Рисунок 1– Перронный тягач

Перронный тягач оснащен аккумуляторной батарей из 40 элементов, собранных в две секции.

Рисунок 2 – Отдельные элементы батареи можно извлекать

В рамках продолжения работы рабочей группы по вопросу эффективности применения оборудования по анализу состояния и активации тяговых аккумуляторных батарей  были проведены исследовательские работы по экспресс анализу состояния и проведения контрольно–тренировочных циклов (КТЦ) аккумуляторной батареи (далее АКБ) (Sombor280), состоящей из 40 элементов на перронном тягаче.

Для проверки состояния каждого отдельного элемента АКБ использовался анализатор электрохимических источников питания AEA30V. 

Терминология

Тренировка аккумулятора – два или больше циклов «разряда-заряда» с контролем и ограничением сразу нескольких параметров — тока, напряжения, времени, энергии. В зависимости от типа, процесс заряда аккумулятора разделен на несколько этапов. Для свинцово-кислотных аккумуляторов, контрольно-тренировочные циклы проводятся с целью разложить сульфаты, увеличивая полезную площадь свинцовых пластин, на максимальную глубину активной массы, повысить плотность электролита, уменьшить внутренне сопротивление и увеличить реальную емкость аккумулятора.

Реальная ёмкость аккумулятора определяется при разряде полностью заряженного аккумулятора до минимально допустимых значений (в нашем случае до 1.8 Вольта на один аккумулятор). АКБ разряжается постоянным током с замером времени, сама емкость измеряется в А/ч с учетом величины тока разряда.

Внутреннее сопротивление (полное – импеданс, активное и реактивное) аккумулятора измеряется на одной или нескольких частотах, как правило, указывается в мОм.

Реверсирование аккумулятора в батарее при работе на нагрузку - процесс, при котором на неисправном элементе батареи напряжение падает до нуля и после этого он начинает заряжаться в обратной полярности.

 

Рисунок 3 – Реверсирование элемента. Дефектный элемент работает как нагрузка, причем на плюсовую клемму дефектного элемента подается минус от исправных элементов и он заряжается в «обратную сторону»

Методика выявления проблемных элементов

 Чтобы выявить проблемные элементы АКБ (аккумуляторы), при помощи анализатора AEA30V измеряли напряжение и внутреннее сопротивление каждого отдельного аккумулятора.

ПРИМЕЧАНИЕ: Проблемные аккумуляторы существенно отличающиеся по сопротивлению или напряжению от среднего значения.

Результаты измерений представлены на Рисунке 4 - на нижней оси указаны номера элементов АКБ (всего 40 шт.), на вертикальной оси показаны напряжения в Вольтах (розовый цвет) и активное сопротивление в мОм (голубой цвет) для каждого элемента.

Полные данные представлены в Приложении 1.

Рисунок 4 – Результаты измерений 40 элементов батареи

По гистограмме на Рисунке 4 видно, что в батарее есть три проблемных аккумулятора №26, №37, №39. Внутреннее сопротивление у этих аккумуляторов существенно выше среднего значения относительно других элементов. Кроме того, у номера 39 еще и напряжение ниже нормы.

Время на процесс измерения одного элемента составляет около 20 секунд, все элементы батареи были обмеряны примерно за 15 минут.

Аккумулятор №39

Аккумулятор под №39 необходимо было срочно оттренировать или заменить на исправный, т.к. именно он сильнее всего влиял на параметры всей АКБ. Поскольку тренировка неисправного аккумулятора процесс длительный, а тягач не мог долго простаивать, решили заменить элемент №39 заведомо исправным.

 

Рисунок 5 – Неиспользованные резервные элементы, хранящиеся на складе

На складе аэропорта хранятся неиспользованные резервные элементы аккумуляторной батареи. У шести аккумуляторов, имеющихся в наличии, замерили электрические параметры, для того, чтобы выбрать на какой элемент из них заменить аккумулятор с номером 39.

Элементы исправны, напряжение у всех в норме (для находящихся на хранении), а внутреннее сопротивление у элемента 6 выше, чем у других.

 

Рисунок 6 – Результаты измерений 6 шт. запасных элементов аккумуляторной батареи, которые хранились на складе

Полные данные о результатах измерений 6 неиспользованных элементов представлены в Приложении 2.

Правильный ввод в эксплуатацию АКБ

При работе с аккумуляторными батареями крайне важно обеспечить их правильный ввод в эксплуатацию, поскольку если в АКБ будут элементы, которые существенно отличаются по электрическим характеристикам от "соседних", то батарея не будет работать нормально. Например, в батарее, состоящей из 40 элементов, из-за одного неисправного элемента потери отдаваемой АКБ мощности, могут доходить до 9% (!).

Для того, чтобы показать важность тренировки аккумулятора перед вводом в эксплуатацию, из шести резервных аккумуляторов был выбран элемент с заведомо худшими характеристиками (№6).

Этому элементу был проведен один контрольно тренировочный цикл «разряд-заряд-разряд- заряд» с помощью активатора АЕAС-12V, при этом каждый раз учитывалось, сколько энергии аккумулятор принял при заряде и отдал при разряде.

 

Рисунок 7 – Процесс обслуживания аккумулятора на активаторе AEAC-12V. Активатор управляется при помощи ноутбука по Ethernet (или по Интернет, при дистанционном способе). Черный высокий элемент - тренируемый аккумулятор. VARTA используется в качестве опоры

«Снимки» экрана сделаны с помощью программы, управляющей активатором AEAC-12V. В программе задаются режимы тестирования, токи и напряжения, ограничения по времени и емкости заряда.

На «снимках» отображены ступени циклов испытания (тренировки) аккумуляторов и батарей (в нашем случае батареи состояли из двух аккумуляторов). Указан тип выполняемого действия: заряд-разряд-пауза (в этом режиме активатор осуществляет измерения без подачи на аккумулятор или АКБ зарядного тока или нагрузочного тока). Указаны контрольные значения для каждой ступени, установленные ограничения, по достижении которых активатор автоматически переходит на следующую ступень, емкость и время для каждой ступени и справочная информация о том. На основании чего активатор завершает работу на конкретной ступени. Токи и напряжения для каждой ступени выбраны исходя из заявленных производителем характеристик и типа аккумулятора.

Рисунок 8.1 – Первый цикл

Рисунок 8.2 – Второй цикл

В Таблице 1 сведены данные элемента №6 до и после тренировки.

Таблица 1

	Разрядная емкость, Ач	Сопротивление R100, мОм	Напряжение, В	Плотность электролита, г/см3
До тренировки	115,82	0,808	2,022	1,2
После тренировки	296,98	0,718	2,167	1,29

Из полученных данных ясно, что вводить этот аккумулятор в эксплуатацию без проведения обслуживания было бы, по меньшей мере, не разумно, поскольку ёмкость ДО тренировки 116 А/ч и 297А/ч ПОСЛЕ тренировки.

После тренировки, реальная ёмкость аккумулятора увеличилась в 2,5 раза, что прекрасно подтверждает для чего должен осуществляться правильный ввод в эксплуатацию.

Рисунок 9 – Батарея с извлеченными элементами

Элемент АКБ под номером №39 был заменен без вывода тягача из эксплуатации. Снятый с тягача аккумулятор был испытан и прошел три тренировочных цикла. Результаты показаны на «снимках» экрана на рисунках 10.1 – 10.3.

Рисунок 10.1 – Первый цикл

Рисунок 10.2 – Второй цикл

Рисунок 10.3 – Третий цикл

В таблице 2 сведены данные элемента №39 до и после тренировки.

	Разрядная емкость, Ач	Сопротивление R100, мОм	Напряжение, В	Плотность электролита, г/см3
До тренировки	2,55	1,521	2,005	1,0
После 1 цикла	214,00	0,940	2,120	1,27
После 2 цикла	244,10	0,639	2,099	1,30

При имевшейся в нем изначально емкости он реверсировался практически сразу после выхода тягача из депо. Сначала напряжение на нем падало до 0 Вольт, а затем он начинал заряжаться в обратную сторону, представляя из себя нагрузку для остальных аккумуляторов. Это приводило к резкому снижению мощности тягача, причем ток заряда «проблемного» аккумулятора возрастал с увеличением мощности, развиваемой тягачом, например, при перемещении груза. Наличие такого аккумулятора в батарее приводит к быстрому разрушению сначала этого аккумулятора, а если его своевременно не заменить, то и к преждевременному износу остальных аккумуляторов в батарее.

Штатное зарядное устройство «не видит» проблемного аккумулятора во всей АКБ, и если один или несколько аккумуляторов в батарее реверсированы оно будет продолжать заряжать батарею до установленного на зарядном устройстве напряжения. В результате изначально исправные аккумуляторы будут перезаряжаться, а реверсированные будут восстанавливать «полярность», но так и останутся недозаряженными.

