mirtrМир транспортаWorld of Transport and Transportation1992-3252Russian University of Transport (RUT)10.30932/1992-3252-2024-22-1-3mirtr-2680Research ArticleНАУКА И ТЕХНИКАSCIENCE AND ENGINEERINGИспользование электрических накопителей для повышения тяговых свойств автономных локомотивовThe Use of Electric Energy Storage Devices to Improve Traction Properties of Autonomous LocomotivesКузнецовГ. Ю.KuznetsovG. Yu.

Кузнецов Григорий Юрьевич – аспирант кафедры электропоездов и локомотивов.

Москва

Grigory Yu. Kuznetsov - Ph.D. student at the Department of Electric Trains and Locomotives of Russian University of Transport.

Moscow

kuznetsov_gy@mail.ruЛогиноваЕ. Ю.LoginovaE. Yu.

Логинова Елена Юрьевна – доктор технических наук, профессор кафедры электропоездов и локомотивов.

Москва

Elena Yu. Loginova - D.Sc. (Eng), Professor at the Department of Electric Trains and Locomotives of Russian University of Transport.

Moscow

ejy-loginova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3321-1176КуделинК. В.KudelinK. V.

Куделин Константин Витальевич – аспирант кафедры электропоездов и локомотивов РУТ; машинист, ОАО «РЖД».

Москва

Konstantin V. Kudelin - Ph.D. student at the Department of Electric Trains and Locomotives of Russian University of Transport.

Moscow

konstantin-97@mail.ruРоссийский университет транспортаРоссияRussian University of TransportRussian FederationРоссийский университет транспорта; ОАО «РЖД»РоссияRussian University of Transport; Russian Railways JSCRussian Federation2024181220242212429Copyright © Кузнецов Г.Ю., Логинова Е.Ю., Куделин К.В., 20242024Кузнецов Г.Ю., Логинова Е.Ю., Куделин К.В.Kuznetsov G.Y., Loginova E.Y., Kudelin K.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/2680

На основании анализа зарубежного опыта разработки автономных локомотивов с гибридной энергетической установкой обоснована возможность повышения эффективности работы тепловозов за счет использования электрических накопителей энергии.

Предложена принципиальная схема энергетической системы тепловоза, источником энергии в которой наряду с дизелем является тяговая аккумуляторная батарея с импульсным прерывателем постоянного напряжения. Разработан алгоритм управления тяговым приводом тепловоза с гибридной энергетической установкой, обеспечивающий повышение тяговой силы локомотива на тяжелых участках профиля. Модернизация энергетической системы тепловоза путем применения гибридной энергетической установки рассмотрена применительно к тепловозу 2ТЭ116. С использованием уравнений энергетического баланса тягового электродвигателя разработана математическая модель работы тягового привода тепловоза с питанием от гибридного источника энергии через управляемый прерыватель напряжения. Методами численного моделирования в программных средах MatLab и LabView выполнен расчет тяговой характеристики тепловоза 2ТЭ116 со штатной энергетической установкой и гибридной энергетической установкой. Показано, что во всем диапазоне рабочих скоростей движения тепловоз с гибридной энергетической установкой позволяет получить силу тяги на 15 % выше, чем тепловоз со штатной энергетической системой. Расчеты обосновали, что повышение тяговых свойств модернизированного тепловоза 2ТЭ116 дает возможность на 15 % повысить расчетный вес состава, а соответственно и эффективность использования локомотива как тяговой единицы на сети железных дорог.

The analysis of international experience in development of autonomous locomotives with a hybrid power plant allowed to prove the possibility of increasing the operating efficiency of diesel locomotives using electric energy storage devices.

A proposed circuit diagram of the power system of a diesel locomotive implies as source of energy both a diesel engine and a traction battery with a DC pulse chopper. An algorithm has been developed to control the traction drive of a diesel locomotive with a hybrid power plant, which ensures an increase in the tractive force of the locomotive on sections with difficult track profile. Modernisation of the power system of a diesel locomotive using a hybrid power plant is considered for the diesel locomotive of 2TE116 series. A mathematical model of operation of a diesel locomotive traction drive powered by a hybrid energy source through a controlled voltage breaker has been developed using the energy balance equations of a traction electric motor. Respective traction properties of 2TE116 diesel locomotive with a standard power plant and a hybrid power plant were calculated using numerical modelling methods in MatLab and LabView software environments. It is shown that, over the entire range of operation speed, a diesel locomotive with a hybrid power plant allows obtaining a tractive effort 15 % higher than a diesel locomotive with a standard power plant. Calculations have proved that increasing the traction properties of the modernised 2TE116 diesel locomotive makes it possible to increase the designated weight of the train by 15 %, and, accordingly, the efficiency of using the locomotive as a traction unit on the railway network.

железнодорожный транспортэлектрические накопители энергиигибридная энергетическая установкаповышение эксплуатационных характеристик магистрального тепловозаrailway transportelectric energy storage deviceshybrid power plantimprovement of operation characteristics of a mainline diesel locomotiveReferencesSoluyanov, Y. I., Fedotov, A. I., Akhmetshin, A. R. Application of intelligent electricity metering systems for timely adjustment of standard values for electrical loads calculation. Proceedings of the 3rd 2021 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2021: 3, Moscow. Moscow, 2021, 9388018. DOI: 10.1109/REEPE51337.2021.9388018.Soluyanov, Y. I., Fedotov, A. I., Akhmetshin, A. R. Application of intelligent electricity metering systems for timely adjustment of standard values for electrical loads calculation. Proceedings of the 3rd 2021 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2021: 3, Moscow. Moscow, 2021, 9388018. DOI: 10.1109/REEPE51337.2021.9388018.Еременко М. Н., Доможирова А. Д., Упырь Р. Ю. Организация планирования диспетчерской работы на участках с подталкивающим движением // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2021. –№ 1 (69). – С. 164–169. EDN: JBGLHJ.Eremenko, M. N., Domozhirova, A. D., Upyr, R. Yu. Organisation of dispatching planning on sections with pusher locomotive traffic. Sovremennye tekhnologii. Systemnyi analiz. Modelirovanie, 2021, Iss. 1 (69), pp. 164–169. EDN: JBGLHJ.Альтернативные технологии тяги для маневровых локомотивов // Железные дороги мира. [Электронный ресурс]: https://zdmira.com/articles/alternativnye-tekhnologii-tyagi-dlya-manevrovykh-lokomotivov. Доступ 02.10.2023.Alternative traction technologies for shunting locomotives [Altenativnie tekhnologii tyagi dlya manevrovykh lokomotivov]. Zheleznie dorogi mira. [Electronic resource]: https://zdmira.com/articles/alternativnye-tekhnologii-tyagi-dlya-manevrovykh-lokomotivov. Last accessed 02.10.2023.Гибридный локомотив компании Stadler для Великобритании // Железные дороги мира. [Электронный ресурс]: https://zdmira.com/news/gibridnyj-lokomotiv-kompanii-stadler-dlya-velikobritanii-prokhodit-ispytaniya. Доступ 02.10.2023.Stadler hybrid locomotive for Great Britain [Gibridniy lokomotiv kompanii Stadler dlya Velikobritanii]. Zheleznie dorogi mira. [Electronic resource]: https://zdmira.com/news/gibridnyj-lokomotiv-kompanii-stadler-dlya-velikobritanii-prokhodit-ispytaniya. Last accessed 02.10.2023.Mohr, M., Peters, J. F., Baumann, M., Weil, M. Toward a cell-chemistry specific life cycle assessment of lithium-ion battery recycling processes. Journal of Industrial Ecology, 2020, pp. 1310–1322. DOI: 10.1111/jiec.13021.Mohr, M., Peters, J. F., Baumann, M., Weil, M. Toward a cell-chemistry specific life cycle assessment of lithium-ion battery recycling processes. Journal of Industrial Ecology, 2020, pp. 1310–1322. DOI: 10.1111/jiec.13021.Hamzi, I., El Bakkali, M., Aghoutane, M., Touhami, N. A. Conversion Efficiency Study of the Bridge Rectifier at 2.4GHz. Procedia Manufacturing, 2020, Vol. 46, pp. 771–776. DOI: 10.1016/j.promfg.2020.04.003.Hamzi, I., El Bakkali, M., Aghoutane, M., Touhami, N. A. Conversion Efficiency Study of the Bridge Rectifier at 2.4GHz. Procedia Manufacturing, 2020, Vol. 46, pp. 771–776. DOI: 10.1016/j.promfg.2020.04.003.Грищенко А. В., Грачев В. В., Базилевский Ф. Ю., Курилкин Д. Н. Оценка влияния процессов боксования колесных пар тепловозов на их энергетическую эффективность в эксплуатации // БРНИ. – 2014. – № 4 (13). – C. 51–60. EDN: TMAMRT.Grishchenko, A. V., Grachev, V. V., Bazilevsky, F.Yu., Kurilkin, D. N. Assessment of the influence of spinning of wheelsets of diesel locomotives on their energy efficiency in operation [Otsenka vliyaniya protsessov boksovaniya kolesnykh par teplovozov na ikh energeticheskuyu effektivnostvekspluatatsii]. BRNI, 2014, Iss. 4 (13), pp. 51–60. EDN: TMAMRT.Буйносов А. П., Дурандин М. Г., Тутынин О. И. Перспективы использования накопителей электрической энергии на моторвагонном подвижном составе // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. – 2020. – № 4 (48). – С. 35–45. EDN: TWNLKL. DOI: 10.20291/2079-0392-2020-4-35-45.Buynosov, A. P., Durandin, M. G., Tutynin, O. I. Prospects for the use of electrical energy storage devices on multiple unit rolling stock [Perspektivy ispolzovaniya nakopitelei elektricheskoi energii na motorvagonnom podvizhnom sostave]. Bulletin of Ural State Transport University, 2020, Iss. 4 (48), pp. 35–45. EDN: TWNLKL. DOI: 10.20291/2079-0392-2020-4-35-45.Голиков И. Ю. Анализ и разработка системы электроснабжения объектов магистрального трубопровода с использованием ВИЭ и гибридным накопителем электрической энергии // Современные проблемы развития Европейского Севера: Материалы Всероссийской научно-практ. конференции, Ухта, 25–27 мая 2022 года. – Ухта: Ухтинский государственный технический университет, 2022. – С. 8–11. EDN: PKOTAR.Golikov, I. Yu. Analysis and development of the power supply system for main pipeline facilities using renewable energy sources and a hybrid electrical energy storage device [Analiz i razrabotka sistemy elektrosnabzheniya obektov magistralnogo truboprovoda s ispolzovaniem VIE i nakopitelem elektricheskoi energii]. Modern problems of development of the European North: Proceedings of All-Russian scientific-practical conference, Ukhta, May 25–27, 2022. Ukhta, Ukhta State Technical University, 2022, pp. 8–11. EDN: PKOTAR.Никитин В. В., Середа Е. Г., Трифонов Б. А. Принципы использования сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии для повышения экономичности силовой установки автономного транспортного средства с электрической передачей // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2010. – № 1–2. – С. 62–70. EDN: LPCNRL.Nikitin, V. V., Sereda, E. G., Trifonov, B. A. Principles of using a superconducting inductive energy storage device to increase the efficiency of the power plant of an autonomous vehicle with electric transmission [ Printsipy ispolzovaniya sverkhprovodnikovogo induktivnogo nakopitelya energii dlya povysheniya ekoomichnosti silovoi ustanovki avtonomnogo transportnogo sredstva s elektricheskoi peredachei]. News of higher educational institutions. Energy problems, 2010, Iss. 1–2, pp. 62–70. EDN: LPCNRL.Титова Т. С., Евстафьев А. М., Никитин В. В. Применение накопителей энергии для повышения энергетической эффективности тягового подвижного состава // Электротехника. – 2018. – № 10. – С. 21–25. EDN: VAKSSW.Titova, T. S., Evstafiev, A. M., Nikitin, V. V. Application of energy storage devices to increase the energy efficiency of traction rolling stock [Primenenie nakopitelei eergii dlya povysheniya energeticheskoi effektivnosti tyagovogo podvizhnogo sostava]. Electrical engineering, 2018, Iss. 10, pp. 21–25. EDN: VAKSSW.Валинский О. С., Евстафьев А. М., Никитин В. В., Теличенко С. А. Структурные и схемные решения для транспортных гибридных силовых электроэнергетических установок // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2019. – № 5. – С. 7–10. EDN: NRQWPA.Valinsky, O. S., Evstafiev, A. M., Nikitin, V. V., Telichenko, S. A. Structural and circuit solutions for transport hybrid power electric power plants [Strukturnie i skhemnie resheniya dlya transportnykh gibridnykh silovykh elektroenergeticheskikh ustanovok]. Electronics and electrical equipment of transport, 2019, Iss. 5, pp. 7–10. EDN: NRQWPA.Вальцев Н. В., Барбин Н. М. Сравнительный анализ применения электрохимических аккумуляторов разных типов в качестве накопителей энергии // Электротехника. – 2023. – № 6. – С. 53–62. EDN: XQNLPJ. DOI: 10.53891/00135860_2023_5_53.Valtsev, N. V., Barbin, N. M. Comparative analysis of the use of electrochemical batteries of different types as energy storage devices [Sravnitelniy analiz primeneniya elektrokhimicheskikh akkumulyatorov raznykh tipov v kachestve nakopitelei energii]. Electrical engineering, 2023, Iss. 6, pp. 53–62. EDN: XQNLPJ. DOI: 10.53891/00135860_2023_5_53.Буйносов А. П., Дурандин М. Г., Тутынин О. И. Анализ применения гибридного источника питания в системе тягового электропривода электропоезда // Вестник транспорта Поволжья. – 2023. – № 3 (99). – С. 12–18. EDN: GNKAHK.Buynosov, A. P., Durandin, M. G., Tutynin, O. I. Analysis of the use of a hybrid power source in the traction electric drive system of an electric train [Analiz primeneniya gibridnogo istochnika pitaniya v sisteme tyagovogo elektroprivoda elektropoezda]. Bulletin of Transport of Volga region, 2023, Iss. 3 (99), pp. 12–18. EDN: GNKAHK.Павелчик М. Повышение эффективности электрической тяги при помощи накопителей энергии / Дисс… докт. техн. наук. – М.: МИИТ, 2000. – 451 с. EDN: ZKVKOT.Pavelchik, M. Increasing the efficiency of electric traction using energy storage devices. D.Sc. (Eng) thesis [Povyshenie effektivnosti elektricheskoi tyagi pri pomoshchi nakopitelei energii. Diss…dokt. tekh. nauk]. Moscow, MIIT, 2000, 451 p. EDN: ZKVKOT.Штанг А. А. Повышение эффективности электротранспортных систем на основе использования накопителей энергии / Дисс… канд. техн. наук. – Новосибирск: НГТУ, 2006. – 233 c. EDN: NOCHWV.Shtang, A. A. Increasing the efficiency of electric transport systems based on the use of energy storage devices. Ph.D . (Eng) thesis [ Povyshenie effektivnosti elektrotransportnykh sistem na osnove ispolzovaniya nakopitelei energii. Diss..kand.tekh.nauk]. Novosibirsk, NSTU publ., 2006, 233 p. EDN: NOCHWV.Титова Т. С., Евстафьев А. М., Изварин М. Ю., Сычугов А. Н. Перспективы развития тягового подвижного состава // Транспорт Российской Федерации. – 2018. – № 6 (79). – С. 40–44. EDN: YSWXNR.Titova, T. S., Evstafiev, A. M., Izvarin, M. Yu., Sychugov, A. N. Prospects for development of traction rolling stock [Perspektivy razvitiya tyagovogo podvizhnogo sostava]. Transport Rossiiskoi Federatsii, 2018, Iss. 6 (79), pp. 40–44. EDN: YSWXNR.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.