Литий-ионные аккумуляторные батареи для буксировщиков пловцов

№ 3’2015
PDF версия
Литий-ионные аккумуляторы и батареи на их основе успешно заменяют свинцово кислотные и никелевые аккумуляторы, улучшая характеристики автономных объектов благодаря более высоким удельным характеристикам. В статье рассматривается пример такой замены для небольшого буксировщика водолаза.

Работы по установке литий-ионных аккумуляторов на подводные аппараты в России ведутся примерно с начала 2000‑х годов. Скептические настроения, связанные с применением новых на тот момент аккумуляторов, в первую очередь были вызваны проблемами безопасности. Эти аккумуляторы считались не совсем безопасными в применении и в нештатных ситуациях способными усугубить положение, особенно в замкнутом объеме аппарата. Вот почему рассматривались варианты и даже проводились эксперименты по размещению аккумуляторов вне прочного корпуса обитаемых аппаратов. Эксперименты часто проводились не для какого-то конкретного проекта, а с целью выяснения принципиальной возможности и определения перспектив развития данного направления. Предположительно аккумуляторы должны были размещаться во внешнем отсеке легкого корпуса аппарата, отсек полностью заполнялся токонепроводящей жидкостью. Таким образом, при погружении аккумуляторы испытывали на себе такое же давление, как и давление воды за бортом. В результате было установлено, что некоторые типы литий-ионных аккумуляторов можно эксплуатировать в подобных условиях. В связи с указанными проблемами использование литий-ионных аккумуляторов в подводных аппаратах началось именно с необитаемых подводных аппаратов (НПА). Хотя на тот момент проблема безопасности уже была решена для аккумуляторов небольшой емкости (почти у каждого тогда имелся сотовый телефон с литий-ионным аккумулятором и никто не боялся подносить его к уху), все же еще оставались вопросы к аккумуляторам большой емкости (100 и более А·ч).

Буксировщики пловцов и водолазов можно условно разделить по массе на три класса: легкие (до 35 кг), средние (до 80 кг) и тяжелые (более 80 кг). Доставить до воды первый тип вполне способен один человек, второй тип — два-три человека, ну а третий уже требовал специального оборудования. Легкие буксировщики обычно предназначены для того, чтобы водолаз мог подплыть к объекту, не тратя при этом много сил. Поэтому аппараты обычно проектируются так, чтобы водолаз удерживал их руками во время движения под водой. Причем скорость движения под водой относительно мала: около 1–2 узлов (узел равен 1,852 км/ч, или 0,514 м/с). Время движения составляет несколько десятков минут. При увеличении скорости или времени движения пловец быстрее устает из-за значительной нагрузки на руки и может выпустить из рук сам буксировщик. Проблема решается с помощью страховочного троса, который ко всему прочему перераспределяет нагрузку между руками и телом. Поскольку легкие буксировщики достаточно мобильны, они популярны среди дайверов и любителей подводной охоты. К таким аппаратам не предъявляются требования иметь значительный запас хода, буксировщики могут использоваться и при проведении спасательных операций, где нет необходимости покрывать значительные расстояния, а нужно лишь подплыть к объекту.

Именно легкие буксировщики пловцов и водолазов были первыми для апробации новых типов химических источников тока (ХИТ), и на это были свои причины. Во‑первых, такие буксировщики обычно транспортируются вручную, от доставившего его транспортного средства до воды. Чем меньше масса аппарата при тех же характеристиках, тем привлекательней он для водолаза. Во‑вторых, некоторые типы применявшихся ранее аккумуляторов требовали извлечения их из корпуса аппарата для заряда. При использовании некоторых типов ХИТ, до появления литий-ионных аккумуляторов, заряд каждого отдельного аккумулятора осуществлялся в несколько этапов, и общий цикл заряда мог длиться несколько десятков часов. Для этого изготавливались специальные зарядные стенды. Если для тяжелых НПА (массой более 250 кг) данная проблема решалась командой судна-носителя таких аппаратов, то для легких буксировщиков было накладно тратить много времени на заряд при его использовании в течение всего нескольких часов. (Здесь мы опустим проблемы, связанные с обслуживанием самих аккумуляторов старых типов и т. д.) Применение литий-ионных аккумуляторов сулило значительный прорыв, так как процесс заряда и обслуживания практически ничем не отличался от эксплуатации сотового телефона. Конечно, ко времени появления литий-ионных аккумуляторов существовали герметизированные свинцовые аккумуляторы, не требующие отслеживания количества и плотности электролита, практически не выделяющие никаких газов в период эксплуатации. Однако по своим удельным характеристикам литий-ионные аккумуляторы в два и более раз превосходят последние, и потому их внедрение в НПА было только делом времени, рано или поздно это должно было произойти.

Средние и тяжелые буксировщики обычно проектируются как аппараты «толкающего» типа (существуют разные схемы аппаратов, но данная схема стала классической и наиболее часто применяемой в российских буксировщиках). При такой схеме водолаз как бы сидит в аппарате, по ходу движения его прикрывает прозрачный обтекатель. Это позволило значительно увеличить скорость движения под водой (до 4 узлов, 7,4 км/ч). Головной обтекатель не только улучшает гидродинамические характеристики, но и предотвращает срывание дыхательного оборудования, в частности маски, с водолаза. Управление аппаратом под водой осуществляется с помощью ласт и рук. При скоростях более 5 узлов долго придерживаться выбранного курса, используя только ласты и руки, не представляется возможным все по той же причине усталости водолаза. Спустя несколько десятков минут пловец уже не в состоянии управлять значительной массой объекта, движущегося на такой скорости, поэтому скоростные и тяжелые буксировщики оснащают дополнительными рулями.

Средние и тяжелые буксировщики могут буксировать не одного водолаза, а несколько, а также контейнер(ы) с необходимым оборудованием. Буксировщики этого класса способны преодолевать значительные расстояния под водой, а потому используются для проведения поисковых операций и при работе под водой со всевозможным тяжелым оборудованием. Применение литий-ионных аккумуляторов позволило буксировщикам увеличить радиус действия за счет увеличения времени работы от батареи, что расширило их возможности.

Внешний вид буксировщика «Сом» (а) и с водолазом (б)

Рис. 1. Внешний вид буксировщика «Сом» (а) и с водолазом (б)

Так, например, легкий буксировщик, не требующий специального оборудования по доставке к воде, легко использует один водолаз без какой-либо предварительной подготовки аппарата (если не считать заряд аккумуляторной батареи в течение 1–2 часов). Это означает, что, например, поиск и спасение можно осуществлять более оперативно и на более значительном расстоянии от берега. На рис. 1 показан именно такой буксировщик «Сом», относящийся к классу легких, «толкающего» типа, его основные технические характеристики приведены в таблице 1. Буксировщик проектировался как средство для проведения поисковых и спасательных работ, хотя по своим массо-габаритным показателям может быть предназначен и для дайвинга. На рисунке виден трос, привязанный к водолазу, на противоположном конце троса прикреплен небольшой буек, чтобы с поверхности воды отслеживать движение пловца и скорость его передвижения во время проведения испытаний. На буек можно установить ретранслирующее оборудование и получать на поверхности в реальном времени изображение с подводной видеокамеры. Предусмотрено дополнительное комплектование буксировщика подводными камерами и средствами освещения (фонарями).

Таблица 1. Основные технические характеристики буксировщика «Сом»

Глубина погружения, м

40

Масса, кг

37

Габариты (Д×Ш×Г), мм

1635×350×490

Габариты в сложенном состоянии (Д×Ш×Г), мм

1070×350×485

Скорость плавания водолаза в снаряжении, узлов, км/ч

1,4 (2,6);

1,8 (3,33)

Максимальная скорость движения, узлов, км/ч

2,4 (4,45)

Время плавания при скорости узлов, ч

1,4 узла — 8 часов;

1,8 узла — 5 часов

Время плавания при максимальной скорости 2,4 узла, ч (мин)

1,5 (90)

Время заряда от бортового ЗУ, не более, ч

7

Концепция, корпус и двигатель проектировались специалистами Санкт-Петербург-ского государственного морского технического университета, аккумуляторная батарея (АБ) — специалистами физико-технического института им. А. Ф. Иоффе. АБ показана на рис. 2.

Литий-ионная АБ для буксировщика «Сом»

Рис. 2. Литий-ионная АБ для буксировщика «Сом»

Батарея состоит из четырех последовательно соединенных аккумуляторов, с положительным электродом из литированного фосфата железа. Среднеразрядное напряжение такого аккумулятора составляет 3,2–3,3 В, а для всей батареи — 12,8–13,2 В. АБ с таким напряжением стала хорошей заменой 12‑вольтовой свинцово‑кислотной батареи. АБ содержит и зарядное устройство (ЗУ) весом 1,2 кг, что не сильно увеличило массу буксировщика. Буксировщик комплектуется только стандартным шнуром питания от сети переменного тока 220 В. Это весьма удобно при перемещениях и транспортировке аппарата, когда различные дополнительные «коробочки» и устройства можно просто забыть на месте. Работает ЗУ от сети переменного тока с напряжением 110–220 В, 47–63 Гц, что делает возможным эксплуатацию всего аппарата практически в любой точке мира. Основные технические характеристики батареи приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные технические характеристики АБ

Номинальное напряжение, В

13,2

Максимальное напряжение при заряде, В

15,2

Минимальное напряжение при разряде, В

10,8

Номинальная емкость, А·ч

90

Максимальный ток разряда, А

60

Максимальный ток заряда, А

35

Время заряда максимальным током, не более, ч

2,6

Масса, кг

16

Небольшой вес ЗУ и маленькая мощность не позволяют эксплуатировать буксировщик в интенсивном режиме. Общее время заряда составляет около 6–7 часов, заряд можно осуществлять, например, во время ночного отдыха, как и планировалось проектировщиками изначально. Для ведения интенсивных работ в комплекте буксировщика должна быть специальная внешняя зарядная станция, позволяющая заряжать за короткое время — время полного заряда составляет всего 2,5 часа. На данный момент зарядная станция предлагается как дополнительная опция.

АБ снабжена системой обеспечения функционирования (СОФ) и системой баланса (СБ). СОФ «следит» за параметрами аккумуляторов так, чтобы они не выходили за безопасные пределы эксплуатации, обеспечивая максимальное количество циклов заряд/разряд без извлечения батареи из корпуса [1, 2]. СОФ может управлять током заряда бортового ЗУ для лучшего балансирования аккумуляторов. Назначение системы баланса — уравнять степень заряженности аккумуляторов в составе батареи так, чтобы заряд оставался примерно одинаковым для всех аккумуляторов. При токе заряда, примерно равном балансировочному току, можно свести к нулю довольно большой разбаланс в АБ за приемлемый промежуток времени. Токи баланса выбраны с запасом, это сделано для того, чтобы в полевых условиях можно было заменить любой аккумулятор. Время эксплуатации «железа» довольно продолжительное, а жизненный цикл аккумуляторов составляет лишь 6–8 лет, и рано или поздно аккумуляторы придется заменять. Пользуясь простыми инструкциями и методикой подбора, такую замену можно выполнить самостоятельно без привлечения сервисных служб. Эти качества эксплуатации отчасти были достигнуты именно благодаря управлению током заряда в ЗУ, а также специально спроектированной СБ.

СОФ выводит часть информации об АБ на индикаторную панель. Эта информация в большей степени предназначена для обслуживания. В частности, на панель выводятся данные о состоянии внутреннего плавкого предохранителя, и в случае его выхода из строя об этом можно сразу же узнать.

Применяемый в буксировщике «Сом» бесщеточный двигатель управляется специальным контроллером. Таким образом удалось не только повысить надежность аппарата и сделать его почти необслуживаемым, но и добиться плавной регулировки хода винта, стабилизировать обороты вращения винта вне зависимости от степени заряженности АБ и нагрузки. Контроллер двигателя в определенных ситуациях получает информацию от СОФ АБ. Аккумуляторная батарея имеет силовой контактор, который замыкается, если замкнут выключатель хода и если параметры батареи находятся в норме. При разряде и по достижении напряжения на любом из аккумуляторов меньше 2,7 В контактор разомкнет цепь, и время размыкания невозможно предсказать заранее. Поэтому если в обмотках двигателя будет запасено достаточно энергии, то при размыкании цепи может произойти бросок напряжения. СОФ заранее «предупреждает» двигатель о том, что скоро произойдет отключение источника энергии, и контроллер завершает текущий цикл, вырабатывая энергию. Это позволило обойтись без дополнительных устройств, таких как шунт-регулятор, и существенно снизить емкость входного фильтра двигателя.

Буксировщик оборудован выключателем хода и регулятором вращения гребного винта, находящегося в передней части. Винт закрыт кожухом, имеющим двойное назначение: он не только защищает пловца от удара о винт, но и имеет специальные отливы внутри. Гребной винт у буксировщика один, и при вращении возникает крутящий момент вдоль оси движения аппарата. Чтобы компенсировать его внутри кожуха, у винта предусмотрены эти отливы.

Применение литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе в составе НПА позволило существенно повысить ходовые характеристики и перейти на качественно новый уровень.

Литература
  1. Рыкованов А. С. Системы обеспечения функционирования Li-ion-аккумуляторных батарей. Структуры и принципы построения // Силовая электроника. 2012. № 5.
  2. Рыкованов А. С. Элементная база систем обеспечения функционирования Li-ion-аккумуляторов // Компоненты и технологии. 2012. № 8.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *