[Статья] Новое поколение аккумуляторных батарей для пассажирских вагонов

[Admin]

Новое поколение аккумуляторных батарей для пассажирских вагонов

Канд. техн. наук Е. И. КАЛИНКИН


К началу 90-х годов, наряду со значительным насыщением отечественных пассажирских вагонов мощными электронными устройствами (статическими преобразователями и блоками управления), необходимыми для повышения уровня комфорта, выявлялось резкое несоответствие этим новым узлам характеристик существующих аккумуляторов и аккумуляторных батарей.

Как известно, при автономной системе электроснабжения, которая является основной для России и стран СНГ, аккумуляторная батарея (АБ) на пассажирских вагонах выполняет в полной мере вместе с генератором функцию питания всех низковольтных электропотребителей на вагонах с установками кондиционирования — мощных электродвигателей компрессора и вентиляторов, когда в летнее время токи нагрузки на аккумуляторную батарею достигают 150 А и более. Однако этому основному требованию не отвечает ни один из типов аккумуляторных батарей, освоенных отечественной промышленностью. Кроме того, в зимнее время аккумуляторные батареи должны обеспечивать на стоянках вагонов и при низких скоростях движения питание постоянно работающих электропотребителей в течение длительного времени (до одного часа) при токах нагрузки 50...60 А.

Помимо этого, в условиях зимних наружных температур —20 °C и идеального заряда наиболее распространенные отечественные никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы ВНЖ-300 снижают свою реальную емкость до 20 % номинальной. Это приводит к постоянному отключению основных электропотребителей в вагонах на стоянках и к полной невозможности их питания при отстоях в пунктах оборота.

Используемые кислотные (свинцовые) аккумуляторные батареи на комфортабельных пассажирских вагонах 70...80-х годов постройки Германии типа 47К в летнее время были способны обеспечивать питание основных электропотребителей, но в зимнее время после 2...3 лет эксплуатации в период отстоя вагонов при низких температурах это стало невозможным из-за выхода из строя электродов.

На вагонах 90-х годов постройки Германии эти батареи были заменены на щелочные никель-кадмиевые батареи со значительной номинальной емкостью (375...390 А·ч) и высокой стоимостью, но для вагонов без установок кондиционирования (50 В) с генератором мощностью 8...10 кВт они не могли быть полноценно заряжены из-за ограниченной мощности зарядных устройств, а следовательно, не могли обеспечивать питание электропотребителей.

Характеристики таких батарей не были согласованы с характеристиками существующих зарядных устройств, т. е. фактически со всей системой электроснабжения. Поэтому в летнее время в период заряда аккумулятора батареи работали с интенсивным газовыделением, что приводило в эксплуатации к взрывам из-за появления в аккумуляторных ящиках электрической дуги (при ослаблении контактных соединений между аккумуляторами), и даже наличие вытяжной вентиляции, разгрузочных (противовзрывных) каналов в аккумуляторных ящиках не давало ощутимого эффекта в случае возникновения аварийной ситуации.

В создавшихся условиях возникла необходимость в разработке отечественных аккумуляторов невысокой стоимости, которые имели бы высокую емкость при отрицательных наружных температурах ( – 40 °C).

В то же время новые отечественные аккумуляторы должны обладать высокой диэлектрической прочностью корпуса, способностью при положительных наружных температурах реализовывать токи нагрузки до 150 А в течение одного часа; кроме того, они должны обеспечивать возможность полноценного заряда при высокой наружной температуре (до +40 °C) и при низких зарядных напряжениях, т. е. не более 1,6 В на аккумулятор, что исключает их работу с газообразованием.

На основе представленных задач в лаборатории ВНИИЖТа «Климатические установки и электрооборудование пассажирских вагонов» в 1996...1997 гг. были разработаны исходные технические требования к отечественным высокоэффективным современным аккумуляторам и аккумуляторным батареям.

В технические требования был заложен успешный опыт работы щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов на ряде специальных вагонов, отличающихся устойчивой работой во всем диапазоне наружных температур (от –40 до +40 °C). Это было достигнуто за счет использования ламельных электродов: положительных — на основе окислов никеля; отрицательных — на основе окислов кадмия.

Конструкция ламельных электродов при резко циклическом характере нагрузки, которая присуща только автономной (т. е. вагонной) системе электроснабжения на железнодорожном транспорте, позволяет обеспечить максимальный срок эксплуатации аккумуляторов и батарей до 10...12 лет.

Заданный электрохимический состав активных масс электродов также обеспечивает низколежащую зарядную характеристику аккумуляторов в летнее время при изменении в процессе заряда конечного напряжения от 1,3 до 1,5 В. Это позволяет обойтись без отдельных сложных зарядных устройств на вагонах всех типов при использовании только генератора (при автономной системе) или одного из выходов статического преобразователя (при централизованной системе), которые одновременно нужны и для питания основных электропотребителей вагона с небольшим диапазоном изменения на них напряжения (не более 15 %).

Учитывая большое многообразие существующих и строящихся типов и модификаций вагонов, в результате многолетнего анализа специфики работы их аккумуляторных батарей была обоснована необходимость разработки двух основных типоразмеров щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 180 и 250...300 А·ч.

Первый типоразмер аккумуляторов емкостью 180 А·ч предназначен для пассажирских вагонов с приточной вентиляцией при электроснабжении 50 В и перспективных вагонов с системой электроснабжения 110 В (без питания установок кондиционирования от аккумуляторной батареи).

Второй типоразмер аккумуляторов 250...300 А·ч предназначен для комфортабельных пассажирских вагонов с системой электроснабжения 110 В и установками кондиционирования, а также специальных (энергонасыщенных) вагонов с системой электроснабжения 50 В.

Для исключения работы аккумуляторов в летнее время при заряде с газовыделением и одновременно с целью получения аккумуляторами не менее 90 %-ной максимальной емкости разработан специальный химический состав электродов. Новый состав их активных масс обеспечил (в отличие от известных никель-кадмиевых батарей) при низких конечных зарядных напряжениях (до 1,5...1,55 В) в летнее время получение аккумулятором почти 90 %-ной расчетной емкости батареи.

На рис. 1 приведены сравнительные зарядные характеристики известных и новых аккумуляторов (при положительных наружных температурах). У новых аккумуляторов заряд заканчивается в точке а, где практически отсутствует вероятность газообразования; у существующих никель-кадмиевых батарей для получения 75 %-ной емкости приходится работать в точке a'.

Рис. 1. Зарядная характеристика никель-кадмиевых аккумуляторов:

1 — известные никель-кадмиевые батареи; 2 — аккумуляторы нового поколения

По техническим требованиям, подготовленным совместно ВНИИЖТом и двумя аккумуляторными заводами страны («АИТ», г. Саратов и «Кузбассэлемент», г. Ленинск-Кузнецкий), разработано и освоено в 1997 г. производство новых аккумуляторов большего типоразмера (для современных комфортабельных пассажирских вагонов модели 61-4179 и вагонов постройки Германии типа 47K: KL-250P и КМ-300 соответственно). Оба новых типа аккумуляторов (обозначения приняты по новым международным правилам) выполнены практически в одних габаритах и имеют массу около 16 кг. Корпус KL-250Р выполнен из светлого полимерного материала (сополимер полипропилена), КМ-300 в начальном варианте — в металлическом корпусе с наружной полимерной изоляцией. Оба типа аккумуляторов рассчитаны на использование односезонного электролита с допускаемыми колебаниями его плотности 1,19...1,25 г/см3.

Позднее было освоено производство аккумулятора KL-180Р меньшего типоразмера, также с полимерным корпусом и всесезонным электролитом.

Рис. 2. Характеристика разряда аккумуляторной батареи КМ-300-У2 при температуре окружающей среды —40 °C:

ток разряда Iраз = 60 А; начальная температура электролита tэл/л. нач = – 12 °C; конечная температура электролита tэл/л. кон = – 11 °C; количество использованных аккумуляторов — 41 шт.; отданный заряд в процессе разряда Q = 170 А·ч

Стендовые испытания аккумуляторов показали, что отдача емкости при положительных температурах в пассажирских вагонах и наружных температурах до –40 °C (после заряда в аналогичных условиях) составила более 40 % номинальной. На рис. 2, 3 представлены разрядные характеристики АБ (при их разряде номинальным током после предварительного заряда аналогичным током до конечных значений зарядного напряжения не выше 1,6 В на аккумулятор) для экстремальных наружных температур +40 °C и –40 °C. При этом отдача по емкости составила соответственно 255 и 170 А·ч. Испытания аккумуляторов на длительные максимальные токи подтвердили их способность поддерживать стабильное напряжение при реализации токов разряда до 150 А в течение одного часа.

Рис. 3. Характеристика разряда аккумуляторной батареи КМ-300-У2 при температуре окружающей среды +40 °C:

ток разряда Iраз = 60 А; начальная температура электролита tэл/л. нач = 50 °C; конечная температура электролита tэл/л. кон= 55 °C; количество использованных аккумуляторов — 45 шт.; отданный заряд в процессе разряда Q = 255 А·ч

Испытания на подтверждение электрохимических характеристик после продолжительного времени (до трех месяцев) в пассивном состоянии (имитация отстоя вагона) показали, что аккумуляторы сохранили свои исходные характеристики. Это означает, что в отличие от зарубежных аналогов они в условиях регулярной эксплуатации (за исключением очень длительных отстоев вагонов) не требуют проведения восстановительных (формирующих) зарядных циклов.

Механические испытания показали, что новые аккумуляторы всех типов отвечают вибромеханическим нормам, установленным для пассажирских вагонов.

В 1997...1998 гг. на нескольких вагонах типа 47 К постройки Германии были установлены аккумуляторные батареи 84КМ-300 и 90KL-250Р. Вагоны были введены в эксплуатацию на северном и южном направлениях России, где находятся в регулярной эксплуатации по настоящее время.

Аккумуляторы малого типоразмера KL-180Р были установлены на серийные пассажирские вагоны с системой 50 В и введены в эксплуатацию в 1998...1999 гг. на северном и восточном направлениях страны. Остальная часть партии аккумуляторов в течение 2...3 лет эксплуатации показала надежную работу, устойчиво обеспечивая питание всех электропотребителей без ограничения в рейсах и в отстое в пунктах оборота.

Газообразование в ящиках аккумуляторов вообще не имело места.

Расход энергии на заряд новых аккумуляторов на вагонах обеих систем по сравнению с аккумуляторами типа ВНЖ-300 уменьшился в среднем на 40 % за счет высокого коэффициента отдачи по емкости (более 90 %). В период эксплуатации долив электролита дистиллированной водой осуществляется в жаркое время года не чаще чем один раз в месяц, а в осенне-зимний период — один раз в три месяца. На серийных аккумуляторах типа ВНЖ-300 периодичность долива аккумулятора дистиллированной водой составляет в летний период 6...7 дней.

В реальных эксплуатационных условиях все аккумуляторы (через 2...3 года регулярной эксплуатации) практически не изменили (при правильной работе зарядных устройств) своих характеристик.

Начиная с 1999 г. на новые пассажирские вагоны постройки Тверского вагоностроительного завода устанавливаются только никель-кадмиевые батареи нового поколения. Действует также и широкая программа замены батарей на вагонах эксплуатационного парка при всех видах планового ремонта.

К настоящему времени на линии уже эксплуатируется около 30 тыс. новых аккумуляторов.

Заключение. Разработанные ВНИИЖТом и освоенные отечественной аккумуляторной промышленностью новые никель-кадмиевые аккумуляторы для всех типов существующих и перспективных пассажирских вагонов подтвердили высокие технико-экономические показатели в реальных эксплуатационных условиях страны: малый расход энергии на заряд, высокая степень изоляции, взрывобезопасность, незначительные расходы на обслуживание, возможный срок службы до 10...12 лет при невысокой стоимости в сравнении со всеми известными отечественными и зарубежными аналогами.

В настоящее время целесообразно ускорить установку новых отечественных никель-кадмиевых батарей на всем эксплуатирующемся парке пассажирских вагонов.

[Станислав Шерсткин]

подскажите возможный срок службы аккумуляторов на грузовых вагонах, что то ни где не могу найти, вроде как лет 20-25

[Скиталец]

Сообщение от Станислав Шерсткин

...аккумуляторов на грузовых вагонах...

На каких грузовых вагонах применяются аккумуляторы? Просвети, пожалуйста!

[Станислав Шерсткин 21182]

Сообщение от Скиталец

На каких грузовых вагонах применяются аккумуляторы? Просвети, пожалуйста!

может не правильно сформулировал вопрос, не на грузовых а на вагонах рефрижераторах

[Скиталец]

Сообщение от Станислав Шерсткин 21182

на вагонах рефрижераторах

Батарея служебного вагона - срок службы, как и в пассажирских вагонах - 10-12 лет. 20 лет и более - это для стационарных батарей.

[Дария Лукьянова]

Чем KL отличается от KM? Если M это средний уровень заряда, что такое L?

[dogpost]

Сообщение от Дария Лукьянова

Чем KL отличается от KM? Если M это средний уровень заряда, что такое L?

- аккумуляторы типа KL (KPL) и KGL предназначены для длительных режимов разряда током до 0,5СН (2-х часовой режим разряда);
- аккумуляторы типа KM (KPM) предназначены для средних режимов разряда током до 1,0СН (1-часовой режим разряда);
- аккумуляторы типа KH (KPH) предназначены для коротких режимов разряда током до 5,0СН (0,2-часовой режим разряда), в импульсных режимах до 15СН (0,067- часовой режим разряда), при снижении напряжения до 0,65 В на элемент.