Теоретические и экспериментальные исследования батарейных зарядных комплексов

Abstract

Исследуется возможность создания высокоэффективных и безопасных энергетических комплексов, состоящих из аккумуляторной батареи и зарядного устройства к ней, предназначенных для эксплуатации на шахтных аккумуляторных электровозах. Цель работы – разработать физические модели и определить рациональные параметры батарейных зарядных комплексов, а также провести их экспериментальные исследования. Выполнен анализ известных в мире и в Украине технических решений в области химических источников тока и способов их заряда. Выделены приоритетные направления исследований: разработка научных основ создания батарейных зарядных комплексов на основе свинцово-кислотных аккумуляторных батарей тягового типа; повышение устойчивости свинцовых аккумуляторов и минимизация газовыделения в них; повышение энергетической эффективности и безопасности зарядных процессов в условиях угольной шахты. Проведен анализ существующего технического уровня средств и способов создания энергосберегающих зарядных комплексов. В качестве приоритетных выделены следующие способы: применение намазных электродных пластин с двойной сепарацией в совокупности с компрессией электродного блока, обеспечение рекомбинации газа внутри аккумулятора по кислородному циклу. Разработаны принципы моделирования и алгоритмы расчѐта основных параметров батарейных зарядных комплексов. Определены наиболее оптимальные параметры и условия зарядного режима, обеспечивающие энергоэффективность и пожаровзрывобезопасность. Для реализации зарядного режима предложено надѐжное, безопасное и энергосберегающее зарядное устройство, эффективность которого обеспечивается следующими особенностями: минимизация узлов силовой электроники; применение ограничительно регулирующего резистора; естественное воздушное охлаждение.

Досліджується можливість створення високоефективних і безпечних енергетичних комплексів, що складаються з акумуляторної батареї та зарядного пристрою до неї та призначених для експлуатації на шахтних акумуляторних електровозах. Мета роботи розробити фізичні моделі і визначити раціональні параметри батарейних зарядних комплексів, а також провести їх експериментальні дослідження. Виконано аналіз відомих в світі і в Україні технічних рішень в області хімічних джерел струму та способів їх заряду. Виділено пріоритетні напрямки досліджень: розробка наукових основ створення батарейних зарядних комплексів на основі свинцево-кислотних акумуляторних батарей тягового типу; підвищення стійкості свинцевих акумуляторів та мінімізація газовиділення в них; підвищення енергетичної ефективності і безпеки зарядних процесів в умовах вугільної шахти. Проведено аналіз існуючого технічного рівня засобів і способів створення енергозберігаючих зарядних комплексів. В якості пріоритетних виділені наступні способи: застосування намазної електродної пластини з подвійною сепарацією в сукупності з компресією електродного блоку, забезпечення рекомбінації газу всередині акумулятора по кисневому циклу. Розроблено принципи моделювання і алгоритми розрахунку основних параметрів батарейних зарядних комплексів. Визначено найбільш оптимальні параметри і умови зарядного режиму, що забезпечують енергоефективність і пожежовибухобезпеку. Для реалізації зарядного режиму запропоновано надійний, безпечний і енергозберігаючий зарядний пристрій, ефективність якого забезпечується наступними особливостями: мінімізація вузлів силової електроніки; застосування обмежувально-регулюючого резистора; природне повітряне охолодження.

A possibility to create a highly efficient and safety power complexes consisting of a storage battery with charger for using in the mine storage-battery locomotives was studied. Objective of the study: to develop physical models, and to determine rational parameters for the battery charging systems, as well as to conduct experimental study with them. Different technical solutions on chemical current sources and methods of their charging known in the world and in Ukraine were analyzed. The following research priorities were established: to develop scientific bases for creating battery charging systems based on the lead-acid batteries of traction type; to improve lead-acid battery stability and to minimize gas emissions in them; and to improve energy efficiency and safety of charging process in the coal mines. Current technical level of equipment and methods for designing the energy-efficient charging systems were analyzed. The following methods were chosen as the priorities: usage of smeared electrode plates with double separation in combination with compression of electrode assembly, and gas recombination inside the battery by oxygen cycle. Principles and algorithms of modeling were developed for calculating basic parameters of the battery charging systems. The most optimal parameters and conditions for the discharge regime were determined, which would provide energy efficiency and fire and explosion safety. In order to realize this charging regime, a reliable, safety and energy-efficient charger is proposed, effectiveness of which is ensured by the following features: minimum components in the power electronics, restrictive-andregulating resistor, and natural air cooling.