ПРИМЕНЕНИЕ АККУМУЛЯТОРОВ НА ПОСТАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕНТРАЛИЗАЦИИ, ПЕРЕЕЗДАХ И БАТАРЕЙНЫХ ШКАФАХ ВХОДНЫХ СВЕТОФОРОВ

УДК 621.3

РАДКОВСКИЙ С.А., канд. техн. наук, доцент (Донецкий институт железнодорожного

транспорта)

ВОЕВОДА Е.Г., аспирант

Применение аккумуляторов на постах электрической централизации, переездах и батарейных шкафах входных светофоров

Radkovsky S.A., Candidate of Technical Science, Associate Professor

The use of batteries at electrical centralization posts, crossings and battery cabinets of input traffic lights

Введение

Безопасная работа оборудования железнодорожной автоматики и телемеханики требует стабильности и надежности их систем

электроснабжения. Надежная и бесперебойная работа систем и устройств автоматики и телемеханики является одним из наиболее важных факторов, определяющих безопасность движения поездов. Поэтому к надежности энергооборудования

предъявляют высокие требования. Одним из таких требований является обеспечение бесперебойного питания автоматизированных систем. Это требование обеспечивается резервным источником питания, который представляет собой аккумуляторную батарею [1-7].

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются основным источником питания оборудования железнодорожной автоматики и телемеханики. Они имеют небольшое снижение напряжения разряда и высокую эффективность. Недостатками используемых батарей являются:

- низкая плотность энергии батареи, определяющая её большой вес;

- проблема устойчивости аккумуляторных батарей к глубоким разрядам - срок службы аккумуляторных батарей резко сокращается при разряде, более 80 %;

- высокие требования к техническому обслуживанию - уровень электролита должен постоянно контролироваться, заряжаться в специальном, хорошо проветриваемом помещении, а также должны строго соблюдаться требования по охране труда;

- при зарядке теряется до 30% электроэнергии;

- нельзя оставлять аккумулятор на морозе, когда он разряжен;

- неполная одномоментная отдача заряда батареей при больших токах разряда.

Таким образом, анализ

возможности модернизации систем резервного питания устройств автоматики и телемеханики, т.е. с использованием новейших типов аккумуляторов, является актуальной задачей.

Анализ последних исследований и публикаций

В настоящее время широко используются свинцово-кислотные аккумуляторы [7, 8, 9]. Батареи этого типа использовались в начале двадцатого века [8], но сегодня они все еще используются в магистральных локомотивах, подземных рельсовых транспортных средствах и т.д. Изучению свинцово-кислотных

аккумуляторов было посвящено множество исследовательских работ, но большинство из них не рассматривают конкретный случай использования аккумуляторов в железнодорожной автоматике. Так, в [10] подробно рассматриваются условия эксплуатации аккумуляторных батарей в

локомотивах, что не соответствует предложенной теме.

Цель работы

Целью исследования является сравнение параметров существующих аккумуляторов и выбор аналогов свинцово-кислотных батарей для использования в качестве резервного источника питания для устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.

Основная часть

Сравнительный анализ

современных типов аккумуляторных батарей. Непрерывный научно-технический прогресс привел к замене обычных типов батарей на литий-ионные. Несмотря на одинаковый вес одного элемента, эти батареи имеют большую емкость и более высокое напряжение на одном элементе, чем другие батареи.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion) идеально подходят для применения в областях, где требуется большая емкость аккумулятора при соблюдении строгих требований к весу и размеру. Они обладают необходимыми параметрами для перезаряжаемых аккумуляторов: очень высокой плотностью энергии и малым весом. Однако необходимо строго соблюдать правила эксплуатации и техники безопасности.

Литий-полимерные батареи (Li-Pol) представляют собой более дешевую версию литий-ионных батарей, а их принцип работы основан на том же процессе.

В этих батареях в качестве анода используется металлический литий. Это один из самых легких химически активных металлов с самым высоким электрохимическим потенциалом и плотностью энергии. Таким образом, батареи на основе лития имеют самую высокую теоретическую удельную емкость, а источники питания на основе лития имеют самое высокое напряжение разряда.

Сегодня под названием «литиевые батареи» объединяются источники с различным химическим составом:

- литий-тионил-хлоридные (LiSOCl2);

- литий-серные (LiSO2);

- литий-никелевые (LiNiO2);

- литий-марганцевые

[7, 8].

Наиболее изученным типом литиевых батарей являются литий-марганцево-оксидные батареи (LiMnO2 и LiMn2O4). Хотя батареи на основе кобальта уступают по своей емкости, они дешевле и не требуют сложных схем управления зарядом/разрядом. LiNiO2 имеют высокую емкость, но их производственный процесс сложнее и опаснее. Поэтому для повышения

безопасности работы аккумуляторов большей емкости используются смешанные оксиды никеля и кобальта (20-30 % никеля). Батареи LiSOCl2 имеют самое высокое выходное напряжение (3,6 В), самый низкий ток саморазряда и используются в широком температурном диапазоне (от -55 до +85 °С).

Преимущества литий-ионных аккумуляторов включают в себя:

- высокую удельную емкость и плотность тока разряда;

- высокое напряжение разряда 34 В;

- минимальный саморазряд (для некоторых литий-ионных аккумуляторов при 20 °С - максимум 3% в год);

- аккумуляторы LiFePO4 не боятся высоких токов и не имеют «эффекта памяти», то есть их можно заряжать в любое время, не дожидаясь полной разрядки. Благодаря встроенной плате управления батареями (BMS) уровень заряда/разряда литиевых батарей контролируется автоматически. Кроме того, скорость зарядки литий-железо-фосфатных аккумуляторов на 70% выше, чем у свинцово-кислотных батарей;

- большое количество циклов заряд-разряд (гарантировано более 800 циклов);

- минимальные габариты и вес;

- литиевая батарея состоит из определенного количества элементов (банок), поэтому, если по какой-то причине один элемент выходит из строя, его можно легко заменить. Свинцово-кислотные аккумуляторы не подлежат ремонту.

На рис. 1, 2 показаны характеристики разряда литий-ионных аккумуляторов при различных токах разряда 0,2СН, Сн и 2Сн (где Сн -номинальная емкость аккумуляторов) и температуре окружающей среды -30...+50 °С. Согласно исследованиям, напряжение разряда становится более стабильным при повышении

температуры окружающей среды, достигая 3,7-3,9 В, в то время как с понижением температуры напряжение разряда уменьшается до 3,1-3,5 В [7, 8].

Исходя из характеристик основных типов аккумуляторов (таблица 1) можно сделать вывод, что:

- внутреннее сопротивление каждого элемента батареи, число этих элементов и тип схемы защиты напрямую влияют на внутреннее сопротивление батареи. Схема защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов увеличивает их внутреннее сопротивление в среднем на 100 мОм (0,1 Ом);

- регулярное техническое обслуживание источников питания определяет срок их службы. Аккумулятор не должен быть полностью разряжен, так как это может привести к его уменьшению почти в три раза за короткое время;

- схема или цепь защиты, установленные в литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батареях, потребляет около 3% своей энергии в месяц;

- кислотные аккумуляторы можно заряжать мощными импульсами тока.

Рис. 1. Разрядные характеристики Li-Ion аккумуляторов при различных токах разряда при температуре окружающей среды 15-25 °С

Рис. 2. Разрядные характеристики Li-Ion аккумуляторов при токе разряда 0,2Cn при различных температурах окружающей среды

Таблица 1

Характеристики основных типов аккумуляторных батарей

Типы аккумуляторных батарей

Характеристики Никель-кадмиевые Никель -марганцевые Кислотные (свинцовые) Li-Ion Li-Pol

Энергетическая 45-80 60-120 30-50 110-160 100-130

плотность, Вт/кг

Внутреннее 100-200 200-300 менее 100 150-250 200-300

сопротивление, мОм

Число циклов 1500 300-500 200-300 500-1000 500-1000

заряд-разряд до

снижения

емкости на 80 %

Время быстрого 1 2-4 8-16 2-4 2-4

заряда, ч

Допустимый средний низкий высокий очень низкий

перезаряд низкии

Саморазряд за 20 30 5 10 10

месяц при

комнатной

температуре, %

Напряжение на 1,25 1,25 2 3,6 3,6

элементе, В

Ток нагрузки

относительно

емкости (С):

- пиковый 20С 5С 5С 2С 2С

- наиболее 1С до 0,5С 0,2С до 1С до 1С

приемлемый

Диапазон -40...+60 -20...+60 -20...+60 -20...+60 0...+60

рабочих

температур, °С

Периодичность Через 30-60 Через 60-90 Через 3-6 Не Не

обслуживания дней дней месяцев регламент. регламент.

