Энергоустановки двигателей

Энергоустановки двигателей

Контрольная работа

Тема

Энергоустановки двигателей

1. Характеристики тяговых аккумуляторных батарей

К электрохимическим аккумуляторным батареям, используемым на транспортных средствах, предъявляют следующие требования:

высокая удельная энергоемкость;

минимальный саморазряд;

высокий КПД при заряде и разряде;

малое внутреннее сопротивление;

широкий диапазон рабочих температур;

минимум токсичных газовыделений;

взрыво- и пожаробезопасность в эксплуатации;

простота в обслуживании;

механическая прочность, и надежность,

длительный срок службы и хранения;

минимальные массогабаритные и стоимостные показатели и др.

Тяговые аккумуляторные батареи (ТАБ) - весьма сложная электрохимическая система с непрерывно меняющимися параметрами. За период разряда аккумуляторов в них происходит распад исходных и образование новых химических соединении, перераспределение плотностей электролита, газовыделение и т.д. Поэтому параметры ТАБ могут изменяться в функции времени, режима разряда, температуры и пр.

В условиях эксплуатации ТАБ работают в неустановившихся прерывистых режимах разряда (а при наличии рекуперативного торможения и кратковременных подзарядов) с изменяющимся значением разрядного (зарядного) тока. В связи с этим аналитические выражения, связывающие параметры ТАБ (ток, время разряда, емкость, напряжение батареи и др ), найти весьма сложно, их можно получить только для конкретных типов аккумуляторов и определенных режимов и условий их работы в неудобной для практического применения форме. Поэтому для ТАБ целесообразно пользоваться схемой замещения и графическими зависимостями.

Электродвижущаяся сила ТАБ большинства известных электрохимических аккумуляторов не зависит от температуры электролита и окружающей среды и за время полного разряда батареи снижается на 10…15 % от начальной величины.

Значением R0 в ряде случаев можно пренебречь ввиду его малости ( Ом на элемент). Однако, если сопротивление нагрузки соизмеримо или меньше R0, этот параметр необходимо учитывать, так как он в большой мере обусловливает КПД разряда и заряда аккумуляторов. Для всех типов ТАБ сопротивление R0 увеличивается с возрастанием степени разряженности батареи и снижением температуры электролита.

В импульсном режиме ТАБ пульсация ее выходного напряжения определяет полное внутреннее сопротивление, модуль которого

где ,  и  - активное, индуктивное и емкостное сопротивления ТАБ.

Индуктивное сопротивление обусловлено геометрией ТАБ и пространственной ориентацией токопроводящих элементов, образующих контуры с индуктивностью 0,2…1 мкГн на один элемент. Емкостное сопротивление определяется процессами поляризации электролита. Падение напряжения на сопротивлении  называется ЭДС поляризации, составляющей 3…10 % от ЕТАБ. Время полного установления ЭДС поляризации достигает нескольких десятков секунд. Однако практически при токах ТАБ свыше 200. А уже через 1 с отклонение ЭДС поляризации от установившегося значения не превышает 3…5 %.

Следует учитывать явление непрерывного саморазряда ТАБ, происходящего вследствие выделения кислорода на положительном электроде и из за конечного значения сопротивления изоляции. За первые сутки хранения в заряженном состоянии при температуре окружающей среды 20 °С за счет саморазряда запасенная энергия ТАБ уменьшается приблизительно на 5 %. При дальнейшем хранении скорость саморазряда падает

Для ТАБ наиболее важными являются внешние характеристики  при различных значениях степени заряженности Q (рис.4.2). Эти характеристики конкретного типа ТАБ не зависят от режима разряда. Энергия, отдаваемая ТАБ, напротив, обусловлена режимами разряда.

Она в общем случае определяется согласно

, а при  -

Отношение полезной энергии , отданной батареей за время ее полного разряда, к начальному запасу энергии  есть КПД разряда ТАБ:

где  - потери энергии на внутреннем сопротивлении батареи.

Поскольку при любом разрядном токе степень заряженности аккумуляторной батареи с течением времени падает, то внешние характеристики ТАБ целесообразно давать в пространственной системе координат (см. рис. 4.3).

Полезная мощность батареи  является функцией разрядного тока и формы его кривой, степени разряженности, температуры электролита и определяется выражением

На рис. 4.4 представлены зависимости  при различной степени заряженности для ТАБ типа 72ЭЖНТ-160У2.Дифференцируя (1.1) и приравнивая результат нулю, получим предельный максимальный пусковой ток, соответствующий наибольшей мощности

Так как по мере разряда батареи уменьшается ЭДС и возрастает внутреннее сопротивление, то максимальный пусковой ток следует вычислять для Q = 20…25 %. Например, для батареи указанного типа максимальный пусковой ток не должен превышать 420 А.

. Характеристики топливных элементов

В отличие от ТАБ, позволяющих аккумулировать электрическую энергию для последующей отдачи её потребителю, топливные элементы предназначены только для получения электрической энергии в процессе реакции окисления. Также как и ТАБ батареи топливных элементов (БТЭ) сравниваются по внешним характеристикам UБТЭ(IБТЭ). Внешняя характеристика  имеет падающий характер, причем значение динамического сопротивления обусловливается удельным расходом реагентов (топлива  и окислителя , если это не кислород воздуха) и реализуемой мощностью.

В рабочем диапазоне тока нагрузки  внешняя характеристика ЭУ этого типа может быть аппроксимирована уравнением

где  - напряжение ЭУ при ;  - коэффициент жесткости внешней характеристики ЭУ, определяемый динамическим сопротивлением и соответствующий удельному расходу топлива . Указанные характеристики представлены на рис.4.5 кривыми  (предельная ) и  (частичная ).

аккумуляторный батарея топливный электрический

Чтобы исключить превышение допустимой нагрузки на единичный элемент БТЭ и вместе с тем обеспечить необходимый диапазон изменения тока , применяют последовательно-параллельное переключение элементов или их групп. Тогда, если ЭУ содержит всего п элементов, то внешние характеристики  и  (рис.4.5) соответствуют их последовательному соединению

характеристики  (предельная, ) и  (частичная, ) - параллельному соединению элементов в т ветвей с п/т последовательно включенными элементами в каждой ветви

На рис.4.6 представлены зависимости  энергоустановки с топливными элементами. Здесь кривые ,  соответствуют характеристикам ,  на рис.4.4; прямые и  суть ограничения мощности в функции ,, . При переключении элементов с последовательного на параллельное соединение кривые ,  (рис.4.5) соответствуют внешним характеристикам ,  (см. рис.4.4).

Таким образом, внешние характеристики БТЭ -  и зависимости  варьируют только с изменением параметров управления, а именно:  (или ), п, т в интервале токов нагрузки  в течение времени  все ограничения внешних характеристик остаются неизменными, т.е. они инвариантны количеству запасенной или израсходованной энергии.

3. Характеристики комбинированных энергоустановок

Внешняя характеристика комбинированной энергоустановки (КЭУ) сочетанием источников энергии, когда используют два различных типа ТАБ, обусловлена их свойствами и представляет собой нелинейную функцию нагрузки ТЭД и времени работы привода в режимах тяги и рекуперативного торможения. Поэтому определяющим критерием при оценке подобной энергоустановки остается обеспечение максимального пробега электромобиля при наиболее рациональном использовании запасенной энергии.

В КЭУ со вторым сочетанием источников, где пусковой источник - ТАБ, а тяговый - теплоэлектрический преобразователь (ТЭП), аккумуляторная батарея работает непродолжительное время, имеет сравнительно небольшой запас энергии и обеспечивает в основном требуемую динамику разгона электромобиля, а его общий пробег за транспортный цикл осуществляется за счет энергии ТЭП, у которого способы пополнения запаса энергии (топлива) и влияние режимов на внешние характеристики не являются определяющими показателями. Иначе: внешние характеристики КЭУ обусловлены как типом применяемых источников и их режимами в течение транспортного цикла электромобиля, так и соответствующим сочетанием свойств и характеристик каждого из них.

Внешние характеристики двух указанных типов КЭУ приведены на рис. 4.8 и 4.9 (для упрощения характеристики ТАБ показаны линейными).

На рис. 4.10 и 4.11 внешние характеристики ТАБ и КЭУ показаны для моментов начала  и конца цикла. В рабочем интервале токов  характеристики пускового источника и ; тяговых источников: аккумулятора и , теплоэлектрического преобразователя . При выборе пускового источника следует обеспечивать выполнение условия . Запас по току () должен быть таким, чтобы при пуске электромобиля на зажимах КЭУ было необходимое напряжение, соответствующее ординатам точек  (рис. 4.8 и 4.9). Тогда внешние характеристики КЭУ суть кривые , в момент  и кривые ,  в момент .

На рис. 4.8 и 4.9 приведены также зависимости Рэу(Iэу), соответствующие началу и концу транспортного цикла.

В СТПЭ с КЭУ источники энергии могут питать ТЭД одновременно или поочерёдно. При одновременной работе (рис. 4.10а) один из источников энергии (здесь ТЭП) функционирует непрерывно при постоянной мощности генератора . Требуемая в течение времени  пуска и разгона максимальная мощность  достигается суммированием мощности  и разрядной мощности аккумуляторной батареи , обеспечивая энергию  расходуемую на разгон подвижного состава до установившейся скорости . По окончании разгона в момент времени  ТАБ отключают; поддержание постоянной скорости движения в течение времени  осуществляется за счет части мощности генератора , обусловливая расход энергии . В момент  подвижного состава переводят в режим выбега в течение времени . Далее за время  идет процесс торможения. Энергия , которую дает генератор, расходуется на подзаряд батареи: за время  - за счет мощности , а за время , - за счет мощности .

При поочерёдной работе источников (рис. 4.10б) в течение времени  работает только ТАБ и при достижении скорости  включают второй источник, а батарею отключают. Мощность  за время  расходуется как на поддержание заданной скорости, так и на подзаряд ТАБ, а за время - только на восстановление запаса энергии батареи.

Для КЭУ с пусковым (ТАБ) и тяговым (ТЭП) источниками, работающими одновременно, предельная внешняя характеристика в трехмерном пространстве (,,) соответствует поверхности . Здесь отрезки  соответствуют напряжению .

Литература

Надежность и ремонт машин Под ред. В.В. Курчаткина. - М.: Колос, 2009.

Петров Ю.Н. и др. Основы ремонта машин. М.: Колос, 2008.

Российская автотранспортная энциклопедия. Техническая эксплуатация. Том 3. М.: 2008.

Сергеев А.Г. Метрологическое обеспечение автомобильного транспорта. М.: Транспорт, 2008. 247 с.

Спичкин Г.В. и др. Диагностирование технического состояния автомобилей. М.: Высшая школа, 2007.

Техническая эксплуатация автомобилей: Учебник для вузов. Под ред. Е.С. Кузнецова. М.: Транспорт, 2007. 413 с.

Техническая эксплуатация автомобилей Под ред. Г.В. Крамаренко. - М.: Транспорт, 2007.

Технологическое оборудование для ТО и ремонта легковых автомобилей. М.: Транспорт, 2008. 176 с.

Эксплуатация электронных средств технического диагностирования сельскохозяйственной техники. Костенко С.И. и др. - Высшая школа, 2007. 54 с.