автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка зарядного устройства для групповой зарядки аккумуляторных батарей транспортных средств

Введение.

1. Обзор аккумуляторных батарей транспортных средств, режимов разряда и заряда и инфраструктуры, обслуживающей батареи.

1.1. Классификация батарей традиционных транспортных средств.

1.2. Тяговые батареи новых электрических транспортных средств.

1.3. Режимы разряда и заряда и характеристики батарей.

1.4. Классификация зарядных устройств, инфраструктура, обслуживающая заряд батарей.

1.5. Постановка задачи разработки группового зарядного устройства.

2. Исследование режимов заряда батарей.

2.1. Испытательная установка.

2.2. Исследование зарядных режимов.

2.3. Разработка электротехнической модели аккумуляторной батареи.

2.4. Оценка состояния батарей.

3. Разработка зарядного устройства.

3.1. Обоснование требований к групповому зарядному устройству.

3.2. Параметрический источник тока как основная часть группового зарядного устройства.

3.3. Схемные решения группового зарядного устройства.

3.4. Разработка действующего образца группового зарядного устройства.

4. Экспериментальные исследования группового зарядного устройства.

4.1. Основные параметры и характеристики зарядного устройства.

4.2. Экономические оценки эффективности и стоимости

4.3. Сопоставление нового устройства с аналогами.

Широкое использование аккумуляторных батарей для транспортных средств требует решения задачи эффективной зарядки таких батарей. В данный момент наиболее широко используются стартерные аккумуляторы для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. В связи с загрязнением окружающей среды в настоящее время происходит интенсивное развитие мирового рынка электрических транспортных средств, не оказывающих вредного воздействия на окружающую среду. Уже поставлена и решается задача создания электрических транспортных средств, способных свободно конкурировать с обычным транспортом, как по техническим, так и по стоимостным показателям. В частности, на ежегодных международных симпозиумах по электрическим транспортным средствам (Electric Vehicle Symposium, сокращенно EVS) представляются новейшие достижения во всех областях науки и техники, относящихся к электрическим транспортным средствам. С развитием рынка электрических транспортных средств вопрос эффективного заряда их батарей встает еще более остро.

Согласно материалам, представленным на EVS-14, 15, 16, 17 (19972000 г.г.), свинцово-кислотные батареи по-прежнему находят наиболее широкое применение в качестве тяговых для электротранспорта, никель-металлические способны занять лидирующую позицию в ближайшем будущем, дальняя перспектива - литий-ионные батареи, свойства и возможности которых не исследованы в полном объеме. Среди стартерных аккумуляторов вне конкуренции свинцово-кислотные.

Что касается России, то электрический транспорт пока не находит \ широкого применения и у нас самая распространенная группа - свинцово-кислотные стартерные аккумуляторы для привычных автомобилей.

На данный момент распространены зарядные устройства, содержащие источник неизменного напряжения с возможностью регулирования зарядного тока. Исследование автором групповых устройств заряда батарей отечественных автокомбинатов, в частности, 16-го таксомоторного парка и 40-го автокомбината г. Москвы, показало, что они способны одновременно заряжать не больше 6 батарей. Время заряда полностью разряженной батареи - не менее 16 часов. На предприятиях, где число эксплуатируемых батарей >100, такие устройства не справляются с объемом аккумуляторов, подлежащих заряду.

Согласно исследованиям, представленным на EVS-14-17, бурное развитие электротранспорта (до нескольких тысяч единиц на 1 км к 2010 году) потребует обеспечить одновременный заряд нескольких тысяч батарей, однако существующие прототипы групповых устройств, представленные в работах Ь. Ка1£Щ, К.Т. СЬаи и др. на ЕУ8-16, одновременно обслуживают не более 12 ЭТС.

Возможности групповых устройств, основанных на использовании источников напряжения, ограничены, т.к. сам принцип заряда не приспособлен для одновременной зарядки нескольких батарей: для каждой батареи нужно обеспечивать свой зарядный ток, что затруднительно при одинаковом для всех батарей напряжении. Кроме того, заряд неизменным напряжением имеет ряд других недостатков и требуется применение новых алгоритмов.

Наиболее подходящими из полностью исследованных зарядных режимов являются заряд неизменным током с переключением на последнем этапе на заряд неизменным напряжением или на заряд пульсирующим током. Согласно исследованиям, представленным на ЕУБ-14-17, для новых конструкций тяговых батарей электротранспорта перспективно применение заряда ступенчатым повышенным током, которое позволяет увеличить скорость заряда в 3-4 раза при сохранении и даже некотором увеличении срока службы батареи при заряде до 100% емкости. Еще в 80-е годы начато изучение вариантов заряда асимметричным током, частично представленных в диссертации М.В. Моргачевой, кафедра ЭГШ МЭИ, 1989г., позволяющих увеличить КПД и скорость заряда. В основе любого из данных алгоритмов лежит принцип заряда неизменным током, поэтому в качестве основного модуля зарядное устройство должно содержать источник неизменного тока.

В свою очередь, групповой принцип организации заряда позволит обслуживать большее число батарей за единицу времени в сравнении с индивидуальным устройством.

Отсутствие на рынке групповых зарядных устройств, осуществляющих заряд большого числа батарей по оптимальным законам, делает задачу разработки недорогого и эффективного группового зарядного устройства весьма актуальной.

Наиболее простым и надежным устройством, обеспечивающим неизменный ток на выходе в широком диапазоне нагрузок, является индуктивно-емкостной преобразователь, принцип действия которого основан на параметрическом способе стабилизации тока. Поэтому для реализации требуемых алгоритмов заряда целесообразно использовать индуктивно-емкостной преобразователь в качестве основного узла разрабатываемого устройства. Разработки зарядных устройств на основе индуктивно-емкостного преобразователя ведутся на кафедрах МЭИ с 1980г., успешные результаты этих разработок отражены в работах к.т.н. Б.М. Сарача, к.т.н. М.В. Моргачевой и др.

Разрабатываемое устройство имеет смысл применять для группы массово используемых батарей транспортных средств, а именно для стартерных батарей на автобазах, автокомбинатах, в больших гаражах. Что касается перспективного использования устройства для электротранспорта, то оно может быть реализовано в двух случаях:

1. В местах массового скопления транспортных средств - стоянки у предприятий, в зонах отдыха. Человек оставляет автомобиль или электромобиль (электровелосипед, электроскутер и т.п.) и за время его отсутствия происходит зарядка тяговых аккумуляторов.

2. Станции заряда с обменом аккумуляторных батарей - человек сдает свой разряженный аккумулятор и после диагностики данного аккумулятора получает заряженный такого же типа и состояния с доплатой, а разряженный сразу ставится на зарядку.

В связи с перспективностью и актуальностью проблемы группового заряда целью данной работы является разработка эффективного и недорогого зарядного устройства для групповой зарядки аккумуляторных батарей транспортных средств по оптимальным алгоритмам, исследование характеристик устройства и влияния алгоритмов заряда на характеристики батарей.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

Анализ используемых и перспективных аккумуляторных батарей транспортных средств и обзор способов их заряда и диагностики.

Экспериментальное исследование различных способов заряда батарей и разработка электротехнической модели батареи в режимах заряда и разряда.

Разработка методов диагностики выбранной группы аккумуляторных батарей.

Сопоставительный анализ различных реализаций и схемных решений источников неизменного тока и разработка устройства на основе индуктивно-емкостного преобразователя (ИБП), обеспечивающего требуемые алгоритмы заряда группы батарей.

Испытания опытного образца группового зарядного устройства (ЗУ) для одновременного заряда 40 стартерных свинцово-кислотных батарей 12 7

В, 55 А-ч, исследование характеристик образца и сопоставление предложенного варианта устройства с аналогами.

Результатом работы стало создание действующего образца одновременного заряда группы свинцово-кислотных стартерных батарей. Предложенный вариант зарядного устройства в сравнении с используемыми индивидуальными устройствами позволит значительно (в 10 и более раз) сократить общие затраты на заряд одной батареи. Данное устройство позволит заряжать батареи по алгоритму, обеспечивающему высокое качество при оптимальном времени заряда

Содержание работы отражено в четырех печатных работах, принят доклад на ЕУ8-18, Берлин, 2001г. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Шестой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, Москва, 1 - 2 марта 2000 г. и на кафедре Автоматизированного электропривода МЭИ.

выводы:

1. Развита, подтверждена экспериментально и реализована в виде действующего образца идея построения устройства для одновременной зарядки группы аккумуляторных батарей при их нетрадиционном последовательном подключении к параметрическому источнику неизменного тока. Новое зарядное устройство способно осуществлять одновременный заряд группы стартерных аккумуляторных батарей. На основе исследований современных зарядных устройств, показано, что новое устройство в сравнении с используемыми позволит значительно (в 10 и более раз) сократить общие затраты на заряд одной батареи и оптимизировать инфраструктуру заряда батарей малой мощности, что особенно важно для развивающейся индустрии электрических транспортных средств.

2. На основе исследований современных аккумуляторных батарей транспортных средств определена область применения разработанного устройства - групповой заряд в местах массового скопления транспортных средств, использующих следующие группы батарей: стартерные свинцово-кислотные АБ редкого обслуживания и герметичные батареи напряжением 12 В и емкостью 44-70А-Ч. тяговые необслуживаемые АБ легких ЭТС с различными материалами электродов, напряжением не более 24 В и емкостью не более 80 А-ч.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований режимов заряда стартерных батарей определен оптимальный зарядный режим, по которому осуществляет заряд новое устройство - заряд неизменным током на первом этапе с переходом на заряд пульсирующим током с поддержанием неизменного напряжения батареи на завершающем этапе. Также на основе теоретических и экспериментальных исследований режимов разряда и заряда разработана электротехническая модель АБ в виде последовательно соединенных источника ЭДС и внутреннего сопротивления, изменяющихся в зависимости от степени разряженности или заряженности батареи С) и режима работы. Модель может использоваться для оценки степеней заряженности и работоспособности батареи. Новизна модели заключается в полученных зависимостях внутреннего сопротивления от степени заряженности АБ, а также в определении режимов работы

86 батарей (кратковременные заряд j=0,l и разряд j=0,3), в которых возможно наиболее оптимальное использование модели.

4. Разработана оригинальная схемотехника группового зарядного устройства, реализующая заряд неизменным током на первом этапе с переходом на заряд пульсирующим током с поддержанием неизменного напряжения батареи на завершающем этапе. Разработан новый контактный узел, позволяющий осуществлять коммутацию батарей и ^ нового зарядного устройства без обрыва цепи заряда и исключающий ( / переполюсовку АБ. Разработанный узел исключает контакт тела / человека и токоведущих частей, поэтому в новом устройстве возможно использование бестрансформаторной схемы параметрического источника тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы можно сделать следующие

1. Варыпаев В. Н., Дасоян М. А., Никольский В. А. Химические источники тока. - М.: Высшая школа. 1990.

2. Багоцкий В. С., Скундин А. М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат. 1981.

3. Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные напряжением 12 В для автотракторной и мотоциклетной техники. Общие технические условия. ГОСТ 959-91. М. Комитет стандартизации и метрологии. 1994.

4. Понизовский А. Н, и др. Краткий автомобильный справочник. -М.: НИИАТ, Трансконсалтинг. 1994.

5. Аккумуляторные батареи для напольного транспорта. Инструкция по эксплуатации ИКШЖ. 563535.002 ИЭ. М.: РСТ. 1995.

6. Horie Н., Tanjo Y., Shimamura О., Ohsawa Y., Kawai M., Miyamoto T. Development of a high-power Lithium-ion battery for parallel HEVs. Nissan Motor Co. Ltd. The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16, 1999.

7. Chan C.C., E.W.C. Lo, S. Weixiang. An overview of battery technology in Electric vehicles. University of Hong Kong. The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16, 1999.

8. Apalenek T. Energy Storage Selection & Management for Hybrid Electric Vehicles. Lockheed Martin Control Systems, NY. The 17th International Electric Vehicle Symposium, Montreal, October 2000.

9. Lundberg M. Lessons Learned from Swedish RD&D Programme for Electric and Hybrid Vehicles. KFB: Swedish Transport and Communications Research Board. The 17th International Electric Vehicle Symposium, Montreal, October 2000.

10. Ando K., Hoshihara N., Hattori Т., Imai H. Extension of the Driving Range Regarding the High Power and the Long Cycle Life VRLA Battery by Using the Fast Charging Method. EV Battery Development

11. Center, Matsushita Battery Industrial Co., Ltd. The 17th International Electric Vehicle Symposium, Montreal, October 2000.

12. Hosokawa M., Yamada N., Hasegawa K., Nakayama Y., Yokoo M., Argia K., Takeda T. Development of VRLA batteries for Honda ICVS. Honda R&D Ltd., Asaka R&D Center. The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16, 1999.

13. Yamamoto S., Muramatsu T., Itou M. The development of PAS Ni-MH battery system. Yamaha Motor Co. Ltd. The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16, 1999.

14. Tahara M., Amada N., Hara Y. Development of the Nissan Ultra-Small Electric Vehicle. Nissan Motor Co. Ltd., The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16, 1999.

15. Kohler U., Ullrich M. High Power Nickel-Metal hydride batteries. Varta AG research and development centre. The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16, 1999.

16. Dustmann C.-H. Third generation of ZEBRA batteries in research. AEG ZEBRA Battery Marketing GmbH. 14th Electric Vehicle Symposium, Orlando, 1997.

17. Kumagai C., Hayashi A., Hatanaka K. Electrical Powered Small commuter vehicle. Honda R&D Ltd., Asaka R&D Center. The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16, 1999.

18. Jamerson F. E., Ph. D. Electric Bikes Worldwide. Electric Battery

19. Bicycle Company Naples, Florida. The 14th International Electric Vehicle Symposium, Orlando, October 1997.

20. Van Amburg B. Emerging Markets and Players in the Electric Two-Wheel Industry in California and Asia. CALSTART. The 14th International Electric Vehicle Symposium, Orlando, October 1997.

21. Birkestrand O.J. On yer bike. Rabbit Tool USA. Electric & hybrid Vehicle technology international. UK & International Press, 1999.

22. Dr. Harrop P.J. Global Demand for EVs 2000 2010. Chairman of Footnote Analysis Ltd, UK. The 17th International Electric Vehicle Symposium, Montreal, October 2000.

23. Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные емкостью свыше 30 Ач. Инструкция по эксплуатации ЖУИК. 563410.001 ИЭ. М.: РСТ. 2000.28.3дрок А.Г. Выпрямительные устройства стабилизации напряжения и заряда аккумуляторов. Энергоатомиздат, 1988.

24. Романов В. В., Хашев Ю. М. Химические источники тока. М.:, Советское радио. 1978.

25. Моргачева M.B. Разработка зарядных станций для ускоренного заряда щелочных аккумуляторных батарей напольного транспорта. Диссер. на соискание ученой степени кандидата т.н. -М.: МЭИ. 1989. 142 с.

26. Fan S. К. Development of a safe and cost effective electric vehicle charging infrastructure. Environmental Vehicle Center, Ford Motor Company. The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16, 1999.

27. Колодочкин M. Заряжай! Экспертиза.// За рулем. 07.99. - с.64-65.

28. Chan M.S.W., К.Т. Chau and С.С. Chan. Coordination of Charging Stations for Electric Vehicles. Department of Electrical & Electronic Engineering, University of Hong Kong. 16th Electric Vehicle Symposium, 1999.

29. Кио J.S. Feasibility Survey of ES Battery Swapping & Leasing Business. Industrial Technology Research Institute. The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16, 1999.

30. Bleijs C.A., Gaboreau C. The service battery renting program: an essential element for the success of the electric vehicle. EDF DTVE, battery service company. The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16, 1999.

31. Tseng L. Charging gear for EV to work on power roadway. The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16,1999.

32. Сучков P.B. Аккумуляторные батареи электрических транспортных средств (обзор).// Приводная техника 2000. - № 5, 6. - с. 54-64, 56-59.

33. Kaigui L. Design and implementation of a specified charger for EV. Wuhan stand control technology Co., Ltd. The 16th International Electric Vehicle Symposium, Beijing, October 12-16, 1999.

34. Starr G. Mack M. Small electric vehicles big utility marketing opportunity. Zap Power Systems. The 14th International Electric Vehicle Symposium, Orlando, October 1997.

35. Teramoto M., Tohyama E., Kasai J. The demonstration test of urban EV rental system with " Hypermini ". NISSAN MOTOR CO., LTD. The 17th International Electric Vehicle Symposium, Montreal, October2000.

36. Heinemann D., Naunin D. A New design of a battery management system including a range forecast. Technical University of Berlin. The 14th International Electric Vehicle Symposium, Orlando, October 1997.

37. Lee J. Lee S. Dynamic state battery model with self-adaptive aging factor for EV and HEV applications. KIA Motors Corp. The 15th International Electric Vehicle Symposium, Brussels, October 1-3, 1998.

38. Singh P., Fennie C., Damodar S., Reisner D. Fuzzy logic-based determination of Pb-acid battery SOC by impedance interrogation methods. Villanova University, US Nanocorp, Inc. The 17th International Electric Vehicle Symposium, Montreal, October 2000.

39. Beya K.B. Maggetto G. Impedance-based state of charge indicator for EV & HEV batteries. Vrije Universiteit Brussel. The 17th International Electric Vehicle Symposium, Montreal, October 2000.

40. Бернер M.C., Гальцев Ю.К., Голыгин A.B., Ильинский А.Н., Сарач Б.М. Система заряда. Авторское свидетельство №2950245/24-07, 15.08.82.

41. Ильинский Н.Ф. Электроприводы постоянного тока с управляемым моментом. -М.: Энергоатомиздат. 1981.

42. Ильинский Н. Ф. Элементы теории эксперимета. М.: МЭИ. 1988.

43. Proctor R. L. Assessing and increasing energy efficiency by using accurate state-of charge instrumentation and data collection with GPS. Cruising Equipment Co. The 14th International Electric Vehicle Symposium, Orlando, October 1997.

44. Van den Bossche Ir. P. Conductive Charging Standardisation Issues. CITELEC Vrije Universiteit Brussel. The 17th International Electric Vehicle. Symposium, Montreal, October 2000.

45. Хромых И.Е. Разработка общепромышленных электроприводов с вентильно-емкостными преобразователями. Диссер. на соискание ученой степени кандидата т.н. М.: МЭИ. 1985. - 156 с.

46. Ильинский Н.Ф., Михайлов В.В., Платонова В.Е. Проектирование индуктивно-емкостных преобразователей для электроприводов постоянного тока. М.: МЭИ. 1980.

47. Ильинский Н.Ф. Основы теории, исследование и разработка электроприводов по системе источник тока двигатель. Диссер. на соискание ученой степени доктора т.н. - М.: МЭИ. 1978. - 415 с.

48. Сарач Б.М., Голыгин А.В., Ильинский А.Н., Сучков Р.В. Устройство для одновременной зарядки аккумуляторов.// Полезная модель. Свидетельство №17242. Москва. 2001.

49. Сергиевский Ю.Н. Оптимизация элементов индуктивно-емкостных преобразователей для электропривода. Труды МЭИ. Электротермические установки. Выпуск 166, с. 155-161- М.: МЭИ, 1973.

50. Morcos М., Mersman С., Sugavanam G., Dillman N. Battery charges for electric vehicles. Kansas State University. IEEE Power Engineering Review, November 2000.

51. Белопольский И. И. и др. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. М.: Энергия 1973.

52. Сучков Р.В. Зарядное устройство для групповой зарядки аккумуляторных батарей.// Шестая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Москва, 2000. с. 107.