ограничена минимальная продолжительность пуска.

Проблемы запуска двигателей решаются по-разному.

Пневмопуск, как внутренний подвод энергии, гораздо меньше нагружает коленчатый вал и имеет ряд других преимуществ: требующиеся для него золотник и пусковой баллон гораздо проще электростартера, он искробезопасен и поэтому пожаробезопасен, и теоретически так же, как и электрический накопитель может использоваться в качестве тягового, обеспечивая рекуперативное торможение (дизель при этом будет работать в качестве компрессора). Однако недостатки пневмопуска — сравнительно большой объем пускового баллона и низкий КПД (при создании запаса сжатого воздуха большая часть работы сжатия теряется в виде тепла) — не позволили ему найти широкое применение. Повысить его КПД также не удается — увеличение степени расширения пневмодвигателя приводит к обмерзанию каналов золотника, а предварительный подогрев воздуха настолько усложняет и удорожает систему, что ее применение становится практически нецелесообразным. Тем не менее, расчеты показывают, что баллон сжатого воздуха в сочетании с теплоаккумулятором и тепловым насосом имеет удельную энергоемкость, сравнимую с литий-железо-фосфатными аккумуляторами.

Пневмопуск нашел широкое применение на часто перезапускаемых, в том числе реверсивных, двигателях, коленчатый вал которых может вращаться в обоих направлениях для изменения направления движения, современных высокоэкологичных системах «стоп-старт» с рекуперацией энергии. Также пневмопуск незаменим на крупных двигателях, где применение электростартера затруднительно, а также на технике, длительно стоящей без подзарядки в мобильном резерве: ведь воздух в закрытых баллонах может храниться практически неограниченное время. На ряде тепловозных дизелей (крупных, высокомощных) пневмопуск используется как резервный или как основной.

Инерционный пуск (при помощи маховикового накопителя), применявшийся одно время на тракторах, при своей простоте неудобен в эксплуатации, поскольку требует раскрутки (подготовки к пуску) непосредственно перед пуском и не может хранить энергию дольше долей часа. Лучшие современные маховиковые накопители имеют саморазряд порядка 1 — 2 % в сутки, но это достигается чрезвычайным усложнением конструкции, вакуумированного кожуха и сложной системы подвеса. По этим причинам инерционный пуск в настоящее время не распространен.

Широко используемые на различной технике, в том числе железнодорожной, пусковые двигатели («пускачи») на тяговом подвижном составе ОАО «РЖД» распространение не получили. К тому же, этот способ пуска в настоящее время считается несовременным. Остается весьма популярным ручной запуск малогабаритных двигателей во многих сферах деятельности, таких как различные мини-установки, генераторы.

В настоящее время наиболее распространенным является электростартерный (рис. 2) пуск от бортовой аккумуляторной батареи. Этот вид пуска обладает определенной совокупностью достоинств и недостатков. Он обеспечивает постоянную готовность к пуску в автономных условиях (без подзарядки) на протяжении до нескольких недель, быстрый пуск (единицы — десятки секунд) и сравнительно высокие энергетические показатели при умеренной конструктивной сложности.

Процесс пуска тепловозного дизеля продолжается обычно от 6 до 20 с, и столь малая продолжительность вынуждает применять аккумуляторную батарею с большим запасом по емкости. Но даже несмотря на этот запас, она работает в тяжелых условиях, с малой отдачей по ватт-часам и имеет невысокий срок службы, обычно не превосходящий два-три года. Длительные стоянки тепловоза (например, без работы, в ожидании ремонта) сопровожнаются заметным саморазрядом батареи, сульфатацией пластин и снижением ее емкости. Тепловозы, стоящие в резерве, по этой причине не могут находиться в состоянии готовности к пуску — из аккумуляторных батарей, подготовленных для длительного хранения, должен быть слит электролит либо сами батареи должны быть сняты с тепловоза.


Щелочные (железо-никелевые) батареи свободны от части недостатков, их можно длительно хранить в полностью разряженном состоянии, однако они плохо переносят повышенные температуры и требуют более дорогого электролита. Кроме того, степень их зарядки труднее контролировать, поскольку она не связана с плотностью электролита. Всем перечисленным аккумуляторам свойственна еще одна неприятная особенность — при заряде, ближе к его концу, происходит частичное разложение электролита с выделением гремучего газа, что требует разработки и внедрения специальных мероприятий по безопасности в аккумуляторном отделении — вентиляции, противопожарных и противовзрывных мер (в идеале — расположения помещения для зарядки в отдельном здании с легкосбрасыва-емой кровлей) либо усложнения конструкции аккумулятора с установкой каталитического нейтрализатора.

