Расчет величины напряжения и емкости аккумуляторной батареи для комбинированной энергоустановки

УДК 629

РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ЕМКОСТИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ В.В. Веревкин; В.В. Миханошин, МГУ им. адм. Г.И. Невельского, Владивосток

Одной из важнейших задач при разработке комбинированных энергоустановок для морского транспорта является расчет энергоемкости химического накопителя энергии. Рассмотрены факторы, влияющие на выбор величины напряжения и емкости АБ. Приведены зависимости времени работы гребного электродвигателя от энергоемкости АБ. Определена методика расчета емкости АБ в зависимости от мощности синхронного генератора.

Известно, что, чем больше напряжение в линии электропередачи, тем меньший нужен ток для передачи той же мощности. При уменьшении тока в проводнике уменьшаются омические потери на нагрев проводов и можно уменьшить их сечение. Таким образом, применив повышенное напряжение, можно сэкономить на проводниках: чем тоньше кабель, тем он дешевле. При использовании частотных преобразователей также целесообразно применять высокое напряжение: чем меньше коммутируемый ток, тем меньше потери в силовых ключах. Например, у первых гибридных автомобилей Prius напряжение аккумуляторной батареи (АБ) составляло 274 В, в последующих сериях оно равно 500 В [1]. С другой стороны, чем больше напряжение электроустановки, тем большую опасность представляет для человека ее обслуживание и эксплуатация. Поэтому напряжение должно выбираться максимально возможным при условии сохранения требований по электробезопасности.

Энергоемкость АБ определяется как произведение емкости на напряжение. При увеличении напряжения число последовательно соединенных элементов увеличивается, а число параллельных ветвей уменьшается, что благоприятно сказывается на работе АБ. Так как известно, что предпочтительнее использовать для равномерного разряда элементов последовательное соединение.

Расчет емкости и выбор напряжения химического источника энергии должен производиться из условия возможности потребления АБ полной мощности дизель-генератора (ДГ) при стоянке судна. Это необходимо для обеспечения непрерывной работы дизеля с номинальной нагрузкой на валу [2]. Примем мощность синхронного генератора (СГ) Рсг = 25 кВт, коэффициент полезного действия (КПД) управляемого выпрямителя при полной нагрузке т)ув = 0,9. Тогда зарядная мощность АБ определится выражением

Рз.аб — Рсг • %в - 22,5 кВт.

Определим зависимость зарядного тока и емкости от номинального значения напряжения для свинцово-кислотной и щелочной АБ. Примем следующий ряд значений напряжений АБ: 110, 220, 380, 660, 1000, 1200 В. Число элементов кислотной АБ:

иа5

и1кисл

пкисл

где и1кисл - 2В - среднее разрядное напряжение одного элемента кислотной АБ.

Число элементов щелочной АБ:

и

где и1щел - 1,25В - среднее разрядное напряжение одного элемента щелочной АБ.

Зарядное напряжение кислотной АБ:

изкисл — и1зкисл ' пкисл,

где и1зкисл - 2,4В - зарядное напряжение одного элемента кислотной АБ. Зарядное напряжение щелочной АБ:

изщел — и1зщел ' пш,ел,

где и1зщел - 1,8В - зарядное напряжение одного элемента щелочной АБ. Зарядный ток АБ:

р

1з = ,

и з.а5

где и3.аб - зарядное напряжение аккумуляторной батареи, В.

Нормальный зарядный ток Аб щелочных и кислотных АБ в зависимости от индивидуальных особенностей изменяется от 0,1С до

0,25С, где С - емкость аккумулятора. При большем токе АБ можно повредить, при меньшем - заряд происходит более медленно. Поэтому емкость АБ можно рассчитать из соотношения

С — (4 + 10) !з.

Результаты расчетов сведены в таблицу, из которой видно, что при и = 110 В для подвода зарядного тока к кислотной АБ нужен кабель с сечением жилы не менее 35 мм2, а при и = 660 В для того же типа АБ сечение должно быть 2,5 мм2. Из сравнения видно, что при увеличении напряжения в 6 раз, сечение токопровода уменьшилось в 14 раз.

