_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Синхронные моторы с магнитным сопротивлением в роторе В случае если вместо обмоток возбуждения или постоянных магнитов в роторе используется комбинация материалов с различной магнитной проводимостью, говорят о синхронном моторе с магнитным сопротивлением в роторе (рис. 58). На роторе сделаны выступы из электротехнической стали, которые изменяют магнитное сопротивление зазора между ротором и статором. Когда напротив полюса катушки статора находится выступ ротора, магнитное сопротивление зазора минимально. Когда же напротив полюса катушки статора находится выемка ротора, магнитное сопротивление зазора максимально. Ротор всегда стремится занять положение, соответствующее минимальному магнитному сопротивлению. Поэтому последовательное включение обмоток статора заставляет ротор вращаться. Переключение обмоток осуществляется управляющей электроникой на основании информации о положении ротора. Такие моторы просты и недороги, характеризуются высокой удельной мощностью и эффективностью, поэтому находят широкое применение в электромобилях и электрогибридах. Рис. 58. Схема разреза 3-фазного 4-полюсного синхронного электромотора с переменным магнитным сопротивлением ротора Среди недостатков моторов с магнитным сопротивлением в роторе следует упомянуть сложность управления, связанную с выраженными краевыми эффектами, возникающими на границах выступов и впадин 242 ротора. Второй недостаток связан с наличием датчика положения ротора, необходимого для правильной работы контроллера. Обычно датчики довольно чувствительны к вибрации, температурным перепадам и пыли и являются слабым местом рассматриваемых моторов. Для устранения данного недостатка были разработаны алгоритмы определения позиции ротора без необходимости использования датчика положения. Наконец, моторы с переменным магнитным сопротивлением ротора характеризуются высоким уровнем пульсации крутящего момента и соответствующего акустического шума. Накопители электроэнергии Электрохимические аккумуляторы Электрохимические аккумуляторные батареи, более часто называемые просто «батареи» или «аккумуляторы», представляют собой электрохимические устройства, которые преобразуют электрическую энергию в потенциальную химическую энергию во время режима заряда, или, наоборот, преобразуют потенциальную химическую энергию в электрическую энергию во время режима разряда. Батареи собирают из нескольких ячеек, соединяя их определённым образом для достижения необходимых характеристик батареи. Каждая ячейка представляет собой независимое и самостоятельное устройство, обладающее всеми необходимыми электрохимическими свойствами. В общем случае электрохимическая ячейка состоит из трёх основных элементов: двух электродов (негативного и позитивного), погружённых в электролит (рис. 59) [118]. Электрод, на котором происходит реакция окисления, называется анодом, а электрод, на котором происходит реакция восстановления, − катодом. Электроды изготавливают из электропроводящего материала (металла или углерода), реже из полупроводника. Носителями заряда в электродах являются электроны. Электролитом называется проводящее вещество в электрохимических ячейках. Носители заряда в электролитах называются ионами (от греч. «странник», «скиталец»), причем ионы, движущиеся к аноду, получили название «анионов», а к катоду – «катионов». 243 Рис. 59. Принцип работы электрохимической ячейки Основные электрические параметры электрохимических ячеек − сила тока (её измеряют в амперах, А) и потенциал (измеряемый в вольтах, В). Сила тока определяется скоростью электродных реакций, а потенциал − химической энергией протекающих в ячейке процессов. Он равен энергии (измеряемой в джоулях, Дж), отнесённой к количеству электричества (измеряемому в кулонах, Кл), т.е. 1 В = 1 Дж/Кл. Следовательно, потенциал ячейки (электродвижущая сила, ЭДС) − это мера энергии, вырабатываемой в ходе протекающих в ней реакций. Потенциометрические измерения проводят в условиях, когда ток в электрохимической ячейке отсутствует. Это значит, что в ней не происходит никаких суммарных химических изменений, а измеряемый потенциал (равновесный) определяется термодинамикой реакций. В этих условиях такие факторы, как размер и форма электродов или интенсивность перемешивания раствора, не влияют на измеряемый потенциал. Если же через электрохимическую ячейку течёт ток, то скорость электродных реакций зависит не только от термодинамических 244 параметров, но и от силы тока. В этом случае потенциал электрохимической ячейки зависит от кинетических факторов, а также от материала, из которого сделан электрод, размеров и формы электрода, интенсивности перемешивания раствора и многих других факторов. Нельзя пренебречь и внутренним сопротивлением ячейки. Кроме разности потенциалов на обеих границах электрод/электролит возникает падение напряжения в самом растворе, обусловленное его сопротивлением. При пропускании внешнего тока потенциал электрода отличается от равновесного. Это отклонение называется поляризацией, а его величина − перенапряжением. Перенапряжение зависит от нескольких факторов, лимитирующих скорость электродных реакций. Быстрые электродные реакции при данной плотности тока (сила тока на единицу поверхности электрода) идут при потенциалах, близких к термодинамическим, а, следовательно, при малом перенапряжении. Для медленных реакций характерно высокое перенапряжение. Скорости электродных реакций, а значит, и перенапряжение зависят от концентрации реагентов, температуры, растворителя, материала электрода, способа и скорости переноса массы, плотности тока. Суммарное перенапряжение можно разложить на несколько компонентов: концентрационное, активационное и реакционное [129]. Концентрационное перенапряжение обусловливается тем, что при прохождении тока изменяется концентрация реагирующих ионов на поверхности электрода, поскольку в этой области расходуются электроактивные вещества и образуются продукты реакции. Активационное перенапряжение возникает в результате того, что перенос электронов на поверхности электрода осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью. Чтобы переносить электроны на окисленные соединения с заданной скоростью (т.е. при данной плотности тока), необходимо преодолеть энергетический барьер, называемый энергией активации электродной реакции. Реакционное перенапряжение возникает в том случае, когда перенос электронов на электроде сопряжен с химической реакцией в растворе. Такая реакция может служить источником частиц, участвующих в переносе электронов, и при этом лимитировать скорость всего 245 электродного процесса. Вот почему так важно знать детали механизма (т.е. стадии и промежуточные состояния) электродных реакций. Во многих случаях исходное вещество, прежде чем стать конечным продуктом на электроде, претерпевает несколько превращений. Производители обычно указывают кулонометрический запас электричества батарей (в ампер-часах 1 ) , который определяется количеством ампер-часов, полученных при разряде батареи из полностью заряженного состояния в состояние, при котором напряжение на клеммах батареи снизится до напряжения отключения 2 ( рис. 60). Указанная величина характеризует запас электричества при стандартной температуре (обычно 20°С) и определённом разрядном токе. Снижение рабочей температуры (особенно в зону отрицательных величин) существенно снижает энергоёмкость аккумулятора. Рис. 60. Типичная характеристика разряда электрохимической ячейки 1 Один ампер-час представляет собой электрический заряд, проходящий за 1 час через поперечное сечение проводника при пропускании тока 1 ампер. Один ампер-час равен 3600 Кл. 2 Для автомобильных стартерных аккумуляторов оно составляет 10,5 В согласно ГОСТ Р МЭК 61056-1-99. 246 Одна и та же батарея обычно выдаёт различное количество ампер- часов при разных разрядных токах. В общем случае запас электричества батареи снижается при увеличении разрядного тока. При маркировке батарей это обстоятельство учитывается либо явно, либо по умолчанию. Режим разряда может быть указан явно, например, «100 А·ч при С/5», что означает запас электричества 100 А·ч при 5-часовом режиме разряда током 20 А (100/5=20). Для наиболее распространённых типов батарей режим разряда стандартизируется и принимается по умолчанию. Например, для автомобильных стартерных аккумуляторов принимается режим «С/20», т.е. 20-часовой разряд током, составляющим 1/20 от указанного в маркировке запаса электричества. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А·ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 А на протяжении 20 часов, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже 10,5 В. При последовательном соединении ячеек в батарее запас электричества не изменяется, а напряжение на клеммах батареи определяется как сумма напряжений ячеек. Так, например, при последовательном соединении двух ячеек, имеющих напряжение 3,3 В и запас электричества 10 А·ч, получим батарею с напряжением 6,6 В и запасом электричества 10 А·ч. При параллельном соединении ячеек в батарее, запас электричества суммируется, а напряжение не изменяется. Так, например, при параллельном соединении двух ячеек, имеющих напряжение 3,3 В и запас электричества 10 А·ч, получим батарею с напряжением 3,3 В и запасом электричества 20 А·ч. Другим важным показателем является уровень заряда аккумуляторной батареи (англ. state of charge, SOC). SOC определяется как отношение оставшегося заряда к полному заряду, т.е. у полностью заряженного аккумулятора SOC=100%, а у полностью разряженного 1 SOC=0%. Существует и обратный показатель – глубина разряда батареи (англ. depth of discharge, DOD). У полностью заряженного аккумулятора DOD=0%, а у полностью разряженного DOD=100%. 1 Состояние «полной разрядки» аккумулятора зависит от величины разрядного тока и напряжения отключения. 247 Изменение уровня заряда батареи за интервал времени dt при зарядном или разрядном токе I может быть выражено как ∆𝑆𝑂𝐶 = 𝐼 𝑄(𝐼) 𝑑𝑡, (12) где Q(I) – запас электричества батареи (А·ч) при разряде её током I (А). При разряде батареи величина тока положительна, при заряде – отрицательна. Таким образом, уровень заряда батареи может быть выражен как 𝑆𝑂𝐶 = 𝑆𝑂𝐶 0 − ∫ 𝐼 𝑄(𝐼) 𝑑𝑡, (13) где SOC 0 – первоначальное (исходное) значение SOC. Для аккумуляторных батарей электромобилей и электрогибридов представляется более важным показателем не кулонометрический запас электричества (в А·ч), а запас энергии (в Вт·ч). Энергия, выдаваемая батареей за время t, определяется как интеграл мгновенной мощности 1 𝐸 𝑐 = ∫ 𝑈(𝐼, 𝑆𝑂𝐶) ∙ 𝐼(𝑡) ∙ 𝑑𝑡 𝑡 0 , (14) где U(I,SOC) – напряжение на клеммах батареи (В), которое является функцией от разрядного тока I и уровня заряда SOC; I(t) – сила разрядного тока (А), который является функцией от времени t. Если большая точность не нужна, то вместо интегрирования можно воспользоваться средними значениями напряжения и потребляемого тока: 𝐸 𝑐 ≈ 𝑄 ∙ 𝑈, (15) т.е. выдаваемая энергия (в Вт·ч) приблизительно равна произведению средней величины выдаваемого заряда (в А·ч) на среднее напряжение (в Вольтах). Важным показателем аккумуляторов для элетромобилей является величина удельной энергоёмкости, т.е. отношения максимального 1 Мгновенной мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи. 248 запаса энергии батареи к её массе, измеряемая в Вт·ч/кг. Удельная энергоёмкость определяет запас хода электромобиля. Теоретическая удельная энергоёмкость аккумуляторов определяется взаимной химической активностью электродов и молекулярной массой реагирующих друг с другом химических элементов. Водород, литий и натрий являются наилучшим выбором для негативных реагентов, а лёгкие галогены, кислород и сера (в виде оксидов и сульфидов) – для позитивных реагентов. Например, для свинцово- кислотного аккумулятора теоретическая удельная энергоёмкость составляет 170 Вт·ч/кг, для никель-кадмиевого – 217 Вт·ч/кг, для литий- кобальтового – 320 Вт·ч/кг, для натрий-серного – 760 Вт·ч/кг, для алюминий-кислородного – 2815 Вт·ч/кг. Однако в реальных конструкциях батарей величина удельной энергоёмкости значительно ниже, что связано с невозможностью создания идеальных условий для протекания химических реакций, а также с дополнительной массой вспомогательных элементов. Ещё одним показателем аккумуляторов является удельная мощность, измеряемая в Вт/кг. Удельная мощность определяет скорость отдачи энергии и важна для обеспечения интенсивного разгона электромобиля. Этот показатель, по существу, характеризует внутреннее сопротивление батареи при наибольших токовых нагрузках. Внутреннее сопротивление складывается из кондуктивного (омического) сопротивления и сопротивления, связанного с протеканием химических реакций. Преобразования энергии в аккумуляторе сопровождаются потерями энергии. Эффективность зависит от величины разрядного или зарядного тока, уменьшаясь при его увеличении, а также от уровня заряда батареи. Типичная зависимость эффективности разрядно-зарядного цикла аккумулятора (рис. 61) имеет максимум в зоне средних величин SOC. Это обстоятельство показывает, что система управления энергопотоками в электрогибриде должна поддерживать уровень заряда батареи на среднем уровне, где она работает наиболее эффективно. 249 Рис. 61. Типичная характеристика эффективности разрядно-зарядного цикла свинцово-кислотного аккумулятора Кроме того, чем эффективнее работает батарея, тем меньше она нагревается (т.к. снижаются потери), что благоприятно сказывается на безопасности и долговечности её работы. Срок службы батарей оценивается количеством разрядно- зарядных циклов, реализовавшихся до момента, когда энергоёмкость батареи снизилась до заданного уровня, обычно до DOD=50…80%. На срок службы оказывает существенное влияние глубина и интенсивность разрядно-зарядного цикла (рис. 62), а также температурный режим работы батареи. При проектировании электромобилей и электрогибридов необходимо учитывать возможное изменение характеристик аккумуляторов в режимах и условиях, характерных для реальной эксплуатации. Во всём мире ведутся интенсивные исследования в области аккумуляторов с высокой ёмкостью. Некоторые характеристики таких аккумуляторов представлены в прил. 2 (по данным [130], [66], [131], [132], [118] и др.). 250 Рис. 62. Типичная зависимость срока службы свинцово-кислотного аккумулятора от глубины разрядно-зарядных циклов Никель-кадмиевые аккумуляторы В Ni-Cd-аккумуляторе положительный электрод выполнен из гидрата закиси никеля Ni(OH) 2 с графитовым порошком (около 5…8%), отрицательный электрод − из гидрата закиси кадмия Cd(OH) 2 или металлического кадмия Cd (в виде порошка), а электролитом является концентрированный раствор гидроксида калия KOH (концентрация − 240 г/л) с добавкой гидроксида лития LiOH (концентрация − 50 г/л) для образования никелатов лития и увеличения ёмкости на 21…25%). Принцип действия Ni-Cd-аккумуляторов основан на обратимом процессе: 2NiOOH + Cd + 2H 2 O ↔ 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 Никелевый электрод представляет собой пасту гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом и нанесенную на стальную сетку, а кадмиевый электрод − стальную сетку с впрессованным в неё губчатым кадмием. Пространство между электродами заполнено желеобразным составом на основе влажной щелочи, который замерзает при −27°С [133]. Благодаря очень низкому внутреннему сопротивлению аккумулятор не нагревается даже при зарядке большим током. 251 Однако Ni-Cd- аккумуляторы подвержены так называемому «эффекту памяти», т.е. обратимой потере энергоёмкости. Эффект памяти проявляется, когда аккумулятор подвергают зарядке раньше, чем он полностью разрядится. То есть использовать никель-кадмиевый аккумулятор в буферном режиме нельзя. В определённой мере действие эффекта памяти обратимо: «тренировка» аккумулятора, то есть несколько циклов заряда до максимально возможной энергоёмкости и последующего полного разряда может приводить к восстановлению максимальной энергоёмкости до исходного или близкого к нему уровня. При хранении Ni-Cd-аккумуляторы также теряют энергоёмкость, хотя и сохраняют выходное напряжение, поэтому рекомендуется хранить их в разряженном виде — тогда после первой же зарядки аккумуляторы будут полностью готовы к использованию. В настоящее время использование никель-кадмиевых аккумуляторов сильно ограничено по экологическим соображениям, поэтому они применяются только в устройствах, характеризующихся большими разрядными и зарядными токами. Никель-металлгидридные аккумуляторы В Ni-MH-аккумуляторе положительный электрод выполнен из оксида никеля, отрицательный – из металлогидрида (обычно гидрид никель-лантан или никель-литий), а электролитом является концентрированный раствор гидроксида калия. Металлогидриды являются «хранилищем» водорода, который может внедряться в их кристаллическую решётку. Принцип действия Ni-МН-аккумуляторов основан на обратимом процессе: MH+ NiOOH ↔ M+ Ni(OH) 2 Характеристики Ni-МН-аккумуляторов превосходят характеристики Ni-Cd- аккумуляторов, в них отсутствует токсичный кадмий, поэтому этот вид щелочных аккумуляторов преобладает на рынке. Ni-MH аккумуляторы практически избавлены от «эффекта памяти», однако саморазряд примерно в 1,5…2 раза выше, чем у Ni-Cd- аккумуляторов. Но с 2005 года на рынке стали появляться LSD Ni-MH- аккумуляторы с низким саморазрядом (англ. low self-discharge, LSD). Кроме того, LSD-аккумуляторы обычно имеют значительно более |