Указанные проблемы направили внимание специалистов-тепловозников на суперконденсаторы как лучшую альтернативу аккумуляторам. Еще в 1999 г. сотрудниками ВНИИЖТа И.П. Аникиевым и А.Н. Корневым [1] была разработана и испытана схема пуска тепловозного дизеля, в которой аккумуляторная батарея и батарея суперконденсаторов работали совместно. В этой схеме самый сильный ток при начале вращения коленчатого вала, достигаювший 1800 А, принимали на себя суперконденсаторы, а затем нагрузку с гораздо меньшим током подхватывала аккумуляторная батарея, чем достигалось облегчение условий ее работы и существенное продление срока службы. В отдельных опытах дизель небольшой мощности удавалось запускать только от конденсаторов, без участия аккумуляторной батареи.

Появление ионисторов (рис. 3) связано с открытием двойного электрического слоя (ДЭС) — слоя оседающих на электродах молекул электролита, покрывающих при этом поверхность электродов словно сплошным чехлом. До напряжения, не превосходящего потенциала разложения этих молекул (начала электролиза), ДЭС является электрическим изолятором, отделяющим электроды от электролита и превращающим систему в конденсатор.

Однако в отличие от традиционных конденсаторов с макроскопическим диэлектриком между обкладками (слоем стекла или керамики, бумагой, или полимерной пленкой, или слоем оксида металла в электролитических конденсаторах) диэлектрик в суперконденсаторах имеет толщину порядка размеров молекул (наноразмер), а емкость конденсатора, как известно, обратно пропорциональна толщине диэлектрика. Отсюда и приставка «супер-».

Электролит, применяемый в суперконденсаторах, бывает органическим или на водной основе. Органический бывает или вязким и не позволяет осуществлять быстрый разряд, или маловязким, но токсичным (ацетонитрил и некоторые другие). Электролит на водной основе экологически чист и позволяет получать максимальные разрядные токи, но с ним удельная энергоемкость суперконденсаторов получается в 2 — 2,5 раза меньше. Сравнительные характеристики накопителей энергии приведены в таблице.

Вообще, конденсаторы любого типа имеют и всегда будут иметь перед аккумуляторами принципиальное превосходство в ресурсе, которому можно дать следующее упрощенное объяснение. Поскольку в аккумуляторах запас энергии образуется вследствие миграции ионов на большие (макроскопические) расстояния, возврат этих ионов при заряде аккумулятора никогда не будет происходить на то же самое место, с которого они ушли при разряде. Таким образом, после каждого цикла заряд-разряд материал (активная масса) аккумуляторов претерпевает структурные изменения, накопление которых приводит к механическому разрушению.

В диэлектрике конденсаторов (в том числе и с ДЭС) миграции ионов нет — полярные молекулы диэлектрика не диссоциируют на ионы, а поворачиваются в электрическом поле целиком; их поворот в первоначальное положение происходит без макроскопических изменений структуры диэлектрика (и тем более электродов), чем и объясняется огромное превосходство в ресурсе конденсаторов над аккумуляторами.

Впервые конденсаторный пуск без аккумуляторной батареи был практически реализован в тепловозной лаборатории МИИТа на дизель-генераторной установке с дизелем 2-2Д49 (см. рис. 2) в 2016 г. За два года применения установки в лабораторных, учебных и научных целях сотрудниками тепловозной лаборатории накоплен опыт эксплуатации системы конденсаторного пуска и изучены особенности ее работы.

Система содержит батарею из 26 суперконденсаторов ЭКОНД 40/64 с электролитом на водной основе, емкостью 23,8 Ф с длительным рабочим напряжением 64 В и максимальным 75 В, током разряда каждого ионистора при коротком замыкании 2000 А и весом 40 кг. Из них 8 суперконденсаторов (рис. 4) служат для питания маслопрокачивающего и топливоподкачивающего насосов, а остальные, образующие несколько блоков батарей, — для собственно пуска. Общий вес батареи ионисторов составляет около 1 т, т.е. несколько легче тепловозного аккумулятора.

