Method of calculation of the electric starting system with battery and capacitive energy storage

Abstract

The paper presents the method for calculating of electric starting systems with combined current source developed at “Automotive and Tractor Electrical Equipment” Department. There are shown the initial data and the basic formulas and expressions for calculation of such systems and to identification of the main energy parameters.

Full Text

В результате проведения научно-исследовательских работ на кафедре «Автотракторное электрооборудование» по исследованию процесса пуска двигателя внутреннего сгорания и питания электростартера от совместно работающих емкостного накопителя энергии (НЭ) и аккумуляторной батареи (АБ) были выведены формулы для расчета значений напряжений и токов накопителя энергии и аккумуляторной батареи, ЭДС и частоты вращения якоря стартерного электродвигателя, а также полезной мощности на валу стартерного электродвигателя. Анализ полученных формул показывает, что при подключении накопителя энергии параллельно аккумуляторной батарее при постоянстве полезного момента возрастают средние частоты вращения якоря стартерного электродвигателя и его полезная мощность. В результате этого повышается надежность пуска ДВС в условиях низких температур. Разработаны выражения, позволяющие определить основные энергетические параметры системы электростартерного пуска (СЭП) при параллельной работе АБ и НЭ и формула для расчета емкости накопителя, которая определяется из требуемой механической энергии, необходимой для вращения вала ДВС с заданной пусковой частотой вращения. Приведенная методика расчета позволяет с достаточной точностью рассчитывать параметры СЭП с комбинированным источником тока (КИТ). Исходные данные для расчета СЭП с КИТ. Двигатель внутреннего сгорания – ДВС. 1. Марка, код. 2. Моторное масло (сорт, марка). 3. Расчетная температура пуска ДВС - С. 4. Вязкость масла при Т - мм г/с. 5. Число зубьев маховика или передаточное число привода стартера – u. 6. Экспериментальные зависимости = f( ) в табличной форме. Характеристики = f( ) могут быть расчетными (по эмпирическим формулам РТМ). 7. Пусковые характеристики ДВС = f( ) в табличной форме. 8. КПД передачи от СЭ к ДВС - 9. Частоты вращения вала ДВС, для которых строятся зависимости параметров СЭП от t - , (например, по времени пуска = 10; 15 с; по ОСТ 37.001.052-87. 10. Число цилиндров двигателя . 11. Число тактов двигателя (тактность). Аккумуляторная батарея – АБ. 1. Тип, марка, код (если АБ задана). 2. Номинальное напряжение - , В. 3. Удельная энергия АБ по объему - , Дж/ . 4. Удельная энергия АБ по массе - , Дж/кг. 5. Отношение массы АБ к ее номинальной емкости = / , кг/А ч. 6. Номинальная емкость АБ (если АБ задана) - / , А ч. 7. Масса АБ (если АБ задана) - кг. 8. Объем АБ (если АБ задана) - , . 9. Начальное разрядное напряжение (может быть задано по РТМ или рассчитано по формулам Ю.И.Боровских). 10. Сила тока короткого замыкания - (может быть задано или рассчитано по формулам Ю.И.Боровских). 11. Сила тока короткого замыкания на одну положительную пластину - = / , А ч. 12. Номинальная емкость АБ, отнесенная к одной положительной пластине - = / , А ч. 13. Односторонняя площадь электрода АБ - 14. Толщина положительного электрода – , м. 15. Расчетная степень разряженности АБ - , %. 16. Коэффициент, учитывающий падение тока с каждой попытки пуска – . 17. Коэффициенты , , в формуле для расчета тока . 18. Расчетное число попыток пуска в формуле для расчета тока . Емкостной накопитель энергии (конденсатор) – НЭ. 1. Номинальное напряжение НЭ – , В. 2. Допустимое по ТУ на НЭ напряжение заряда – , В. 3. Удельная энергия НЭ по объему , Дж/ . 4. Удельная энергия НЭ по массе , Дж/кг. 5. Постоянная времени НЭ - = при заданной Т, (должна быть зависимость (или ) от Т, ). 6. Емкость накопителя энергии - , Ф (если задан НЭ). 7. Сопротивление накопителя энергии - , Ом (если задан НЭ). 8. Напряжения начала разряда, для которых строятся зависимости параметров СЭП от времени t и частоты вращения - < < ; = ; = . Стартерная цепь. 1. Сопротивление стартерной сети - , Ом (принимается =0,002 Ом или задается другое значение заказчиком). 2. Масса провода = или задается конкретное значение. 3. Падение напряжения на диодах в цепи между АБ и НЭ - △ , В. Электростартер. 1. Тип, код. 2. Номинальное наряжение , В (должно быть равно номинальному напряжению АБ). 3. Рабочие характеристики электростартера - , , , = f( ) в табличной форме. 4. Сопротивление стартера - , Ом. 5. Число зубьев шестерни привода – . 6. Масса стартера - , кг. Последовательность расчета СЭП с КИТ Задаемся частотами вращения n с интервалом 10 (можно 5 или 20 ) - △ ; от = 30 до = 150 для бензиновых двигателей и от 50 до 250 для дизелей. Если на графиках = f( ) и = f( ) не хватает данных (ограничены ), то нужна аппроксимация. Для по зависимостям = f( ) определяем , Н м, затем для по зависимостям = f( ) определяем , с. По известной методике /1/ находим энергию , требуемую для вращения вала ДВС с частотой в течение времени вращающий момент на валу СЭ силу тока якоря А в расчетном рабочем режиме по зависимостям = f( ) СЭ при моменте требуемую расчетную частоту вращения якоря СЭ частоту вращения якоря СЭ на исходных рабочих характеристиках при расчетном значении силы тока якоря , (по зависимости = f( ); напряжение на выводах СЭ при силе тока на исходных рабочих характеристиках - (зависимости = f( ) , ЭДС в обмотке якоря в рабочем режиме на исходных рабочих характеристиках Еао; ЭДС в обмотке якоря, необходимая для вращения якоря с частотой Еар ; электромагнитную мощность СЭ, требуемая для вращения якоря СЭ с частотой Рср ; полезную мощность на валу СЭ, требуемая для вращения якоря с частотой Р2ср ; среднее значение электромагнитного КПД ; полную механическую энергию СЭ за время ; минимально допустимое напряжение заряда НЭ в КИТ Далее определяются следующие параметры: Постоянная времени КИТ для условия , т.е. когда АБ и НЭ в КИТ работают еще совместно, решая следующее равенство: , (1) где: может изменяться от 0 до , но использовать значения свыше 10000 нецелесообразно. Сопротивление АБ при : (2) Емкость НЭ при : . (3) Сопротивление НЭ для : (4) Максимальное расчетное напряжение заряда НЭ (по условию Uнэон < Uн + IaRнэ): (5) Время до остановки СЭ . (6) Напряжение на выводах НЭ при отключенной нагрузке: . (7) Сила тока НЭ: . (8) Сила тока АБ: . (9) Напряжение на выводах КИТ (текущее значение): . (10) ЭДС в обмотке якоря СЭ: . (11) Время до остановки СЭ ( ): . (12) Электромагнитная мощность СЭ: . (13) Полная мощность АБ с учетом внутренних потерь: . (14) Полная мощность НЭ с учетом внутренних потерь: (15) Полная мощность КИТ с учетом внутренних потерь: (16) Текущее значение механической работы: . (17) Текущее значение энергии (работы) прокручивания вала ДВС за время t: . (18) Текущее значение КПД СЭП с КИТ за время t: . (19) Текущее значение механического КПД (КПД преобразования электрической энергии в полную механическую работу, совершаемую СЭ) за время t: . (20) Энергия НЭ на данный момент времени t: . (21) Энергия полностью заряженного НЭ до напряжения Uнэон: . (22) Угол поворота коленчатого вала ДВс за время t: . (23) Число рабочих ходов: . (24) Средняя сила тока разряда АБ при работе в КИТ за время t: . (25) Допустимое время разряда АБ в КИТ током силой Iабср (учитывается только разряд на СЭ при работе в КИТ, затраты энергии на заряд НЭ не учитываются): . (26) Число возможных попыток прокручивания вала ДВС продолжительностью t СЭП с КИТ по запасу энергии АБ (АБ работает только на разряд совместно с НЭ на СЭ): . (27) Кратность тока АБ ее номинальной емкости: . (28) Далее для различных значений и строятся зависимости от времени (от t = 0 до ) всех расчетных параметров СЭП с КИТ. Вывод Данная методика расчета СЭП с КИТ дает возможность с достаточной точностью определить основные параметры СЭП. Формулы для определения основных параметров СЭП с КИТ позволяют провести сравнительный анализ с другими системами пуска.