ЛИТИЙ-ТИТАНАТНАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПИТАНИЯ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ МОТОРНЫХ ВАГОНОВ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к литий-титанатным аккумуляторным батареям (ЛТАБ) с микропроцессорным блоком управления (МБУ), которые предназначены для обеспечения системы автономного питания моторного вагона, например, для открытия дверей в вагоне, освещения, системы оповещения и т.д. Предлагаемые батареи служат источником питания постоянным током электрических аппаратов и устанавливаются на головных и прицепных моторных вагонах ЭД4М.
Из уровня техники известны следующие технические решения.
Известен аккумулятор вагонного хозяйства, включающий корпус с внутренними ребрами и размещенными в нем блоками электродов, составленными из перфорированных ламелей (см. М.А. Дасоян и др. Производство электрических аккумуляторов, М., «Высшая школа», 1977, с.71, 310-311).
Недостатком указанного технического решения является высокое внутреннее сопротивление аккумулятора и не учитывается температурный режим аккумулятора, что важно при его эксплуатации.
В настоящее время на мотор-вагонном подвижном составе ОАО «РЖД» (далее МВПС) применяются устаревшие никель-кадмиевые АКБ. Данные АКБ имеют низкую надежность, ограниченный срок службы (не более 3-х лет), требуют содержания специальных аккумуляторных помещений и оплаты труда специализированного персонала для проведения большого набора операций в соответствии с регламентом обслуживания данного типа батарей.
Литий-титанатные аккумуляторные батареи используются в современных локомотивах в качестве источника питания для тягового двигателя, в том числе для обеспечения передвижения электровозов на короткие расстояния в неэлектрических зонах (например, патент CN 114228752 A, дата публикации 25.03.2022).
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в расширении арсенала технических средств для осуществления автономного питания электрических аппаратов, входящих в состав моторных вагонов, обеспечивающих экономию электроэнергии, а также увеличивающих срок службы АКБ до более чем 10 лет.
При этом стояла задача обеспечить размещение новых АКБ в аккумуляторном отсеке моторного вагона, локомотива без внесения изменений в его конструкцию и электрическую схему локомотива.
Технический результат состоит в реализации назначения полезной модели с обеспечением продолжительной автономной работы и самодиагностики на основе данных, определяемых устройством управления батареей, за счет того, что каждый описываемый батарейный блок имеет свое устройство управления, которая работает независимо от устройств управления в других аналогичных батарейных блоках, установленных в одном вагоне, и этим обеспечивается децентрализация управления ЛТАБ, а также повышается надежность работы ЛТАБ.
Заявленный технический результат достигается за счет конструкции батарейного модуля литий-титанатной аккумуляторной батареи для обеспечения питания постоянным током электрических аппаратов моторных вагонов, содержащей корпус с основаниями под токовыводы, внутри которого расположен держатель с верхним и боковыми прижимами, в пространстве, образованном между держателем и прижимами, установлены литий-титанатные ячейки, соединенные в батарею токопроводящими шинами и проводами, подведенными к токовыводам корпуса через разъем, на верхнем прижиме смонтировано устройство управления батареей, содержащее блок управления, первый вход которого соединен с блоком питания, второй, третий и четвертый входы соединены с датчиком температуры, измерителем напряжения и датчиком тока, подключенными к батарее, первый выход блока управления подключен к главному контактору, выполненному замыкающим цепь при значениях, полученных от измерителя напряжения в диапазоне от 90 до 130 В, и при значениях, полученных от датчиков температуры от -50 до +60°С, также устройство содержит предохранитель.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.
Фиг. 1 - вид аккумуляторной батареи сбоку в разрезе.
Фиг. 3 - общий вид сборки аккумуляторной батареи.
Фиг. 3 - общий вид устройства управления батареей.
Фиг. 4 - схема работы устройства управления батареей.
ЛТАБ имеет модульную структуру и состоит из нескольких (от одного до десяти) батарейных модулей, соединенных последовательно. Параметры батарейного модуля приведены в таблице 1.
Конструктивно каждый модуль литий-титанатной аккумуляторной батареи для обеспечения питания постоянным током электрических аппаратов моторных вагонов представляет собой сборку, заключенную в корпусе 1 с основаниями под токовыводы 2, внутри которого расположен держатель 3 с верхним 4 и боковыми 5 прижимами. Держатель и прижимы представляют собой профили, соединенные между собой шпильками и имеющие прорези 6, профили с внутренней стороны проложены прямоугольными пластинами из стеклопластика толщиной 1,5 мм. В пространстве, образованном между держателем и прижимами, вертикально установлены литий-титанатные ячейки 7, соединенные в батарею токопроводящими шинами, соединяющие по две и по четыре ячейки - поз.8 и 9 соответственно, и проводами 10 с электромонтажными жгутами, подведенными к токовыводам 2 корпуса через разъем11.
Литий-титанатные ячейки, объединенные шинами, закреплёнными на торцевых поверхностях ячеек, и проводами, подключены к устройству управления батареей, смонтированному на верхнем прижиме 4 сборки. Устройство управления батареей включает блок управления 12 (OrionJr 2 BMS), первый вход которого соединен с блоком питания 13 (MeanWell RSD-60L-12), второй, третий и четвертый входы блока управления соединены с датчиком температуры 14 (термисторный модуль расширения), измерителем напряжения 15 и датчиком тока 16 (DHAB S118 350A Sensor), каждый из которых подключен к литий-ионным ячейкам 7, с которых блок управления считывает текущие показания напряжений (V) и температур (T) литий-титанатных ячеек 7, а также показания датчика тока 16, и на основе этой информации управляет главным контактором КМ1 17 и передает информацию о состоянии батареи по CAN-шине 18. Выход блока управления 12 подключен к главному контактору 17, управляющему разъемом 11, через который сборку подключают к токосъемникам 2 корпуса 1 модуля ЛТАБ. Схематично работа устройства показана на фиг.4.
Устройство управления батареей в каждом батарейном модуле имеет программное обеспечение, оптимизированное под работу при температуре от минус 50 градусов Цельсия.
Работает батарейный модуль следующим образом. Пользователь включает батарейные модули ЛТАБ с помощью переключателей K1 через кнопки, выведенные на внешнюю поверхность корпуса 1. К1 подает питающее напряжение на блок питания 13, представляющий собой DC/DC преобразователь, который начинает выдавать напряжение 12В для питания устройства управления батареей. Устройство управления батареей запускается, начинает считывать показания V и Т литий-титанатных ячеек. Если значения этих показателей находятся в допустимых пределах (90-130 В и от -50 до +60°С), то блок управления включает главный контактор КМ1 16 и передает информацию о состоянии батареи по CAN-шине 18 к порту ввода/вывода данных. Батарейный модуль готов к работе.
Главный предохранитель Fu1 19, установленный на стойках 20, обеспечивает защиту батарейного модуля от короткого замыкания или превышения тока нагрузки/зарядки допустимого значения до 70 А.
Все модули имеют одинаковый состав компонентов, а также одинаковый алгоритм работы, описанный выше. Так как каждый батарейный модуль имеет свое устройство управления, которое работает независимо от устройств управления в других батарейных модулях, то этим обеспечивается децентрализация и повышается надежность работы ЛТАБ.
Таблица 1. Параметры батарейного модуля
<b>Наименование</b>
<b>Оптимальное значение</b>
<b>Диапазон значений</b>
<b>min.</b>
<b>max.</b>
Номинальная емкость, А∙ч
60
20
100
Номинальное напряжение, В
110,4
90
130
Конструктивное исполнение: модульное
1
10
Габаритные размеры модуля:
Длина, мм
550 ± 2
100
1500
Ширина, мм
420 ± 2
100
1000
Высота, мм
264 ± 2
100
800
Масса, не более, кг
45 ± 1
20
250
Рекомендуемый срок службы, лет
15
5
20
Количество циклов заряд/разряд, не менее, циклов
10000
2000
20000
<b>Требования к условиям эксплуатации</b>
Батареи должны соответствовать климатическому исполнению «У» категории размещения «1» по ГОСТ 15150 со следующим уточнением:
Рабочая температура окружающего воздуха, °С
от -40 до +40
-50
+60
Пример практической реализации ЛТАБ.
Изготовлено пять модулей ЛТАБ согласно заявленной конструкции, последовательно соединены между собой с соблюдением полярности и подключены к РЩ моторного вагона по утвержденной схеме. Каждый модуль имеет следующие размеры: длина 550 мм, ширина 420 мм и высота 264 мм, масса одного модуля составляет 45 кг. Оптимальное напряжения на ячейках ЛТАБ составляет 110,4 В. При значениях, по крайней мере, на одной ячейке показателя ниже 90 В устройство управления не запускает работу модуля и сообщает посредством устройства ввода/вывода о разрядке ЛТАБ и необходимости подключения ЗУ для восстановления его рабочих характеристик. Максимальное значение, при котором ЛТАБ может продолжать работу - составляет 130 В, значения выше этого показателя означают его перезаряд, в этом случае устройство управления также не запускает работу модуля и сообщает посредством устройства ввода/вывода о перезаряде ЛТАБ. Оптимальная температура для работы устройства находится в диапазоне -40…+40°С, при этом в экспериментальных условиях было установлено, что устройство продолжает поддерживать работу при +60°С, что характерно для жаркого климата, а также при -50°С, что характерно для северного климата.