Применение литий-ионных аккумуляторов на переездах и в батарейных шкафах входных светофоров. Питание устройств автоматической переездной

сигнализации (АПС) и цепей входных светофоров на станции осуществляется по схеме с обязательным третьим источником, которым является аккумулятор. В системах автоматики и телемеханики долгое время

использовались кислотные (свинцовые) автоблокировочные аккумуляторы типа

АБН-72 и АБН-80 со смазочными электродами. Срок службы

аккумулятора типа АБН составляет примерно семь лет, а при использовании буферного режима с постоянной или импульсной

подзарядкой - до 10-12 лет.

Технология обслуживания требует проверки состояния кислотных батарей 1 раз в 4 недели на станциях и переездах и каждые 2 недели на перегонах. При использовании литий-ионных

аккумуляторов с гелевым полимерным

электролитом нет необходимости контролировать уровень, температуру и плотность электролита, в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов АБН.

Литий-ионные аккумуляторы работают по принципу внутреннего кислородного цикла. Кислород, образующийся при зарядке на положительном электроде,

возвращается на отрицательный электрод. Ток перегрузки выделяет в элементе только тепло, которое не вызывает химических изменений, таких как потеря воды. Герметизированные литий-полимерные батареи с гелевым электролитом отвечают вышеуказанным требованиям. Использование таких аккумуляторов может значительно снизить эксплуатационные расходы, поскольку их срок службы составляет от 10 до 15 лет, что в 2-3 раза дольше, чем у аккумуляторов АБН. Герметизированные батареи не выделяют электрохимические реакции в

окружающую среду и не требуют специального места хранения. Эти батареи также отличаются высокой стабильностью при низких

температурах.

Выбирая батареи типа

LiNiMnCoO2 (NMC) для замены резервных источников питания автоматической переездной

сигнализации и входных светофоров на постах электрической централизации, следует помнить, что емкость и максимальные токи разряда новых батарей не должны быть меньше, чем у предыдущих батарей:

Фабн — Qnmc

Ip max абн — Ip max NMC

Характеристики аккумуляторов АБН [11], типа NMC фирмы KOKAM [12] и Akku-Vertrieb Ltd. [13] для разных режимов разряда приведены в таблицах 2-4 соответственно.

Таблица 2

Характеристики аккумуляторов АБН для разных режимов разряда_

Параметр АБН-72 АБН-80

Режим разряда, ч 25 12 5 25 12 5

Ток разряда, А 2,9 5 10 3,2 5,5 11

Емкость, Ач, не менее 72 60 50 80 66 55

Таблица 3

Характеристики аккумуляторов типа КМС фирмы КОКАМ для разных режимов _разряда_

Тип Емкость, Ач Внутреннее сопротивление, мОм Вес, кг Энергетическая плотность, Вт ч/кг Вид разряда

непрерывный импульсный

SLPB60460330H 70 0,6 1,74 149 3С 5С

SLPB120255255 75 0,6 1,58 175 8С 15С

SLPB70460330H 80 0,6 1,92 154 5С 6С

SLPB70460330 100 0,55 2,07 179 2С 3С

SLPB140460330 200 0,5 4,18 177 2С 3С

SLPB160460330 240 0,5 4,78 186 2С 3С

Таблица 4

Характеристики аккумуляторов Akku-Vertrieb Ltd для разных режимов разряда

Тип Емкость, Ач Вес, кг Напряжение, В Максимальный ток, А Максимальная импульсная нагрузка, (1с) Максимальный ток заряда, А

167-0240600 60 16 24 60 180 30

167-0241000 100 25 24 80 250 50

167-0242000 200 45 24 80 250 50

На сегодняшний день на рынке присутствует множество элементов питания для самостоятельной сборки аккумуляторных батарей. В качестве примера возьмем ячейку АБ LiFePO4 3,2 В 80 А*ч, мод.49176134 [15]. Для

создания АБ, питающей переездную сигнальную установку, понадобится 4 секции ячеек.

Рассмотрим параметры АБ из 4-х секций для аккумуляторов LiNiMnCoO2 и LiFePO4 по напряжению (таблица 5).

Таблица 5

Параметры напряжения секций аккумуляторов типа LiNiMnCoO2 и LiFePO4

Параметры Одна ячейка LiFePO4 Одна ячейка LiNiMnCoO2 4-ре ячейки LiFePO4 4-ре ячейки LiNiMnCoO2

Напряжение минимальное 2,5 В 2,5 В 10 В 10 В

Напряжение номинальное (среднее) 3,2 В 3,7 В 12,8 В 14,8 В

Напряжение максимальное (зарядное) 3,65 В 4,2 В 14,6 В 16,8 В

Напряжение АБ из 4-х секций LiFePO4 наиболее соответствует номиналу напряжения питания устройств СЦБ - 12 В.

Температура эксплуатации -2060 °С, Количество циклов 6000, ток заряда 40-80 А, ток разряда 80-140 А.

Энергетическая плотность

рассчитывается по формуле:

Е =

Q *U

т

где Q - емкость аккумуляторной батареи, А*ч;

U - номинальное напряжение, В m - масса аккумуляторной батареи или ячейки, кг

Рассчитаем энергетическую

плотность для аккумулятора АБН-80:

80 * 12

Еабн = 7 7 = 125

Для одной секции аккумулятора LiFePO4 энергетическая плотность будет равна:

80 * 3,2

^еР04 = 1б8 = 152

Напряжение АБ из 4-х секций LiFePO4 наиболее соответствует номиналу напряжения питания устройств СЦБ - 12 В, поэтому вес такого аккумулятора составит 6720 г.

Для корректной работы аккумуляторов на основе лития необходимы специальные платы управления, которые используется для

защиты от перегрузки, короткого замыкания и контроля заряда/разряда Li-ion/Li-Po аккумуляторов на 3,7-4,2 В. Кроме того, за счет использования данной схемы заряд распределяется равномерно по всем ячейкам батареи.

Подключение аккумулятора LiFePO4 к источнику питания и нагрузке может осуществляться с помощью платы BMS\PCM 4S LiFePO4 HX-4S-F100A (2.1-3.65 V, 60~100 А). Схема подключения представлена на рис. 3.

га

СО >

га X

00

О +

BMS\PCM

4Б LiFePO4

F100A

го ГО го ГО го 1

4 3 2 -

Рис. 3. Подключение батареи с помощью платы BMS\PCM 4S LiFePO4 HX-4S-F100A

Выводы

Основное преимущество

использования литиевых батарей заключается в том, что их легко обслуживать, поскольку они обладают низким саморазрядом и не имеют так называемого «эффекта памяти». При этом, используя литий-ионные батареи следует учитывать, что используемый электролит находится в гелеобразной форме и при нарушении условий использования можно вызвать

воспламенение или взрыв. Для обеспечения безопасности необходимо соблюдать следующие правила:

- исключить возможность короткого замыкания;

- нельзя допускать перегрева батареи;

- не использовать поврежденные батареи.

Использование современных

образцов литий-ионных аккумуляторов в качестве резервного источника питания для устройств и систем

железнодорожной автоматики и телемеханики позволяет уменьшить вес и габариты батареи до 5-10 раз, высвободить помещения, устранить вредные условия для работы, возникающие при обслуживании кислотных и щелочных батарей, а также продлить срок службы с 7-10 до 20-25 лет.

Список литературы:

1. Михайлов, А.Ф. Электроснабжение устройств автоматики и телемеханики железнодорожного транспорта [Текст] / А.Ф. Михайлов, Л.А. Частоедов. - М.: Транспорт, 1980. - 383 с.

2. Фельдман, А.Б. Электроснабжение устройств связи железнодорожного транспорта [Текст] / А.Б. Фельдман, Л.А. Частоедов. - М.: Транспорт, 1986. - 256 с.

3. Хрусталев, Д.А. Аккумуляторы [Текст] / Д.А. Хрусталев. - М.: Изумруд, 2003. - 224 с.

4. Коровин, Н.В. Химические источники тока [Текст]: справочник / Н.В. Коровин, А. М. Скундин. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 740 с.

5. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи [Текст] / Вл. В. Сапожников, Н.П. Ковалев, В.А. Кононов, А.М. Костроминов // под ред. Вл. В. Сапожникова - М.: Маршрут, 2005. - 453 с.

6. Коган, Д.А. Аппаратура электропитания железнодорожной автоматики [Текст] / Д.А. Коган, М.М. Молдавский - М.: - ЕКЦ.: Академкнига, 2003. - 438 с.

7. Татарников, О. Современные аккумуляторы [Электронный ресурс] / О. Татарников. - Режим доступа: http://compress.ru/artide.aspx?id=16846

8. Вихарев, Л.И вновь о правильном питании, или некоторые особенности эксплуатации литиевых батарей [Электронный ресурс] / Л. Вихарев. Компоненты и технологии/ -2006. - №4. Режим доступа: http://www.kite.ru/articles/powersource/20 06_4_160.php

9. Бейбулатова, С.И. Необслуживаемые аккумуляторы для железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст]/ С.И. Бейбулатова, Д. И. Селиверов // Молодой ученый. - 2012. - №3. - С. 2931.

10. Гутаревич, В.О., Исследование условий работы аккумуляторных батарей локомотивов. Гутаревич, В.О., Рябко, К.А., Захаров В.А. Сборник научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта. -Донецк, 2020. - № 56. - С. 95-102.

11. Аккумуляторы С, СК и СЗ. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://lokomo.ru/elektrosnabzhenie/akkum ulyatory- s-sk-i-sz.html

12. KOKAM Li-ion/Polymer Cell: Superior Lithium Polymer Battery (SLPB) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://kokam.com/wpcontent/uploads/2016 /03/SLPB-CellBrochure.pdf

13. Промышленные аккумуляторы для всех областей применения. Литий-ионные аккумуляторы серии 167 с BOCS) [Электронный ресурс] / АККУФЕРТРИБ. Режим доступа: http://www.akkuvertrieb.ru/products/litium /battery/167/

14. Дмитриев, В.Р. Электропитающие устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи [Текст]: справочник / В.Р. Дмитриев, В.И. Смирнова. - Москва: Транспорт, 1983. -248 с.

15. Аккумуляторы необслуживаемые герметизированные OPZV ВАЕ для СцБ [Электронный ресурс]. Режим доступа:

https://pscbs.ru/akkumulyatory-neobsluzhivaemye-germetizirovannye-opzv-bae-dlya-scb.html

Аннотации:

В статье приведен сравнительный анализ современных аккумуляторных батарей, рассмотрены основные преимущества литий-ионных аккумуляторов перед свинцово-кислотными. Также описаны условия подключения и эксплуатации литий-ионных батарей, которые позволят увеличить срок

службы аккумуляторов, а также не допустить опасных ситуаций на железной дороге.

Ключевые слова: аккумулятор, электропитание устройств железнодорожной автоматики и связи, зарядное устройство, эксплуатация аккумуляторов.

The article provides a comparative analysis of modern rechargeable batteries, discusses the main advantages of lithium-ion batteries over lead-acid ones. It also describes the conditions for connecting and operating lithium-ion batteries, which will increase the battery life, as well as prevent dangerous situations on the railway.

Keywords: battery, power supply for railway automation and communication devices, charger, battery operation.

УДК 629.7.02

САЦЮК А.В., канд. техн. наук, доцент

ВОРОБЬЕВ А.А., старший преподаватель

Особенности разработки беспилотных летательных аппаратов для отрасли железнодорожного транспорта

Satsyuk A.V., Candidate of Technical Science, Associate Professor

Features of the development of unmanned aerial vehicles for the railway transport

Введение

На сегодняшний день роль беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) становится все более актуальной не только в оборонной сфере, но во многих сферах промышленности, сельского хозяйства, транспорта и т.д. В свою очередь не обошло стороной применения БПЛА в

сфере железнодорожного транспорта.

Инновационные технологии,

внедряемые в рамках отраслевой программы цифровизации

железнодорожного транспорта,

стремительно меняют характер многих производственных процессов. Одним из примеров таких изменений становится применение беспилотных авиационных систем, испытание которых

проводились на нескольких магистралях