Источники питания мехатронных модулей автономных мобильных объектов

Ващенко Галина Вадимовна, канд. физ.-мат. наук, проф., vgvtogsm@yandex.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет

HEURISTIC SIMULATION MODEL OF TRUNK PIPELINE E.D. Agafonov, G. V. Vashenko

In the paper simulation models of processes in trunk pipeline are considered. A heuristic approach for pipeline segment modeling is proposed. One discusses algorithmic solution of the approach. The model is originally discreet, and it is based on principles of hydrodynamics. Some considerations on tuning of the model, as its well as graphical representation are also provided in the paper.

Key words: trunk pipeline, hydrodynamics, simulation model.

Agafonov Evgeniy Dmitrievich, candidate of technical sciences, docent, agafo-nov@gmx.de, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,

Vashenko Galina Vadimovna, candidate of physical mathematical sciences, docent, vgvtogsm@yandex. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University

УДК 62-835; 51-74

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ АВТОНОМНЫХ МОБИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

Н.И. Куликов, А.В. Макаренко, А.Е. Сорокин

На основе комплексного подхода рассмотрено современное состояние разработок и области применения литий-ионных источников питания в мехатронных модулях автономных мобильных объектов. Показана их конкурентоспособность по сравнению с щелочными и кислотными источниками питания. Проанализированы системные подходы и схемо-технические решения, используемые при проектировании литий -ионных аккумуляторных батарей с микропроцессорными системами контроля и управления в мехатронных модулях автономных мобильных объектов.

Ключевые слова: мехатронный модуль, аккумуляторная батарея, литий-ионный аккумулятор, система контроля и защиты, устройство нивелирования напряжений, байпасное устройство, автономный мобильный объект.

За последнее десятилетие в связи с бурным развитием технологий производства литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) в мехатронных модулях автономных мобильных объектов значительно расширилась их номенклатура, в том числе аккумуляторов емкостью десятки и сотни Ампер*часов. Это связано с применением в ЛИА новых электродных материалов вместо

203

традиционных анодных материалов на основе углерода и катодных материалов на базе литированных оксидов Со, Мп, N1, а также с совершенствованием конструкции и технологии изготовления ЛИА, позволивших обеспечить высокий уровень безопасности даже при их работе в нештатных режимах эксплуатации [1].

Наиболее активно ЛИА внедряются в объекты специальной и военной техники: космические аппараты, ракетные комплексы, пилотируемую и беспилотную авиацию, необитаемые и обитаемые подводные аппараты, медицинскую технику и др. По мере сближения стоимости герметизирова-ных свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов последние становятся все более перспективными для различных применений, в том числе в системах бесперебойного электропитания, что связано с высокими удельными энергетическими и мощностными характеристиками, повышенным сроком службы и КПД, отсутствием газовыделения (водород) из электролита при высоких и деградации (сульфатации) электродов при низких потенциалах.

Переход на электроды, использующие модифицированные нано-размерные материалы (прежде всего литированный оксид титана и лити-рованный фосфат железа), позволил увеличить ресурс работы ЛИА при глубоких (70...80 %) разрядах до 3000...5000 циклов. При этом удельная энергия ЛИА с нанотитанатными анодами достигает 80 Вт*ч/кг, а с нано-фосфатными катодами - 140 Вт*ч/кг (теоретически достижимая удельная энергия ЛИА - 890 Вт*ч/кг) Новые электроды наряду с модифицированными электролитами позволяют эффективно (на 50...80 %) разряжать ЛИА при температурах до минус 40 °С. Кроме того, за последние несколько лет благодаря интенсивному росту объемов производства высокоемких ЛИА в Китае произошло резкое (в несколько раз) снижение стоимости ЛИА: многие производители предлагают свои ЛИА энергетических серий по цене от 0,5 до 1 $/Вт*ч.

В связи с вышесказанным области применение батарей ЛИА непрерывно расширяются: кроме практически 100 % применения в портативных бытовых устройствах связи, фото- и видеотехники они активно вытесняют из традиционных областей мобильных и стационарных применений не только относительно дорогие щелочные (никель-кадмиевые, никель-металлогидридные и др.) аккумуляторы, но и свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА) большой емкости.

Многообразие областей применения ЛИА определяет не только большую номенклатуру производимых емкостей и типоразмеров аккумуляторов, но и широкие диапазоны напряжений (от семи до нескольких сотен Вольт) батарей на их основе, необходимые для реализации высоких мощностных, энергетических и эксплуатационных характеристик электрических накопителей.

