Назрела необходимость разработки универсального необслуживаемого аккумулятора для железнодорожного транспорта России. Такие аккумуляторы и батареи должны быть способны работать во всех климатических зонах в течение 8-10 лет в режиме постоянного заряда и разряда и с отдачей по емкости до 50 % от номинала. При этом главный энергетический показатель — коэффициент отдачи универсальных аккумуляторов (отношение отданной емкости при разряде к величине емкости, полученной при заряде) — должен быть увеличен при отрицательных температурах в 10-15 раз по сравнению с тем же показателем зарубежных герметизированных аккумуляторов.

Как показали исследования специалистов ОАО «ВНИИЖТ» и ООО «Транспорт» (г. Москва), подобные характеристики для закрытого типа аккумуляторов могут быть достигнуты за счет внутреннего нагрева воздуха портативным нагревательным элементом, подключаемым специальным терморегулятором к борнам (клеммам) аккумулятора при температуре ниже –10 °С и расположенным внутри аккумулятора.

При этом габариты аккумулятора не должны увеличиваться, а питание нагревательного элемента от аккумулятора должно осуществляться только в процессе его заряда с диапазоном напряжения 2,5÷2,75 В (для аккумуляторов кислотной системы), и 1,4÷1,7 (для щелочной системы). Таким требованиям в настоящее время не соответствует ни один аккумулятор, используемый на железнодорожном транспорте при работе во всех климатических зонах России.
Решение поставленных выше задач достигнуто в результате исследований ОАО «ВНИИЖТ» и ООО «Транспорт» (г. Москва), специализирующихся в том числе на разработке и совершенствовании железнодорожного энергетического оборудования.

Совместными усилиями был создан универсальный герметизированный аккумулятор на базе сепараторов АGМ, обеспечивающий полную рекомбинацию газовых носителей практически при любой наружной температуре (от –45 °С до +40 °С). 

 

Для обеспечения работы при низких наружных температурах в донную часть (под подставку блока электродов) обычного призматического свинцово кислотного аккумулятора был введен электронагреватель мощностью 30÷35 Вт ленточного типа из свинцового сплава с кислостойкой изоляцией, автоматически подключаемый к борнам при низких наружных температурах.

Терморегулятор выполнен на основе электронного блока, что обеспечивает эффективную работу аккумуляторов при движении подвижного состава, а стационарных установок — при их питании от батарей при температуре около 0 °С. Достигается это за счет эффективной работы активных масс электродов при низких положительных температурах, делающих их работу эквивалентной обычным аккумуляторам без внутреннего подогрева при наружной температуре 0~+5 °С.

Как уже упоминалось, управление работой нагревательного элемента осуществляется электронным коммутатором, смонтированным на печатной плате, основным элементом которой является специальный терморегулятор (резистивный датчик температуры внутри аккумулятора), обладающий способностью резко увеличивать свое сопротивление при температурах наружного воздуха ниже 0 °С. Терморегулятор массой 150 г имеет габариты 50×70×10 мм и крепится над крышкой аккумулятора (на рис. 1 показана конструкция созданного аккумулятора).

При этом расчеты показывают, что при использовании разработанного устройства управления внутренним нагревом стоимость аккумуляторов мощностью 100 А•ч и больше возрастает всего на 5–7 %. Всесторонние испытания опытных образцов созданных аккумуляторов (PzV350P) показали, что при температуре –20 °С емкость аккумуляторов в три раза превышает емкость зарубежных аккумуляторов аналогичной мощности в тех же условиях. При температуре –40 °С емкость отечественной разработки превышает показатели аналогов в 10 раз! Отдача у опытных аккумуляторов при разряде номинальным стабильным током 60 А составляет 160 А∙ч, что больше, чем у аккумуляторов открытого типа, в 4–5 раз при аналогичных условиях заряда.

 

На рис. 2 и 3 приведены характеристики изменения разрядного тока и напряжения для известных аккумуляторов с рекомбинацией газовых носителей, но без устройства внутреннего подогрева при наружной температуре –40 °С (рис. 2) и разработанной новой конструкции герметизированного аккумулятора (рис. 3).

Значительное увеличение реальной емкости позволяет резко поднять основные энергетические характеристики аккумуляторов: увеличить надежность работы при отрицательных наружных температурах, сократить стоимость жизненного цикла за счет увеличения срока службы, а также увеличить комфорт пассажиров в вагонах, при этом упростив работу обслуживающему персоналу.

Представленная конструкция приемлема для всех классов кислотных и щелочных аккумуляторов, как с электролитом, так и без него. Особенно эффективна конструкция с автономным подогревом для аккумулятора стартерного типа — как открытого, так и закрытого. В этом случае резко увеличиваются рабочая емкость и надежность пуска двигателей при низких наружных температурах после длительного простоя подвижного состава (тепловозов, мотрис, дизель-поездов), а также всего гражданского и военного автотранспорта в условиях работы в северных и горных районах.

Увеличение стоимости универсальных аккумуляторов на 5–10 % полностью окупается за счет увеличения срока службы.

 

С.Н.Науменко,доктор технических наук

Железнодорожный транспорт 12-2011

 

Универсальный аккумулятор с нагревательным элементом для устойчивой работы в условиях низких температур