Часть суперконденсаторов, образующих пусковую батарею (рис. 5), снабжены автоматическими выключателями, защищающими батарею от коротких замыканий и позволяющими подключать для проведения опытов ту или иную часть батареи или всю батарею, и соединены параллельно. Но в дальнейшем планируется возможность переключения на смешанное соединение после начала вращения коленчатого вала. Попытка выполнить короткое замыкание батареи не увенчалась успехом — ток был настолько силен, что специально устроенные кабельные наконечники плавились и сгорали прежде, чем удавалось их сблизить вплотную.

Опыт эксплуатации системы показал, что дизель надежно запускается и при меньшем числе банок в батарее: 12 — 13 при холодном дизеле и 10 — 11 при горячем. Однако при низких температурах окружающей среды будет необходима вся батарея. Расход энергии на запуск при отрицательных температурах возрастает, что связано с увеличением вязкости масла и ростом той минимальной частоты вращения, при которой начинаются вспышки в цилиндрах. На холоде возрастает и емкость суперконденсаторов (их становится возможным заряжать до более высокого напряжения, что связано с ростом потенциала разложения электролита).

Степень компенсации этих двух эффектов в настоящее время изучается. Примененные суперконденсаторы имеют заметный ток саморазряда — порядка 40 — 50 мА, и батарея, подготовленная к запуску, может оставаться без восполнения саморазряда не дольше нескольких часов (от 7 до 48 ч, в зависимости от конструкции и условий). Это является недостатком системы пуска.

По опыту работников автотракторного хозяйства, обеспечить постоянную готовность к пуску можно, установив в удачном месте на машине солнечную батарею для компенсации тока утечки. Это позволяет создавать самовос-полняемые системы накопителей энергии, не требующие технического обслуживания и текущего ремонта и позволяющие сохранять «мгновенную» готовность к пуску в течение практически неограниченного времени. Однако, по мнению ряда специалистов в данной области, хранение некоторых моделей суперконденсаторов в постоянно заряженном состоянии может негативно отражаться на их ресурсе, поэтому данный вопрос требует изучения.

Другой недостаток связан с необходимостью заряда батареи (подготовки к пуску, что роднит конденсаторы с маховиком в системе инерционного пуска), занимающего в лаборатории около 40 мин. На тепловозе заряд конденсаторов производится от бортовой аккумуляторной батареи значительно меньшей (в 5 — 10 раз) емкости по сравнению со стартерной, через импульсный регулятор тока. Такой регулятор позволяет проводить заряд и от других источников электроэнергии — переносных бензогенераторов, осветительной или промышленной электросети, бортовой сети автомобилей и т.п. Это может быть ценно для таких эксплуатирующих тепловозы организаций, как различные предприятия промышлен-
ности, ведь на заводах, фабриках или складских комплексах практически всегда рядом с местом стоянки локомотива есть другая техника или электросеть.

Продолжительность пуска от мобильных источников зависит от их мощности и при 1 кВт не превысит 30 мин. Применение на тепловозе импульсного регулятора тока позволит сократить это время до 5 — 7 мин по сравнению с зарядом через резистор. По сравнению с пневмопуском конденсаторный пуск имеет гораздо лучшие энергетические характеристики (прежде всего КПД), практически идентичные с аккумуляторным пуском.

Электрическая схема цепей пуска тепловозного дизеля при модернизации выполняется следующим образом. К штатным контакторам пуска дизеля (у многих тепловозов это контакторы КД1 и КД2) вместо прежней стартерной аккумуляторной батареи подключается батарея конденсаторов, к контактам бортовой сети локомотива подключается батарея аккумуляторов, между аккумуляторами и конденсаторами включается регулятор зарядного тока. Особенности структуры цепей и логика их работы могут быть различными и выполняются с учетом особенностей локомотива.

Аккумуляторная батарея в начале пуска дает сильную просадку напряжения (иногда даже до 48 В), а по мере нарастания частоты вращения стартера и снижения тока увеличивающая напряжение вслед им. Такое положение, когда в начале пуска напряжение минимально, а затем растет, является благоприятным. Конденсатор, к сожалению, наоборот, в течение пуска понижает свое напряжение, поскольку оно у него связано с запасенной энергией.

Импульсный регулятор в силовой цепи пуска был бы неприемлемо дорог и, вдобавок, потери в нем сильно снижали бы КПД системы пуска. Преодолеть указанное противоречие позволяет разработанная сотрудниками кафедры «Электропоезда и локомотивы» РУТ (МИИТ) схема, изменяющая соединение суперконденсаторов в батарее в процессе пуска.