При проектировании для всех литий-ионных АБ общими требованиями являются обеспечение безопасности и удобства эксплуатации, а также достижение при циклическом режиме работы полного разряда всех ЛИА, а не работа по графику наиболее слабого элемента. Это достигается введением в состав АБ электронной системы контроля и управления (СКУ), осуществляющей мониторинг состояния и защиту батареи от возникновения опасных режимов работы и предоставляющего пользователю информацию об ее основных параметрах.

Защита от возникновения опасных режимов работы осуществляется путем нивелирования разбаланса напряжений ЛИА и формирования управляющих сигналов для изменения режима работы внешних устройств или для отключения батареи от внешних силовых цепей с помощью коммутационной аппаратуры, конструктивно размещаемой как в составе АБ, так и вне ее [2].

Для защиты АБ от перезаряда и переразряда СКУ осуществляет измерение напряжения каждого ЛИА в батарее. При этом измерительные цепи всех аккумуляторов должны быть гальванически развязаны и рассчитаны на работу при напряжении, соответствующем максимальному напряжению АБ. Для большинства применений точность измерения напряжения ЛИА должна быть не хуже ±20 мВ. При формировании управляющих сигналов по уровню напряжений ЛИА необходимо учитывать падение напряжения на их внутреннем сопротивлении и температуру аккумулятора.

Поэлементный контроль температуры ЛИА необходим также для защиты АБ от перегрева. В последнее время для этих целей часто применяются датчики температуры с цифровым или аналоговым выходом, относительно простые в использовании и обеспечивающие точность измерения ±(1...2) С. Терморезисторы или термопары продолжают использоваться для ряда специальных применений, связанных с работой АБ в экстремальных условиях или с ограничениями в использовании импортной элементной базы.

Для измерения тока в АБ наряду с шунтами используются датчики тока холловского типа, широкая номенклатура которых позволяет измерять токи в диапазоне от 10 до 1000 А с точностью порядка ±2%. Кроме подсчета зарядной и разрядной емкостей АБ, величина тока необходима для расчета корректирующих поправок к измеренным значениям напряжения ЛИА. Датчики тока также могут быть использованы для защиты от токовых перегрузок силовых цепей АБ наряду с плавкими вставками или самовосстанавливающими предохранителями, которые защищают АБ только от токов короткого замыкания (КЗ) и неэффективны при относительно небольших (1,5- - 2-кратных) токовых перегрузках.

Наиболее сложно реализуемой задачей является обеспечение работоспособности АБ при отказах (КЗ или обрыв) внутри ЛИА. Обрыв в ЛИА наиболее опасен при их последовательном соединении в АБ, короткое замыкание - при их параллельном соединении.

Защита от внутренних КЗ в основном строится на уровне ЛИА при их изготовлении:

сепараторы, плавящиеся при превышении допустимых токов; самовосстанавливающиеся температурные предохранители различных типов;

токопроходы, разрушающиеся при повышении давления внутри аккумулятора, и др.

При параллельном соединении ЛИА дополнительно для защиты от последствий внутренних КЗ последовательно с каждым из них устанавливается плавкая вставка.

Для сохранения работоспособности АБ при отказе одного из ЛИА при их последовательном соединении необходимо вывести его из силовой цепи, одновременно сохранив ее целостность. Для этого используются электромеханические или электронные байпасные устройства, которые управляются СКУ [3]. Они могут устанавливаться непосредственно на борнах ЛИА для отвода через них выделяющегося в байпасном устройстве тепла (рис. 1).

Рис. 1. Электронное байпасное устройство на рабочие токи

до 100 Ампер

Важной функцией СКУ является аппаратное выравнивание степени заряженности (нивелирование разбаланса напряжений) единичных аккумуляторов в АБ. Причиной разбаланса напряжений является различие в степени заряженности аккумуляторов, обусловленное различиями в скоростях их саморазряда. Саморазряд обусловлен как токами утечек через внешние и внутренние электрические цепи аккумуляторов, так и электрохимическими процессами, протекающими на их электродах. Следствием разбаланса напряжений является работа батареи по «худшему» (наиболее разряженному) аккумулятору, даже если он имеет наибольшую номинальную емкость среди всех аккумуляторов в батарее.

206

Наиболее простым, но достаточно эффективным системным методом нивелирования разбаланса в АБ большой и сверхбольшой емкости является ее заряд многоканальным зарядным устройством. Для низковольтных портативных АБ хорошо зарекомендовали себя схемотехнические решения, обеспечивающие автоматическую перекоммутацию АБ с последовательной схемы на параллельную при подключении к ней специализированного зарядного устройства [4].

В активных выравнивающих устройствах обычно реализуются трансформаторные схемы перераспределения энергии в АБ или используется подзаряд «отстающих» ЛИА от одного или нескольких источников постоянного тока, питание которых осуществляется с выхода АБ или от внешнего источника энергии (например, зарядного устройства). Такие устройства, обеспечивающие большие выравнивающие токи, позволяют не только нивелировать разбаланс напряжений в АБ, но и обеспечивать ее полный разряд, а не работать по графику худшего ЛИА.

На рис. 2 показан выполненный на отечественной элементной базе трансформаторный блок ТБНН-15А, позволяющий при разбалансе напряжений в 1 В обеспечить перетекающие токи между ЛИА в АБ до 15 А. При испытаниях уже на первом цикле выравнивания он позволил увеличить разрядную емкость разбалансированной АБ с 7,2 до 13,3 А*ч. В последующих (2 - 5) циклах, несмотря на частичную потерю ЛИА своей емкости, он позволил разрядить АБ на 15,3 А*ч, обеспечивая при этом одновременный полный разряд всех ЛИА.

Рис. 2. Внешний вид и графики, иллюстрирующие работу трансформаторного блока выравнивания напряжения ТБНН-15А [3]

207

Для удобства эксплуатации АБ информация о ее состоянии может передаваться во внешнюю систему управления по стандартному цифровому каналу, выводиться на дисплей или отображаться с помощью светодио-дов, используя интуитивно понятную «светофорную» цветовую символику, индицируя состояние одного из параметров АБ в трех градациях: «Норма», «Предупреждение», «Авария». При необходимости, используя один двухцветный светодиод в режимах постоянного и прерывистого свечений, можно отображать до 10 состояний одного из параметров АБ.

На рис. 3 показан источник бесперебойного электропитания для имплантируемой системы вспомогательного кровообращения на базе двух литий-ионных АБ емкостью 10 и 1,5 А*ч, степень заряженности которых индицируется двумя светодиодами, реализующими 6 градаций состояния заряда основной и резервной АБ.

Рис. 3. Источник бесперебойного электропитания на базе основной (14В/10А *ч) и резервной (14В/1,5А *ч) АБ на ЛИА фирмы «Кокат»

Необходимо отметить особо, что основным принципом построения системы питания, приведенной на рис. 3, является применение комбинированной (гибридной) энергоустановки, содержащей источники энергии и источники мощности. Целесообразность применения комбинированной системы обусловлена существенным различием средней и пиковой мощности.

Для достижения необходимого значения пиковой мощности в системе питания предусмотрен электрический накопитель, выполненный на базе электромеханических конденсаторов (ионисторов).

Электролитические конденсаторы, хотя и имеют чрезвычайно низкое внутренне сопротивление, могут использоваться в качестве накопителей только в миллисекундном интервале из-за низких энергетических характеристик.

Ионисторы же по своим характеристикам находятся между электролитическими конденсаторами и химическими аккумуляторами. Время их разряда лежит в диапазоне, измеряемом единицами и десятками секунд. В отличие от химических аккумуляторов принцип их действия основан на

физических явлениях переноса и накопления заряда и не связан с химическими превращениями на электродах. Поэтому они могут работать на более высоких, чем аккумуляторные батареи, частотах, отдавать большую мощность и имеют ресурс работы десятки тысяч часов.

В свою очередь, аккумуляторные батареи являются инерционными источниками тока, они плохо работают в импульсных режимах с частотами выше десятых долей Гц. Однако аккумуляторы могут поддерживать заданный ток в течение длительного промежутка времени (измеряемого часами), хотя не обеспечивают высоких разрядных токов. При разряде большими токами резко снижается отдаваемая химическими аккумуляторами электрическая емкость, повышается внутреннее тепловыделение и уменьшается срок их службы.

Высоковольтные высокоемкие АБ следует строить по модульному принципу исходя из требований обеспечения электробезопасности при монтаже и ремонте, а также возможности их транспортировки и монтажа с минимальным использованием подъемно-транспортных механизмов. В них используются СКУ, также построенные по модульному принципу с 2 -3 уровнями управления.

На рис. 4 показана аккумуляторная батарея с номинальным напряжением 115 В на базе 32 литий-полимерных аккумуляторов фирмы «Кокат» емкостью 40 А*ч с двухуровневой системой контроля, выравнивания и защиты (СКВЗ). Измерение напряжения и температуры ЛИА осуществляют два модуля контроля и выравнивания (МКВ), передающих измеренные данные в блок верхнего уровня - модуль управления (МУ). По его командам они также обеспечивают нивелирование разбаланса напряжений в батарее путем подзаряда отстающих ЛИА с помощью двух источников тока, питающихся с выхода АБ. В модуль управления также поступает информация с модуля датчика тока, которая используется для расчета зарядной и разрядной емкости, а также для защиты АБ от токовых перегрузок.

Защита АБ от опасных режимов работы осуществляется путем формирования предупреждающих и аварийных сигналов (замыкание «сухих» контактов) для внешних устройств (зарядного устройства, нагрузки). Информация об основных параметрах АБ и сформированных МУ аварийных и предупредительных сигналах выводится на 4-строчный дисплей в модуле индикации. Индицируемые на дисплее параметры изменяются в зависимости от режима работы АБ.

Архитектура МУ позволяет осуществлять обмен информацией с внешними устройствами по одному или нескольким стандартным цифровым интерфейсам, а также поддерживать работу до 15 модулей нижнего уровня.

Учитывая, что МКВ могут контролировать до 16 ЛИА, данная СКВЗ может быть использованы для построения АБ из 240 ЛИА.

Рис. 4. Аккумуляторная батарея 32ЛИА40

Выводы

1. Наиболее перспективным типом электрических накопителей, используемых в мехатронных модулях автономных мобильных объектов, в настоящее время являются литий-ионные аккумуляторные батареи.

2. Литий-ионные аккумуляторные батареи могут успешно конкурировать не только с щелочными, но и со свинцово-кислотными аккумуляторными батареями в областях их традиционного использования, причем не только по техническим, но и по ценовым параметрам.

3. При проектировании литий-ионных аккумуляторных батарей мехатронных модулей автономных мобильных объектов решение вопросов обеспечения надежности и безопасности их работы приобретает принципиально важное значение.

4. При явно выраженном импульсном характере нагрузки в мехатронных модулях целесообразно применение комбинированных систем питания, содержащих источники энергии и источники мощности.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, проект №32.

Список литературы

1. Груздев А.И. Основные тенденции и направления развития автономной электроэнергетики. Электричество. 2008. №10. С. 2-11.

210

2. М.Ф. Ганзбург, А.И. Груздев, А.В. Кузовков, В.И. Трофименко Физические проблемы водородной энергетики: тезисы докладов V Российской конференции. СПб., 2009. С. 205-206.

3. Ганзбург М.Ф., Груздев А.И. Трофименко В.И. // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: материалы Х1 Междунар. конф./под. Ред. М.С. Плешакова. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ). 2010. С. 289 - 293.

4. Груздев А.И., Куликов Н.И. Мехатроника, автоматизация, управление . 2007. №8. С. 41- 47.

Куликов Николай Иванович, канд. техн. наук, проф., nik@mai.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет),

Макаренко Александр Валерьевич, канд. техн. наук, доц., makarenko@mai.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),

Сорокин Андрей Евгениевич, канд. экон. наук, доц., зав. кафедрой, sorokin@mai.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт

POWER SUPPLIES FOR MEKHA TRONNYKH MODULES OF AUTONOMOUS

MOBILE OBJECTS

N.I. Kulikov, A.V. Makarenko, A.E. Sorokin

On the basis of an integrated approach the current state of development and a scope of litiesion power supplies in the mekhatronnykh modules of autonomous mobile objects is considered. Their competitiveness in comparison with alkaline and acid power supplies is shown. The system approaches and circuitry decisions used at design of litiesion batteries with microprocessor control and management systems in the mekhatronnykh modules of autonomous mobile objects are analysed.

Key words: the mekhatronnykh module, the battery, lithiumion accumulator, the monitoring system and protection, the device of leveling of tension, the bypass device, autonomous mobile object.

Kulikov Nikolay Ivanovich, candidate of technical sciences, professor, nik@,mai.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),

Makarenko Alexander Valeryevich, candidate of technical sciences, docent, maka-renko@mai.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),

Sorokin Andrey Evgeniyevich, candidate of economic sciences, docent, head of chair, sorokin@mai. ru , Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute