Прожгли, замкнули, прокололи

Батарея как полноценный двигатель

Из семи действующих тестовых линий струнного транспорта электрифицирована одна. Но даже там без аккумуляторов не обходятся: они выступают в роли резервного канала питания на случай перебоев в контактной сети. В остальных транспортно-инфраструктурных комплексах  юнимобили  работают от бортовых батарей, которые делятся на два типа:

• основная служит источником энергии на всем протяжении маршрута и рассчитана на расстояние до 100 км; 

• аварийная позволяет доставить пассажиров или груз до ближайшей станции при сбое.

Например, для грузового юнимобиля  юниконта , предназначенного для перевозки 40-тонных морских контейнеров, инженеры создали комбинированный накопитель. Он состоит из четырех блоков: два из них литий-ионные и еще два – на суперконденсаторах. Последние, в отличие от обычных аккумуляторов, способны мгновенно генерировать ток и так же быстро заряжаться. На коротких расстояниях и при частых запусках именно они разгоняют тяжеловоз. После того как транспортное средство выходит на  крейсерскую скорость , включается энергия литий-ионных батарей. Суперконденсаторы успевают заряжаться во время движения: как от  контактной сети , так и за счет  рекуперативного торможения . 

Восемь лет и никакой деградации

Одним из самых убедительных доказательств качества накопителей, разработанных инженерами ЗАО «Струнные технологии», стал  юнибус U4-210 . Он эксплуатируется в  R&D-центре  компании под Минском с 2017 года. Недавно машина прошла плановое техническое обслуживание. Во время него специалисты проверили системы охлаждения, отопления и подогрева, а также сохранения энергии, выполнив контрольные циклы заряда и разряда. Диагностика показала, что за восемь лет накопитель не деградировал, сохранил около 80% емкости и по-прежнему хорошо держит энергию.

Секрет долголетия кроется в нескольких факторах:

во-первых, батарея никогда не заряжается и не разряжается полностью. Она постоянно работает в комфортной зоне между 30% и 80%; 

во-вторых, ее конструкция предусматривает хорошую термостабилизацию. Работу радиаторов и жидкостного охлаждения контролируют датчики температуры и утечек; 

в-третьих,  интеллектуальная система управления  не допускает перегрева, перезаряда и глубокого разряда ни одной из ячеек, а их, кстати, в одном таком накопителе может быть до 364 штук. 

Ведущий инженер-конструктор бюро «Электропривод» Юрий Шрубок обращает внимание:

«Долговечность аккумулятора – вопрос комплексный. Это результат инженерной работы на всех этапах: от проектирования до настройки системы управления. Мы закладываем щадящие режимы, контролируем температурные условия, ограничиваем крайние уровни заряда и соблюдаем баланс нагрузки между ячейками.

Кстати, во время планового технического обслуживания юнимобиля U4-210 открылся еще один «побочный» эффект грамотного использования батареи – рекуперативное торможение. Так как большая часть тормозного усилия приходится на электродинамическое торможение, энергия возвращается обратно в систему, а не сжигается с помощью колодок. Поэтому диски и колодки имеют высокий остаточный ресурс». 

Безопасность – еще одна приоритетная задача, которая стояла перед разработчиками батарей. Корпуса накопителей спроектированы с учетом больших эксплуатационных нагрузок. Они герметичны и изолированы, а также рассчитаны на высокие температуры. Клапаны выравнивания давления сохранят герметичность оболочки даже при резких скачках. 

Внутри каждого устройства установлена плата управления. Она в реальном времени отслеживает напряжение на каждой ячейке, температуру на ее контактах, а также ток, который батарея отдает или получает. Кроме того, система контролирует уровень охлаждающей жидкости и сопротивление изоляции корпуса. Если какой-то из параметров выходит за безопасные пределы, автоматика сделает балансировку режима, а при невозможности – отключит устройство с помощью высоковольтного прерывателя. Кстати, их на корпусе два, они окрашены в оранжевый цвет для безопасности инженеров.

Все перечисленные решения позволяют безопасно эксплуатировать транспорт даже в тропических условиях. И это подтверждено на практике – в R&D-центре компании в ОАЭ, где юнимобили работают в жарком и влажном климате. 

Испытания: от вибростенда до пробитой ячейки

Перед установкой на  рельсовый беспилотник  каждая батарея проходит обязательный цикл испытаний. Вибрационные тесты проводятся на стендах, имитирующих динамику движения по рельсо-струнной эстакаде. Климатические испытания охватывают диапазон температур от минус сорока до плюс шестидесяти градусов с влажностью до девяноста пяти процентов и резкими перепадами. Электрические проверки – это тысячи циклов заряда и разряда, в том числе с нагрузками, которые имитируют нештатные ситуации на линии. А еще проверка на тепловой разгон и краш-тесты, которые моделируют настоящую аварию: внутреннее короткое замыкание, фатальный перегрев, механический прокол.

Это цепная реакция, при которой одна аккумуляторная ячейка перегревается, затем воспламеняется, и огонь перебрасывается на соседние. Как в коробке со спичками: зажег одну – загорелись все. Температура внутри корпуса в этот момент может подскочить до 500–800 градусов, и, если вовремя не принять меры, вся батарея выгорает за секунды. Чтобы исключить аварию во время эксплуатации, инженеры провоцируют тепловой разгон на испытательном стенде. Если пламя с одной ячейки перекинулось на другие, конструкция испытание не прошла. Если же огонь остался внутри одного модуля и корпус сохранил герметичность, накопитель признается безопасным. Только после этого его устанавливают на юнимобиль.

Однако даже прошедшая все краш-тесты батарея – это часть системы безопасности. В каждом юнимобиле предусмотрено несколько уровней пожарной защиты. В герметичных отсеках с электрооборудованием действует объемное пожаротушение: специальный состав подавляет огонь, не повреждая соседние узлы. В пассажирском салоне используются локальные системы с нетоксичными составами, безопасными для людей.

При малейших признаках возгорания автоматика выполняет защитный сценарий: юнимобиль останавливается на ближайшей станции, обесточивает отдельные узлы и отправляет сигнал диспетчеру. Кстати, за годы эксплуатации струнного транспорта не зафиксировано ни одного пожара.

Автоматические стенды нагрузки, мультиметры и термопары, мегаомметры – все измерительное оборудование, которым пользуются испытатели, отвечает самым высоким метрологическим требованиям. Оно проходит регулярную калибровку и поверку. Показания сверяют с национальными эталонами Белорусского государственного института метрологии. 

Вторая жизнь аккумуляторов

Отработанные батареи не отправляются в утиль. Инженеры предусмотрели вторичное использование в качестве стационарного накопителя энергии. Например, для сглаживания пиков потребления или аварийного питания инфраструктуры комплекса: пассажирских станций или диспетчерских пунктов. 

Инженеры продолжают искать более совершенные решения в области накопления энергии. В перспективе – разработка натрий-ионных аккумуляторов, ведь они дешевле и экологичнее, хотя пока уступают литиевым по плотности энергии. Интерес разработчиков вызывают и твердотельные аккумуляторы, в которых вместо жидкого электролита используется твердый материал: керамический, полимерный или сульфидный. Они гораздо безопаснее. 

Часть устойчивой транспортной системы

Разработанные шестнадцать моделей накопителей охватывают всю линейку подвижного состава – от компактных  юнивиндов  до мощных контейнеровозов. Благодаря модульной архитектуре удалось унифицировать систему BMS, интерфейсы подключения и алгоритмы термостабилизации. Пассажирский юнибус и контейнеровоз используют одни и те же аккумуляторные модули. Это упрощает производство, обслуживание и замену.

К слову, при сборке юнимобилей применяются негорючие и трудновоспламеняемые материалы – не только в корпусах батарей, но и в отделке салона. Это дополнительный барьер на пути распространения огня.

Накопители энергии стали не просто вспомогательным узлом, а неотъемлемой частью эффективной и устойчивой транспортной системы uST. Они обеспечивают автономность, гибкость и устойчивость к внешним воздействиям. Опыт юнибуса U4-210, который после восьми лет работы сохранил около 80% емкости, лучше всяких слов подтверждает надежность этого решения.