Альтернативные источники тока для систем электростартерного пуска



Скачать 82.05 Kb.
Pdf просмотр
Дата11.02.2017
Размер82.05 Kb.
Просмотров232
Скачиваний0
ТипАнализ

82
Альтернативные источники тока для систем электростартерного
пуска
к.т.н. Лебедев С.А., к.т.н., доц. Антипенко В.С.
Рязанский военный автомобильный институт, МГТУ «МАМИ»
В Рязанском военном автомобильном институте активно проводятся работы по созданию перспективных источников тока для систем электростартерного пуска военной автомобильной техники.
Пуск двигателей военной автомобильной техники (ВАТ) вызывает особые затруднения в зимний период, особенно в холодных климатических зонах, а также в случаях, когда аккумуля- торные батареи достаточно сильно разрядились. Это требует значительных трудовых и энергети- ческих затрат весьма продолжительных по времени, которые могут быть причиной срыва постав- ленной боевой задачи.
Для повышения эффективности использования ВАТ идут по пути улучшения пусковых ка- честв двигателей внутреннего сгорания (ДВС) за счет повышения технических характеристик сис- тем электростартерного пуска (СЭП). Применяемые на автомобилях СЭП постоянно совершенст- вуются путем оптимизации конструкций стартеров и разработки новых необслуживаемых стар- терных свинцовых аккумуляторных батарей (АБ) с высокими электрическими характеристиками.
Анализ мировых тенденций производства АБ показывает, что все зарубежные производители перешли на выпуск нового поколения необслуживаемых АБ с высокими удельными энергетиче- скими характеристиками. Для зарубежной бронетанковой техники серийно выпускается ряд мо- дульных батарей, позволяющих сократить время приведения образцов бронетанковой военной техники (БТВТ) и ВАТ к боевому использованию.
В настоящее время в Российских Вооруженных Силах (ВС) не решена проблема излишне большого типоразмерного ряда АБ, включающего около 20 различных марок АБ. Такое большое количество типов АБ, применяемых на объектах военной техники, обусловлено ранее сложившей- ся практикой разработки АБ под конкретный объект применения. Применяемые АБ имеют низкие технический уровень и уровень унификации и взаимозаменяемости. Сохраняется практика содер- жания повышенного количества запасов АБ на базах и складах.
Опыт эксплуатации и хранения различных типов АБ для ВАТ показывает назревшую необ- ходимость коренного пересмотра типажа АБ, идущих на снабжение ВС РФ, с целью его значи- тельного сокращения.
В системах электрического пуска образцов БТВТ и ВАТ используются 10 типов АБ емко- стью от 55 до 190 А·ч. Номенклатура аккумуляторных батарей для образцов БТВТ составляет 13 наименований, для образцов ВАТ - 25 наименований (таблица 1). Кроме того, из-за различных требований, предъявляемых к автомобильным и танковым АБ, отсутствует их взаимозаменяемость при схожих электрических и массогабаритных показателях.
Значительное сокращение номенклатуры АБ, унификация АБ для образцов БТВТ и ВАТ возможны при использовании модульного принципа построения источников тока.
В основу такого модульного источника тока положена модульная аккумуляторная батарея типа 6ТСТС-100А, разработанная ЗАО «НИИСТА» г. Подольск при участии военных специали- стов 21 и 38 НИИИ МО РФ, Рязанского военного автомобильного института.
С 2007 года серийное производство необслуживаемой свинцовой стартерной аккумулятор- ной батареи 6ТСТС-100А освоено в г. Саратове. Она предназначена для использования в качестве батареи-модуля для тяжелых режимов работы при пуске двигателей и питания потребителей элек- трической энергии на колесных и гусеничных машинах БТВТ и ВАТ многоцелевого назначения.
Пример размещения модульного источника тока, включающего две пары параллельно соединен- ных батарей-модулей 6ТСТС-100А, в аккумуляторном отсеке автомобиля Урал показан на рисун- ке 1. Основные технические данные батареи-модуля приведены в таблице 2.
Технико-экономическая оценка применения батареи-модуля на объектах ВВТ определяет следующие преимущества [1]:
1. обеспечивается полная унификация и снижение номенклатуры АБ до одного типа, повыша- ется экономическая эффективность типоразмерного ряда, построенного на ее основе, в

83
сравнении с существующим рядом на 15%;
2. за счет высоких стартерных характеристик повышается эксплуатационная надежность СЭП, обеспечивается возможность пуска при температуре воздуха до минус 35
о
С, что увеличива- ет вероятность запуска ДВС;
3. сокращается объем технического обслуживания по контролю уровня электролита в 3-8 раз, появляется возможность унифицировать средства и режимы заряда батарей;
4. повышается запас хода техники за счет увеличения срока службы;
5. появляется возможность разработать единые требования и нормы по производству, испыта- ниям, эксплуатации, по созданию запасов и обеспечению аккумуляторными батареями ВС
РФ;
6. возрастает живучесть батареи-модуля в составе модульного источника тока в два раза, бла- годаря чему можно ожидать и увеличение сбора годных АБ при ведении боевых действий, до 50%.
Таблица 1 - Номенклатура автомобильных и танковых аккумуляторных батарей
Тип АБ
АБ для образцов БТВТ
АБ для образцов ВАТ
6СТ-60 6СТ-60ЭМ, 6СТ-60ПМ,
6СТ-60А
6СТ-66 6СТ-66А, 6СТ-66А1 6СТ-75 6СТ-75ЭМ, 6СТ-75ПМ,
6СТ-75А
6СТ-77 6СТ-77А, 6СТ-77А1 6СТ-90 6СТ-90ЭМ, 6СТ-90ПМ
6СТ-90ЭМ, 6СТ-90ПМ,
6СТ-90А, 6СТ-90А1 6СТ-132 6СТ-132ЭМ, 6СТ-132ПМ
6СТ-182 6СТ-182ЭМ, 6СТ-182ПМ
6СТ-190 6СТ-190ТМ, 6СТ-190А,
6СТ-190АН, 6СТ-190А5 6СТ-190ТМ, 6СТ-190А,
6СТ-190АН,
6СТ-190А5, 6СТ-190АУ
6СТ-140 6СТ-140Р, 6СТС-140АС,
6ТСТС-140А
6СТ-140А, 6СТ-140А1 12СТ-85 12СТ-85Р, 12СТ-85П,
12СТС-85АС, 12ТСТС-85АК
ИТОГО: 4 типа, 13 наименований 9 типов, 25 наименований
Однако в связи с наличием определенных недостатков у стартерных свинцовых АБ проявля- ется интерес к использованию в СЭП альтернативных источников энергии, в частности емкостных молекулярных накопителей энергии (МНЭ).
И в этом случае модульный принцип построения источника тока с использованием батарей- модулей 6ТСТС-100А становится оптимальным решением задачи создания комбинированного ис- точника тока для объектов БТВТ и ВАТ с соблюдением жестких требований соблюдения габарит- но-присоединительных размеров.
Применение СЭП с МНЭ позволяет снизить емкость АБ, их размеры, массу и стоимость.
СЭП с МНЭ могут обеспечить пуск двигателя при значительной степени разряженности АБ, что повышает эксплуатационную надежность автомобиля, особенно в условиях низких температур.
Отмеченные преимущества МНЭ, а также малое внутреннее сопротивление и высокая удельная мощность, позволяют использовать их в СЭП в качестве промежуточных источников энергии.
МНЭ размещают между АБ и стартером.
Выделение энергии МНЭ за короткий промежуток времени позволяет электростартеру раз- вивать значительную мощность, вращать коленчатый вал с большой пусковой частотой и, тем са- мым, повысить надежность пуска ДВС. А так как АБ разряжается на МНЭ в течение более дли- тельного времени по сравнению с продолжительностью процесса пуска ДВС, ее емкость можно значительно уменьшить. На рисунке 2 представлен вариант модульного комбинированного источ- ника тока для автомобилей КамАЗ и Урал, включающий две последовательно соединенные бата-

84
реи-модули 6ТСТС-100А и параллельно подключенный к ним накопитель энергии МНЭ-210/28.
Таблица 2 – Характеристики батареи-модуля типа 6ТСТС-100А
Наименование параметра
6ТСТС-100А
Номинальное напряжение, В 12
Параметры длительного (20-часового) режима разряда:
– ток разряда, А
– номинальная емкость, А·ч
– конечное напряжение, В
5 100 10
Параметры стартерного режима разряда при температуре электролита
(25±2) о
С не позже второго цикла:
– ток разряда, А
– длительность разряда, мин
– конечное напряжение, В
600 3
9
Параметры стартерного режима разряда при температуре электролита
(30±1) о
С не позже второго цикла:
– ток разряда, А
– длительность разряда, мин
– конечное напряжение, В
600 1
6
Масса батареи, кг, не более
– без электролита
– с электролитом
27 35
Габаритные размеры:
– длина, мм, не более
– ширина, мм, не более
– высота, мм, не более
286,5 236,5 240,0

Рисунок 1 - Размещение модульного источника тока в аккумуляторном отсеке
автомобиля
К преимуществам МНЭ в СЭП можно отнести большой срок службы (несколько десятков тысяч часов). МНЭ не требуют обслуживания, нетоксичны, условия пуска ДВС менее зависимы от состояния АБ и др.
Применение батарей-модулей и МНЭ в СЭП военной техники является одним из перспек- тивных направлений в решении проблемы пуска двигателей. Поэтому теоретические и экспери- ментальные исследования СЭП с модульными комбинированными источниками тока являются

85
весьма актуальной задачей, решение которой будет способствовать внедрению и развитию таких систем.

Рисунок 2 - Размещение комбинированного источника тока в аккумуляторном отсеке авто-
мобиля
Для установки модульного комбинированного источника тока с МНЭ на автомобилях семей- ства Урал Рязанский военный автомобильный институт и ЗАО «НПО «ТехноКор» г. Москва раз- работали электрическую схему СЭП с МНЭ для автомобиля Урал-4320-31 [2]. На рисунке 3 пред- ставлена принципиальная электрическая схема этой системы, которая успешно внедрена на заводе
«УРАЛАЗ» для комплектования комбинированными источниками тока автомобилей поступаю- щих в ВС РФ.
GB1 и GB2 – аккумуляторные батареи-модули; С1- молекулярный накопитель энергии,
М – стартер; G – генератор; S1 - выключатель приборов и стартера;
К1 - реле включения молекулярного накопителя энергии с контактами К1.1;
К2 - управляющее реле с нормально замкнутыми контактами К2.1;
К3 – реле включения стартера с контактами К3.1; К4 - тяговое реле с контактами 4.1;
VD1 - полупроводниковый вентиль; R1 – резистор
Рисунок 3 – Принципиальная электрическая схема системы электростартерного пуска с
комбинированным источником тока для автомобиля Урал-4320-31
К1.1
К4.1
Л
C1
G
К2
R1
GB1
GB2
К1
К2.1
К3
К3.1
М
S1
I
II
VD1
К4

86
Таким образом, к настоящему времени в стенах института проводятся лабораторные и экс- плуатационные испытания трех типов источников тока для СЭП на основных образцах ВАТ - ав- томобилях КамАЗ и Урал. Цель испытаний определить эксплуатационные показатели и ресурс ис- точников тока. Периодически специалистами института проводятся комплексные исследования изменения электрических характеристик источников тока и дается сравнительная оценка.
Созданный в институте мобильный диагностический комплекс позволяет производить испы- тания и исследования химических источников тока и систем электростартерного пуска, как в ла- бораторных, так и в полевых условиях (рисунок 4).

Рисунок 4 – Размещение автомобилей и специалиста диагноста в ходе испытаний
Применяемые современные электронные приборы и компьютерные программы (рисунок 5) позволяют быстро и точно снимать и записывать электрические параметры испытываемых источ- ников тока и СЭП: стартерные токи, напряжения, частоты вращения коленчатого вала двигателя; внутреннее сопротивление, степень заряженности, остаточную емкость и температуру химических источников тока. Получаемые результаты измерений удобны в обработке и проведении анализа.

Рисунок 5 – Измерительное оборудование мобильного диагностического комплекса
Для проведения натурных испытаний СЭП с альтернативными источниками тока при темпе- ратуре окружающего воздуха минус 10-12
о
С были подготовлены три автомобиля Урал-4320-0010-
31 с дизелями ЯМЗ-238М2-32 мощностью 151 кВт. Один автомобиль был оснащен штатными ак-

87
кумуляторными батареями 6СТ-190А. Второй – модульным источником тока, включающим четы- ре батареи-модуля 6ТСТС-100А (рисунок 1). На третьем автомобиле смонтирована СЭП с комби- нированным источником тока, включающим две батареи-модули и накопитель энергии МНЭ-
210/28 (рисунки 2 и 3).
Наибольший интерес представляет исследование работы комбинированного источника тока.
На его работоспособность в целом оказывают влияние множество факторов:
• емкости аккумуляторных батарей и молекулярного накопителя энергии, как номинальные, так и фактические;
• степень заряженности аккумуляторных батарей и напряжение, до которого заряжается накопи- тель энергии перед пуском двигателя;
• срок службы и наработка, особенно аккумуляторных батарей;
• температура окружающей среды и т.д.
На рисунке 6 представлен график изменения силы стартерного тока при проворачивании ко- ленчатого вала двигателя в течение 15 секунд от комбинированного источника тока. Пиковая на- грузка ложится на источник тока в течение первых 0,02 – 0,5 секунды. Как видно из графика нако- питель энергии в первые две секунды снижает нагрузку с аккумуляторных батарей в 1,5 - 2 раза. В тоже время пуски всех двигателей осуществлялись в период 0,5 – 1,5 секунды. Также обратим внимание на то, что все аккумуляторные батареи перед испытаниями были протестированы и по- казали 100%-ную заряженность. А проводимые ранее лабораторные исследования показывали, что наибольший эффект достигается от использования накопителя энергии, когда аккумуляторные ба- тареи разряжены и самостоятельно произвести пуск не могут.

Рисунок 6 – Изменение силы тока комбинированного источника тока при
проворачивании коленчатого вала дизеля ЯМЗ-238М2-32
Выше было сказано, что эффективность использования накопителя энергии зависит от на- пряжения, до которого был произведен его заряд. В рассматриваемой СЭП с комбинированным источником тока накопитель энергии заряжается от аккумуляторных батарей, поэтому и величина его напряжения равна напряжению батарей 24,5 В. Для того чтобы сравнить на сколько можно по- высить эффективность применения накопителя энергии в идентичных условиях были произведены три пуска двигателя только от накопителя энергии МНЭ-210/28, заряженного до напряжений 24,
28 и 30 В. Эти три величины значений напряжения обусловлены следующими причинами: до 24 В

88
накопитель энергии может заряжаться от исправных АБ; до 28 В накопитель энергии можно заря- дить от генераторной установки автомобиля; 30 В – это максимально допустимое напряжение за- ряда накопителя энергии, которое можно получить, если использовать дополнительно в системе пуска повышающий преобразователь напряжения или внешнее зарядное устройство, которым и производился заряд при испытаниях.
На рисунке 7 показаны графики изменения силы тока МНЭ-210/28 при пуске двигателя. Ре- зультаты пусков показали, что максимальную помощь аккумуляторным батареям окажет накопи- тель энергии, заряженный до 30 В, при этом пуск двигателя осуществился за 0,38 секунды, а ко- ленчатый вал вращался со средней частотой – 83 оборота в минуту. Для сравнения, при заряде на- копителя энергии до 24 В были получены следующие показатели: пиковое значение силы тока – меньше на 300 А, время пуска – увеличилось до 0,88 секунды, а средняя частота вращения соста- вила 53 оборота в минуту.

Рисунок 7 – Изменение силы тока МНЭ-210/28 при пуске дизеля ЯМЗ-238М2-32
Таким образом, для повышения эффективности использования накопителей энергии не обя- зательно увеличивать их емкость, при равных условиях достаточно повысить напряжение заряда.
Наибольший эффект будет получен на технике, находящейся на хранении с приведенными в рабо- чее состояние аккумуляторными батареями или на технике малоинтенсивной эксплуатации, когда батареи могут оказаться разряженными до 50% и ниже.
Теперь сравним комбинированный источник тока со штатными аккумуляторными батареями и модульным источником тока. На рисунках 8, 9 и 10 показаны графики изменения силы стартер- ного тока, напряжения и частоты вращения при проворачивании коленчатого вала дизеля ЯМЗ-
238М2-32.
Оценивая стартерные токи (рисунок 8) необходимо отметить, что максимальный ток в на- чальный момент был у модульного источника тока 1500 А, что объясняется высокими электриче- скими характеристиками батареи-модуля (таблица 2), у двух других источников сила тока достиг- ла значения 1200 А. Однако, если вернуться к рисунку 6, то оценивая работу аккумуляторных ба- тареей в составе комбинированного источника тока заметим, что батареи в этот момент отдают всего 600 А. Производя пуск дизеля это значение тока снижалось в 1,5-2 раза. Таким образом, ис- пользование накопителя энергии позволило не только уменьшить емкость аккумуляторных бата- рей в 2 раза, но и снизило токовые нагрузки при стартерных режимах разряда, что должно увели-

89
чить ресурс аккумуляторных батарей и приблизить его к ресурсу накопителей энергии.

1 – 6СТ-190А 2 шт.; 2 – 6ТСТС-100А 4 шт.; 3 – 6ТСТС-100А 2 шт. и МНЭ-210/28
Рисунок 8 – Изменение силы стартерного тока при проворачивании коленчатого вала
дизеля ЯМЗ-238М2-32 от различных источников энергии

1 – 6СТ-190А 2 шт.; 2 – 6ТСТС-100А 4 шт.; 3 – 6ТСТС-100А 2 шт. и МНЭ-210/28
Рисунок 9 – Изменение напряжения при проворачивании коленчатого вала дизеля
ЯМЗ-238М2-32 от различных источников энергии
Благодаря тому, что в начальный момент ток батарей в комбинированном источнике тока

90
ниже, то и падение напряжения незначительное до 18,61 В, тогда как у штатных батарей оно пада- ет до 16,54 В, у модульного источника – до 18,31 В (рисунок 9). Этот показатель повышает надеж- ность срабатывания элементов систем электрооборудования, особенно критичных к таким перепа- дам напряжения. Однако, при более длительном проворачивании коленчатого вала напряжение комбинированного источника тока постепенно снижается, сказывается меньшая емкость батарей.
Графики изменения частоты вращения коленчатого вала на рисунке 10 показывают доста- точно высокие значения, обеспечивающие надежный пуск дизеля. Следует особо отметить равно- мерность и высокое значение, 150 мин
-1
, частоты вращения при проворачивании коленчатого вала от модульного источника тока.

1 – 6СТ-190А 2 шт.; 2 – 6ТСТС-100А 4 шт.; 3 – 6ТСТС-100А 2 шт. и МНЭ-210/28
Рисунок 10 – Изменение частоты вращения при проворачивании коленчатого вала
дизеля ЯМЗ-238М2-32 от различных источников энергии
Таким образом, испытания показали, что все три источника тока соответствуют требованиям
ОСТ 37.001.052 и ОСТ 37.001.066. Это дает возможность применять их на ВАТ на равных услови- ях, выбор источника тока будет зависеть от условий эксплуатации. Для техники малоинтенсивной эксплуатации или находящейся на боевом дежурстве целесообразно использовать модульные ком- бинированные источники тока. В тяжелых условиях эксплуатации, в районах с низкими темпера- турами необходимо использовать модульный и комбинированный источники тока. В районах с умеренным климатом уверенно будут работать штатные аккумуляторные батареи 6СТ-190А, од- нако для обеспечения унификации в перспективе необходим переход БТВТ и ВАТ на батареи- модули 6ТСТС-100А.
Литература
1. Лебедев, С.А. Типоразмерный ряд модульных источников питания для повышения готовности объектов вооружения и военной техники к боевому применению [Текст]: дис. … канд. техн. на- ук: 20.02.14: защищена 21.06.2002: утв. 26.07.2002 / Лебедев Сергей Александрович. – Рязань,
2002. – 227 с.
2. Лебедев, С.А. Система электропуска с комбинированным источником тока для автомобиля
УРАЛ-4320-31 [Текст] / С.А. Лебедев // Грузовик &. - 2007. – № 6. - С. 7-9.


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал