Повышение тяговых характеристик тепловоза с гибридной энергетической установкой

Обоснована целесообразность применения на тепловозе гибридной энергетической системы с использованием тяговых аккумуляторов. Актуальность решаемой задачи заключается в возможности увеличения весовой нормы поезда без снижения ресурса основного энергетического оборудования тепловоза, что имеет большое значение для повышения эффективности работы железных дорог.

С целью прогнозирования эффективности внедрения на железных дорогах автономных локомотивов с комбинированным источником энергии методом математического моделирования определены тяговые свойства тепловоза, оборудованного батареей тяговых аккумуляторов. Основой метода является динамическая модель движения поезда, в которой локомотив представлен электромеханической системой с электроприводом постоянного тока, где в качестве первичного источника энергии используется дизельгенераторная установка и литий-ионная аккумуляторная батарея. Показано, что применение на тепловозе гибридного источника энергии с накопителем ёмкостью 1300 амперчас позволяет на 18 % повысить весовую норму поезда при движении по типовому профилю. Особое внимание уделяется требованиям к эксплуатации тяговых электрических машин для исключения их преждевременного отказа. Установлено, что при движении локомотива с гибридной энергетической установкой с составом расчётного веса и при нормальных условиях увеличение тока нагрузки тяговых электродвигателей не приводит к перегреву их обмоток на расчётном подъёме.

Приведённая модель является универсальной и позволяет рассчитать эффективность работы тепловоза с гибридной энергетической установкой при любых условиях движения.

1. Иванов А. М., Поляшов Л. И., Иванов С. А. Гибридные энергетические установки для электробусов // Машиностроение. − 2000. − № 10. – С. 18–21.

2. Коссов Е. Е., Азаренко В. А., Бычков Д. А. и др. Разработка концепции развития автономного тягового подвижного состава. – В кн.: ВНИИЖТ – транспорту. Научные проблемы технического развития железнодорожного транспорта: Сб. науч. тр. научно-практической конференции ОАО «ВНИИЖТ» / Под. ред. А. Е. Семечкина. – М.: Интекст, 2008. − С. 89–100.

3. Tokuyama, K., Shimada, M., Terasawa, K., Kaneko, T. Practical application of a hybrid drive system for reducing environmental load. Hitachi Review, 2008, Vol. 57, No. 1, pp. 23–27. [Электронный ресурс]: https://www.hitachi.com/rev/pdf/2008/r2008_01_003.pdf. Доступ 17.06.2022.

4. Takahashi, H., Kato, T., Ito, T., Gunji, F. Energy storage for traction power supply systems. Hitachi Review, 2008, Vol. 57, No. 1, pp. 28–32. [Электронный ресурс]: https://www.hitachi.com/rev/pdf/2008/r2008_01_004.pdf. Доступ 17.06.2022.

5. Титова Т. С., Евстафьев А. М., Изварин М. Ю., Сычугов А. Н. Перспективы развития тягового подвижного состава. Ч. 1 // Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, практике, экономике. – 2018. – № 6 (79). – С. 40–44. [Электронный ресурс]: http://rostransport.com/transportrf/download.php?src=/transportrf/pdf/79/1994-831X-2018-6-40-44.pdf. Доступ 17.06.2022.

6. Титова Т. С., Евстафьев А. М. Повышение энергетической эффективности локомотивов с накопителями энергии // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. – СПб.: ПГУПС, 2017. – № 2. – Т. 14. – С. 200–210. [Электронный ресурс]:http://izvestiapgups.org/assets/pdf/02_2017.pdf (полный текст номера). Доступ 17.06.2022.

7. Евстафьев А. М. Оценка энергоёмкости бортового накопителя энергии для тягового подвижного состава // Бюл. результатов науч. исследований. – 2018. – № 2. − С. 7–17. [Электронный ресурс]: http://brni.info/download/%D0%B2%D1%8B%D0%BF%D1%83%D1%81%D0%BA-27.pdf (полный текст номера). Доступ 17.06.2022.

8. Rand, D. A. J. Battery systems for electric vehicles − a state-of-the-art review. Journal of Power Sources, 1979, Vol. 4, Iss. 2, pp. 101–143. DOI: 10.1016/0378-7753(79)85001-6 [ограниченный доступ].

9. Pierson, J. R., Johnson, R. T. The battery Designer’s challenge satisfying the ever increasing demands of vehicle electrical systems. Journal of Power Sources, 1991, Vol. 33, pp. 309–318. DOI: 10.1016/0378-7753(91)85069-9 [огра- ниченный доступ].

10. Ярославцев М. В. Определение параметров энергоустановки гибридного автомобиля моделированием процесса потребления энергии // Электротехника. – 2014. – № 12. – С. 17–21. [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=23002446&. Доступ 17.06.2022.

11. Miller, A. R., Hess, K. S., Barnes, D. L., Erickson, T. L. System design of a large fuel cell hybrid locomotive. Journal of Power Sources, 2007, Vol. 173, Iss. 2, pp. 935–942. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.08.045.

12. Cousineau, R. L. Development of a hybrid switcher locomotive the Railpower Green Goat. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 2006, Vol. 9, Iss, 1, pp. 25–29. DOI: 10.1109/MIM.2006.1634954 [ограниченный доступ].

13. Letrouvé, T., Lhomme, W., Pouget, J., Bouscayrol, A. Different hybridization rate of a diesel-electric locomotive. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC, 2014, Vol. 14. DOI: 10.1109/VPPC.2014.7007048 [ограниченный доступ].

14. Jaafar, A., Akli, C., Sareni, B., Roboam, X., Jeunesse, A. Sizing and energy management of a hybrid locomotive based on flywheel and accumulators. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2009, Vol. 58, No. 8, pp. 3947–3958. DOI: 10.1109/TVT.2009.2027328 [ограниченный доступ].

15. Варакин И. Н., Менухов В. В., Самитин В. В. Применение электрохимических конденсаторов ЗАО «ЭЛТОН» в составе гибридных энергосиловых установок на карьерном автотранспорте // Горное оборудование и электромеханика. − 2008. – № 58. − С. 106–115. [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=12965927. Доступ 17.06.2022.

16. Höring, O. Elektrische Bahnen. Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2019, 530 p. DOI: https://doi.org/10.1515/9783111557885 [ограниченный доступ].

17. Bleijs, J. A. M., Freris, L. L., Foster, J. E., Infield, D. G., Lipman, N. H., Smith, G. A. A Wind/Diesel System with Variable Speed Flywheel. Published By: Sage Publications, Inc., Wind Engineering, 1993, Vol. 17, No. 3, pp. 129−146. [Электронный ресурс]: https://www.jstor.org/stable/43749507 [ограниченный доступ].

18. Bullock, K. R. Lead/Acid Batteries. Journal of Power Sources, 1994, Vol. 51, Iss. 1-2, pp. 1−18. DOI: 10.1016/0378-7753(94)01952-5 [ограниченный доступ].

19. Denton, T. Electric and Hybrid Vehicles (2nd ed.). Routledge, 2020, 350 p. ISBN 9780367273231. DOI: 10.1201/9780429296109 [ограниченный доступ].

20. Electric Vehicle Application Handbook for Genesis Sealed-Lead Batteries. Publication IBD-BR-011. Hawker Energy Products Inc. 4th ed., 1998, Vol. 2, 44 p. [Электронный ресурс]: https://pdfslide.net/documents/electric-vehicleapplication-handbook-for-genesis-electric-vehicleapplication.html?page=1. Доступ 17.06.2022.

21. Freund, H., Kaufmann, W. Batteriestützpunkte in Mittel- und Niederspannungsnetzen. In: etz. Jg. 108, 1987, H. 17, S. 796–799.

22. Haubrich, H.-J., Krämer, K., Dominik, H., Pesch, H. Batterien in elektrischen Netzen. Erfahrungen und Perspektiven. Contribution to conference proceedings. In: ETG-Fachtagg. Entwickl.trends in d. Energ.tech. München, 1994.

23. Kiehne, H. A. Batteries for Electric Road Vehicles. In: Battery Technology Handbook, 2003, pp. 137–154.

24. Правила тяговых расчётов для поездной работы. – М.: Транспорт, 1985. – 287 с. [Электронный ресурс]: https://djvu.online/file/syjaetzWQPjhN. Доступ 17.06.2022.

25. Некрасов О. А., Лисицын Л. А, Мугинштейн Л. А., Рахманинов В. И. Режимы работы магистральных электровозов. – М.: Транспорт, 1983. – 231 с.

26. Mathlab Simulink Battery. Generic battery model. [Электронный ресурс]: https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/battery.html. До ступ 17.06.2022.