Система конденсаторного пуска также позволяет выполнять повторные пуски дизеля, если первая попытка оказалась неудачной. Емкость даже в 10 раз меньшей аккумуляторной батареи обеспечивает выполнение нескольких повторных пусков с интервалами, необходимыми для заряда конденсаторов (однако в опытах отмечалось, что по окончании пуска в батарее суперконденсаторов оставалась часть энергии, не позволяющая сразу выполнить повторный пуск, но позволяющая в 2 — 3 раза сократить продолжительность повторной зарядки).

Система конденсаторного пуска дизелей обеспечивает надежный пуск при температурах окружающей среды до -60 °C и возможность заряда для подготовки к пуску от маломощных источников, мощностью свыше нескольких сотен ватт, от бортовой сети другого локомотива (это может быть даже электровоз), автомобиля или спецтехники. На крайний случай, в качестве запасного может использоваться даже носимый бензогенератор, а при желании «прикурить» тепловоз, оборудованный такой системой, можно даже от легкового автомобиля типа «Жигули».

Кроме того, система имеет весьма длительные сроки сохраняемости без обслуживания (свыше 10 лет). Так, суперконденсаторы, установленные на стенде в лаборатории кафедры в 1999 г., не обнаружили при совместных испытаниях измеримых отличий в характеристиках от суперконденсаторов того же типа, полученных от изготовителя в 2015 г., в частности, емкость и старых, и новых банок составила 23,8 Ф.

Суперконденсаторы обладают также вполне удовлетворительной механической прочностью. При получении батареи ЭКОНД одну банку случайно уронили с высоты около 60 см на поверхность с асфальтовым покрытием (до-
рогу), причем на корпусе банки образовалась вмятина глубиной несколько мм на площади приблизительно 50 см2 (площадь сигаретной пачки). Специально предпринятое измерение электрических характеристик (емкости и тока саморазряда) этой банки не выявило никаких изменений. Данное обстоятельство подтверждает заявленную изготовителем высокую стойкость суперконденсаторов к ударным и вибрационным воздействиям, имеющим место на локомотивах, а также свидетельствует в пользу безопасности обращения с суперконденсаторами.

Батарея суперконденсаторов примерно в 2,5 раза дороже аккумуляторной батареи, но такое соотношение цен, во-первых, связано с мелкосерийным производством суперконденсаторов (при крупносерийном производстве их цена снизится в 5 — 10 раз), а во-вторых, соотношение сроков службы, даже при таких ценах, делает применение новой системы экономически целесообразным. Область применения системы, конечно, не ограничивается автономным подвижным составом и захватывает стационарные дизели. Также возможно применение суперконденсаторов на электроподвижном составе для поднятия токоприемника — действия на «холодном» вспомогательном компрессоре, подобного пуску дизеля на тепловозе.

Таким образом, применение суперконденсаторов в системе пуска дизеля является актуальным и перспективным для всех предприятий, эксплуатирующих тепловозы, а в условиях низких температур оно становится совершенно необходимым.

Библиография:

1. Использование накопителей энергии для пуска дизеля на магистральных тепловозах [Текст]: научное издание / И.П. Аникиев, А.Н. Корнев //Локомотив. - 1995. - № 10. -С. 33 — 35. - ISSN 0869-8147.

2. Пуск дизеля тепловоза от конденсаторов сверхвысокой энергоемкости [Текст]: научное издание/ И.П. Аникиев, А.Н. Корнев, Н.Н. Ащеулов //Локомотив. - 1995. - № 12. - С. 29 - 30. - ISSN 0869-8147.

3. И.П. Аникиев, А.Н. Корнев «Повышение надежности конденсаторной системы пуска дизеля тепловоза ЧМЭЗ», журнал «Локомотив» №12, 1999 г., с. 17; http:// www.findpatent.ru/ patent/218/2189324.html.

4. И.П. Аникиев, А.Н. Корнев Усовершенствованная схема конденсаторной системы пуска дизеля // журнал «Локомотив» №4,2000 г., С. 29

5. Химические источники тока Авторы: В.Н. Варыпаев., М.А. Дасоян, В.А. Никольский. Издательство: М.: Высшая школа: 1990 г., 240 с: ил.