Расчетные параметры АБ

иаб1 иаб2 иабз иаб4 иаб5 иаб6

Номинальное напряжение АБ, В 110 220 380 660 1000 1200

Число элементов кислотной АБ пкисл 55 110 190 330 500 600

Число элементов щелочной АБ, Пщел 88 176 304 528 800 960

Зарядное напряжение кислотной АБ, В 132 264 456 792 1200 1440

Зарядное напряжение щелочной АБ, В 158,4 316,8 547,2 950,4 1440 1728

Зарядный ток кислотной АБ, А 170,5 85,2 49,3 28,4 18,8 15,6

Зарядный ток щелочной АБ, А 142 71 41,1 23,7 15,6 13

Емкость кислотной АБ, Ач 682- 1705 340,8- 852 197,2- 493 113,6- 284 75,2- 188 62,4- 156

Емкость щелочной АБ, Ач 568- 1420 284- 710 164,4- 411 94,8- 237 62,4- 156 52-130

На рис. 1 показаны зависимости зарядного тока от напряжения АБ.

Из рис. 1 видно, что при напряжении АБ 380 В оба графика имеют наибольшую кривизну: при увеличении напряжения более 380 В зарядный ток уменьшается незначительно, а при уменьшении напряжения менее 380 В зарядный ток резко возрастает. Следовательно, при выбранной мощности СГ напряжение АБ следует принять 380 В.

Рис. 1. Зависимость зарядного тока от напряжения АБ:

1 - для свинцово-кислотной АБ; 2 - для щелочной АБ

Расчет емкости АБ. Энергоемкости АБ должно хватать для обеспечения требуемого времени работы АД заданной мощности на гребной винт как при одиночной работе, так и при работе в параллель с дизелем. Расчет емкости АБ удобно производить численным методом. Пусть требуемое количество энергии в сутки для питания гребного электродвигателя Оад = 70 кВтч, напряжение АБ иаб = 380 В, допустимая глубина разряда АБ Н = 20 %, зарядный и разрядный ток не более 0,1 С, где С - емкость АБ в Ач, кПд инвертора, от которого питается АБ, щ = 0,9. Тогда АБ должна отдать

Оаб = Оад / Щи = 77,8 кВт ч.

Емкость АБ определяется по формуле:

„ Оаб  1000

С = —---------.

иаб • Н

Подставив значения величин Н, Оаб и иаб, получим С = 1024 Ач. Сравнивая эту величину с ранее найденным значением емкости при и = 380 В, видно, что она более чем в 2 раза (для кислотных АБ) и почти в 2,5 раза (для щелочных АБ) ее превосходит при С = 10/3.

Следовательно, береговой зарядный агрегат должен быть во столько же раз мощнее судового СГ.

Требуемое количество энергии определяется суммой

П

Оаб = ЕЫ ,

I =1

где РI - мощность, развиваемая АД за время (;.

Мощность на винте пропорциональна частоте его вращения в

третьей степени

Рв = ка3,

где к - конструктивный коэффициент.

Зависимость времени работы АД при питании его от АБ от мощности на винте выражается из формулы (4), ч:

С  и  Н

= Рв '

График зависимости t = ^Рв) построен на рис. 2. На рис. 3 изображена зависимость мощности на винте при различных режимах хода.

О 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 ^

Рис. 3. Зависимость мощности на винте от частоты его вращения:

1 - швартовный режим; 2 - режим с номинальной нагрузкой на борту;

3 - режим холостого хода

По приведенному выше (см. рис. 2) графику можно определить время работы АБ на АД в зависимости от нагрузки последнего.

При т = тн в режиме с номинальной нагрузкой мощность на винте равна мощности СГ. Из графика, изображенного на рис. 3, можно определить время работы АД от АБ при заданной скорости вращения винта. Например, при т/тн = 0,74 мощность Рв = 10 кВт (на кривой 2), по этому значению мощности определяется время работы АБ, в данном случае оно равно 8 ч.

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы.

1. Целесообразно использовать максимально допустимое напряжение АБ, последовательно соединяя элементы. При этом улучшаются условия работы АБ, можно применять относительно тонкие соединительные кабели, уменьшаются тепловые потери в преобразователях и проводниках.

2. Емкость АБ и мощность СГ выбираются в зависимости от условий эксплуатации судна. Для пассажирского катера и любого другого судна, работа которого характеризуется режимами с частыми остановками, энергоемкость АБ нужно рассчитывать из условия возможности потребления АБ полной мощности ДГ при стоянке судна. При Рсг< Рз.аб увеличивается длительность процесса заряда, при Рсг> Рзаб при стоянке судна дизель будет работать в неэкономичных

долевых режимах. Чем больше энергоемкость АБ, тем мощнее можно использовать АД и тем меньше может быть дизель.

Библиографический список

1. http://www.ecrostech/com/prius/oriainal/PriusFrames/htm.

2. Веревкин В.Ф. Применение комбинированных энергоустановок на судах: Тез. докл. / Межвуз. НТК «Проблемы морского транспорта на ДВ». Владивосток: ДВГМА, 1997.