РОЗДІЛ 2
АНАЛІЗ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПОКАЗНИКІВ СИСТЕМИ ЕЛЕКТРОЖИВЛЕННЯ АВТОНОМНОГО
ЕЛЕКТРОТРАНСПОРТНОГО ЗАСОБУ З УРАХУВАННЯМ НЕЛІНІЙНОСТІ ЕЛЕМЕНТІВ
Аналіз енергетичних показників цілого ряду систем електропостачання і тягового
привода зокрема, проведений на підставі приведеної вище методики базувався на
припущеннях про лінійність елементів системи. Але, беручи до уваги той факт, що
система електроживлення АЕЗ містить нелінійні елементи, необхідно
проаналізувати таку систему з урахуванням цього факту. Одним з основних
елементів СЕЖ АЕЗ, параметри якого залежать від багатьох факторів – є
акумуляторна батарея. Визначення параметрів схеми заміщення АБ для даного
функціонального призначення має суттєве значення для подальшого аналізу цієї
системи.
2.1. Визначення параметрів схеми заміщення АБ системи електроживлення
автономного електротранспортного засобу
На долю акумуляторних батарей, які застосовуються в АЕЗ (особливо в
електромобілях), приходиться значна частина загальної маси машини. Підвищення
коефіцієнта корисної дії системи акумуляторна батарея – перетворювач – двигун
дозволяє пропорційно зменшити вагу батареї при заданому пробігу або ж збільшити
пробіг при заданій вазі.
При роботі АБ сумісно з імпульсним перетворювачем струм батареї може мати
пульсації або бути імпульсним. Пульсації струму виникають не тільки в режимах
розряду, але й заряду (рекуперації). Як показано в [82], при імпульсному струмі
батареї в ній розсіюється додаткова потужність, що негативно впливає на
величину ємності батареї і на термін її служби. При розряді АБ не пульсуючим
постійним струмом потужність, що віддається в зовнішнє коло дорівнює
P = Ip Up = Ip (E – Uп) - Ip2 RАБ (2.1)
де I p - розрядний струм,
Up - напруга АБ при розряді,
E – ЕРС батареї,
Uп - поляризаційне падіння напруги,
RАБ - активна складова повного опору батареї.
При розряді акумулятора пульсуючим або імпульсним струмом довільної форми з
періодом TІмп потужність в навантаженні дорівнює:
PІ = (E – Uп) / TІмп = (E – Uп) Iсер – І2 RАБ (2.2)
де Iсер, І - середнє та діюче значення струмів батареї відповідно.
При одній і тій же величині середнього значення струму розряду у випадку
пульсуючого струму спостерігається зниження потужності, що віддається на
величину
DP = PН - PНІ = Ісер2 RАБ (kф2 – 1) (2.3)
де kф = І / Ісер.
Потужність втрат, що виділяється в батареї у вигляді тепла, визначається
виразом
РТ = Ісер DUАБ + RSАБ(І2 - Ісер2) = Ісер DUП + Ісер2 RАБ(kф2 – 1) (2.4)
де DUАБ - зміна напруги на клемах батареї; RSАБ – повний внутрішній опір АБ.
З (2.4) видно, що для зниження додаткових втрат в батареї необхідно зменшувати
значення коефіцієнта форми, тобто знижувати пульсації струму батареї. Для
розрахунків енергетичної ефективності системи АБ – ІПН – ТЕД необхідно мати
значення параметрів еквівалентної схеми заміщення батареї.
Реальна акумуляторна батарея – досить складна електрохімічна система, в якій
постійно змінюються параметри. За цикл розряду батареї в ній проходить розпад і
відновлення хімічних компонентів, перерозподіл густини електроліту, дифузія,
виділення газів та інші процеси. Тому параметри АБ змінюються протягом часу в
залежності від режиму розряду, ступеню розряду та температури. У зв‘язку з вище
наведеними причинами, аналітичні вирази, що описують параметри батареї, знайти
досить складно; їх можна знайти лише для конкретних акумуляторів та конкретних
режимів [83]. При вимірюванні внутрішнього опору АБ на постійному та змінному
струмі отримуємо різні значення, при чому результат вимірів на змінному струмі,
як правило, залежить від частоти. У такому випадку очевидно, що хімічне джерело
струму не можна представляти як включені послідовно джерело ЕРС та активний
опір, а схема заміщення має містити реактивні елементи. Структура схеми
заміщення має важливе значення для аналізу електромагнітних процесів при
імпульсному регулюванні. Фізична сутність реактивної складової повного
внутрішнього опору досить докладно розглянута в роботі [84]. Відмітимо, що
ємнісна складова повного внутрішнього опору пов’язана з ємністю подвійного
електричного шару на межі розділу електроду з електролітом, абсорбційною псевдо
ємністю, а також уповільненням дифузії.
Індуктивна складова повного внутрішнього опору зумовлена індуктивністю
перемичок при з‘єднанні декількох акумуляторів, а також поверхневим ефектом при
проходженні струму через масивні металеві деталі.
Активний опір електроліту, струмовідводів і тому подібне в схемі заміщення
включений послідовно з загальним комплексним опором і відображає омічні втрати
в джерелі. Поляризаційний опір, зумовлений зміною потенціалу електродів під
впливом проходження струму через джерело, в схемах заміщення підключається
послідовно з ЕРС джерела.
Загальна схема заміщення хімічного джерела струму, таким чином, є складною
комбінацією активних та реактивних опорів. Складний характер схеми заміщення
визначається різноманітністю фізико-хімічних процесів, що протікають у джерелі,
залежністю швидкості цих процесів від конструкції та температури, від форми та
напряму струмів, від ступеню заряду джерела.
Як показано в [85], схеми заміщення джерела струму не можуть на сьогодні
визначатися аналітично. Такі схеми заміщення будуються на основі прямих вимірів
складових повного внутрішнього опору.
Існує досить багато різноманітних схем заміщення джерел струму [85, 88].
Автором прийнята еквівалентна схема заміщення, наведена на рис.2.1, яка
найбільш відповідає часовій характеристиці зміни напруги джерела під дією
імпульсу струму.
Рис.2.1
На рис.2.1 прийняті такі позначення:
- Київ+380960830922