При наличии одного реверсированного аккумулятора с высоким внутренним сопротивлением мы имеем уменьшение напряжения батареи даже под небольшой нагрузкой на почти удвоенное номинальное напряжение этого аккумулятора (или аккумуляторов).

Плюсом к этим негативным последствиям - дополнительно отдаваемый АКБ ток уменьшится за счет увеличения внутреннего сопротивления всей батареи.

Для АКБ состоящей из 40 аккумуляторов потеря мощности может составить до 9% из-за одного реверсированного аккумулятора. Не удивительно, что после обслуживания двух аккумуляторов и замены одного на заведомо исправный, персонал без каких-либо приборов ощутил увеличение мощности тягача.

ВАЖНО: Штатное зарядное устройство в подавляющем числе случаев заряжает батарею стабильным напряжением, а не стабильным током, и это дополнительно приводит к перезаряду остальных исправных аккумуляторов. Оно не предназначено для восстановления отдельных аккумуляторов в АКБ.

Итак, с помощью активатора характеристики аккумулятора были восстановлены после двух циклов тренировки, причем для этого не потребовалось бестолково подвергать циклам заряда - разряда всю АКБ или ее половину.

Затем из комплекта запасных аккумуляторов были взяты еще два (№1 и №3), так же худшие из имеющихся, испытаны, соединены последовательно и оттренированы в составе батареи из двух элементов.

Результаты показаны на Рисунке 11.1 и 11.2. Контрольные значения напряжений в два раза выше, т.к. два элемента соединены последовательно в батарею. Такое включение позволяет существенно экономить время на тренировку элементов.

 

Рисунок 11.1 – Первый цикл

Рисунок 11.2 – Второй цикл

В таблице 3 сведены данные элементов №1 и №3 до и после тренировки (аккумуляторы соединены последовательно).

Таблица 3

	Разрядная емкость, Ач	Сопротивление R100, мОм	Напряжение, В	Плотность электролита, г/см3
До тренировки (1 цикл)	130,79	1,720	4,030	1,20
После 1 цикла (2-й цикл)	310,20	0,940	4,320	1,28

Как и следовало ожидать, они имели несколько лучшие характеристики, чем самый худший аккумулятор из резервных «неиспользованных со склада». Это подтверждает, что с помощью анализатора можно определить характеристики аккумуляторов и возможность формирования из них АКБ.

При тренировке элементов №26 и №37 выяснилось, что элемент №37, имеет механический дефект и не может быть восстановлен. Это видно по большому сопротивлению R=4.57 мОм, измеренному активатором и по отсутствию приема тока заряда на первых шести ступенях зарядной таблицы. Разница в данных при измерении анализатором и активатором объясняется принципом работы: анализатор имеет два автоматически переключаемых режима нагрузки – 50 и 500 мА, а активатор только один – 500 мА (это связано с различными требованиями к ним – анализатор предназначен для быстрой проверки, активатор – для длительных испытаний и тренировки).

Результаты на рисунке 12.1 и 12.2.

Рисунок 12.1 – Первый цикл тренировки элементов №26 и №37

Рисунок 12.2 – Заряд элемента №26

Рисунок 13 – В аккумуляторную батарею вставили элемент на замену и оттренированные элементы

Выводы:

1. Аккумуляторная батарея из 40 элементов, несмотря на кажущуюся работоспособность, с оговоркой, что «тягач уже не развивал полную мощность», содержала три «проблемных» элемента. Два из них были восстановлены и возвращены в АКБ, один элемент заменен оттренированным резервным. Мы имеем пример раннего обнаружения неисправности АКБ стоимостью более 260000 рублей, до того когда ее деградация стала бы необратимой.

2. Принципиальное отличие комплекта из анализатора и активатора (или нескольких активаторов) от другого испытательного оборудования:

• раннее определение «проблемных» элементов АКБ;
• раннее определение начала деградации отдельных элементов;
• устранение деградирующих процессов на начальной стадии.

Соответственно оценка и принятие решения о состоянии АКБ в целом позволяет исходить не из статистики, а из реального состояние АКБ. Кроме того, это позволяет вводить такое понятие, как «прогнозируемый отказ АКБ». Приведение этого «реального» состояния к нормальному, основанное на работе именно с проблемными элементами, а не на бесполезном прогоне всей АКБ без контроля за процессами.

3. Что не сделано, а сделать надо. Провести цикл тренировки ВСЕМ аккумуляторам батареи тягача. Поскольку решена только явная проблема, а надлежащее обслуживание не проведено.

Приложение 1

Данные измерений 40 элементов перронного тягача

PrimNumb	SecNumb	Voltage	F	Z	R	X	A
3	1	2.162	20.00	0.744	0.744	-0.013	-1.001
			100.0	0.756	0.672	0.348	27.37
			500.0	2.143	0.629	2.049	72.93
			1000.	4.205	0.639	4.157	81.26
3	2	2.157	20.00	0.709	0.709	-0.011	-0.888
			100.0	0.691	0.623	0.300	25.71
			500.0	1.883	0.604	1.784	71.29
			1000.	3.673	0.591	3.626	80.74
3	3	2.153	20.00	0.688	0.688	-0.008	-0.666
			100.0	0.716	0.618	0.363	30.42
			500.0	2.164	0.580	2.085	74.45
			1000.	4.242	0.581	4.203	82.12
3	4	2.165	20.00	0.708	0.708	-0.012	-0.971
			100.0	0.720	0.625	0.359	29.87
			500.0	2.137	0.598	2.052	73.75
			1000.	4.176	0.601	4.133	81.72
3	5	2.162	20.00	0.705	0.705	-0.023	-1.868
			100.0	0.686	0.622	0.291	25.07
			500.0	1.848	0.587	1.753	71.48
			1000.	3.584	0.584	3.537	80.62
3	6	2.148	20.00	0.718	0.718	0.025	1.994
			100.0	0.717	0.634	0.336	27.92
			500.0	2.030	0.602	1.939	72.75
			1000.	3.968	0.577	3.926	81.63
3	7	2.167	20.00	0.682	0.682	-0.011	-0.924
			100.0	0.686	0.607	0.321	27.87
			500.0	1.964	0.560	1.883	73.43
			1000.	3.853	0.534	3.816	82.03
3	8	2.162	20.00	0.686	0.686	-0.005	-0.417
			100.0	0.721	0.632	0.348	28.83
			500.0	2.171	0.632	2.077	73.07
			1000.	4.175	0.606	4.131	81.65
3	9	2.162	20.00	0.700	0.700	0.030	2.454
			100.0	0.717	0.633	0.337	28.03
			500.0	2.028	0.595	1.939	72.94
			1000.	3.977	0.587	3.934	81.51
3	10	2.162	20.00	0.643	0.643	0.023	2.048
			100.0	0.666	0.588	0.313	28.02
			500.0	1.828	0.557	1.742	72.26
			1000.	3.601	0.543	3.560	81.32
3	11	2.159	20.00	0.661	0.661	-0.004	-0.346
			100.0	0.656	0.584	0.300	27.18
			500.0	1.812	0.526	1.734	73.12
			1000.	3.565	0.521	3.527	81.59
3	12	2.171	20.00	0.688	0.688	-0.002	-0.166
			100.0	0.704	0.604	0.363	31.00
			500.0	2.128	0.562	2.053	74.69
			1000.	4.186	0.578	4.146	82.06
3	13	2.171	20.00	0.673	0.673	-0.002	-0.170
			100.0	0.680	0.592	0.335	29.50
			500.0	2.017	0.567	1.936	73.67
			1000.	3.946	0.546	3.909	82.04
3	14	2.167	20.00	0.672	0.672	0.003	0.255
			100.0	0.697	0.613	0.332	28.43
			500.0	1.949	0.590	1.858	72.38
			1000.	3.787	0.623	3.736	80.53
3	15	2.162	20.00	0.644	0.644	0.009	0.800
			100.0	0.687	0.596	0.342	29.84
			500.0	2.073	0.553	1.998	74.52
			1000.	4.076	0.548	4.040	82.27
3	16	2.165	20.00	0.688	0.688	-0.007	-0.582
			100.0	0.702	0.602	0.363	31.08
			500.0	2.132	0.582	2.052	74.16
			1000.	4.209	0.575	4.170	82.14
3	17	2.162	20.00	0.684	0.684	0.010	0.837
			100.0	0.720	0.629	0.352	29.23
			500.0	2.073	0.573	1.993	73.95
			1000.	4.089	0.601	4.045	81.54
3	18	2.162	20.00	0.682	0.682	0.008	0.672
			100.0	0.723	0.613	0.384	32.06
			500.0	2.214	0.599	2.132	74.30
			1000.	4.258	0.588	4.218	82.06
3	19	2.159	20.00	0.668	0.668	-0.006	-0.514
			100.0	0.714	0.607	0.377	31.84
			500.0	2.154	0.652	2.053	72.38
			1000.	4.317	0.590	4.277	82.14
3	20	2.171	20.00	0.710	0.710	-0.006	-0.484
			100.0	0.722	0.628	0.358	29.68
			500.0	2.156	0.613	2.068	73.48
			1000.	4.106	0.658	4.053	80.77
3	21	2.165	20.00	0.727	0.727	-0.002	-0.157
			100.0	0.715	0.646	0.307	25.41
			500.0	1.938	0.641	1.829	70.68
			1000.	3.743	0.658	3.685	79.87
3	22	2.136	20.00	0.736	0.736	0.037	2.877
			100.0	0.771	0.688	0.350	26.96
			500.0	2.037	0.672	1.923	70.73
			1000.	3.936	0.690	3.876	79.90
3	23	2.128	20.00	0.718	0.718	0.023	1.834
			100.0	0.735	0.662	0.320	25.79
			500.0	1.924	0.715	1.787	68.19
			1000.	3.654	0.752	3.576	78.12
3	24	2.139	20.00	0.716	0.716	-0.019	-1.520
			100.0	0.725	0.622	0.374	31.01
			500.0	2.209	0.582	2.131	74.72
			1000.	4.355	0.588	4.316	82.24
3	25	2.148	20.00	0.773	0.773	-0.030	-2.222
			100.0	0.737	0.690	0.260	20.64
			500.0	1.749	0.644	1.627	68.40
			1000.	3.363	0.632	3.304	79.17
3	25	2.148	20.00	0.762	0.762	-0.028	-2.104
			100.0	0.731	0.684	0.259	20.73
			500.0	1.689	0.633	1.566	67.99
			1000.	3.250	0.641	3.187	78.62
3	26	2.148	20.00	0.794	0.794	-0.005	-0.360
			100.0	0.782	0.727	0.290	21.74
			500.0	1.826	0.687	1.692	67.90
			1000.	3.493	0.672	3.428	78.90
3	27	2.133	20.00	0.688	0.688	-0.027	-2.247
			100.0	0.686	0.617	0.300	25.93
			500.0	1.839	0.588	1.743	71.35
			1000.	3.545	0.607	3.493	80.14
3	28	2.148	20.00	0.768	0.768	-0.019	-1.417
			100.0	0.761	0.686	0.331	25.75
			500.0	2.052	0.658	1.944	71.30
			1000.	3.976	0.666	3.920	80.35
3	29	2.153	20.00	0.757	0.757	-0.030	-2.269
			100.0	0.735	0.683	0.273	21.78
			500.0	1.787	0.638	1.670	69.09
			1000.	3.451	0.634	3.393	79.41
3	30	2.162	20.00	0.742	0.741	-0.047	-3.629
			100.0	0.693	0.638	0.272	23.09
			500.0	1.801	0.590	1.702	70.88
			1000.	3.511	0.590	3.462	80.32
3	31	2.128	20.00	0.686	0.686	-0.008	-0.668
			100.0	0.667	0.602	0.288	25.56
			500.0	1.821	0.565	1.732	71.93
			1000.	3.547	0.551	3.504	81.06
3	32	2.142	20.00	0.758	0.758	-0.018	-1.360
			100.0	0.738	0.673	0.303	24.23
			500.0	1.940	0.627	1.836	71.14
			1000.	3.779	0.642	3.725	80.22
3	33	2.148	20.00	0.683	0.683	-0.013	-1.090
			100.0	0.695	0.613	0.328	28.15
			500.0	1.968	0.570	1.884	73.16
			1000.	3.897	0.567	3.856	81.63
3	34	2.139	20.00	0.665	0.663	0.056	4.828
			100.0	0.685	0.613	0.307	26.60
			500.0	1.873	0.570	1.785	72.29
			1000.	3.629	0.557	3.586	81.17
3	35	2.139	20.00	0.682	0.682	-0.029	-2.434
			100.0	0.651	0.601	0.252	22.74
			500.0	1.685	0.591	1.579	69.47
			1000.	3.280	0.552	3.234	80.31
3	36	2.148	20.00	0.695	0.695	-0.021	-1.730
			100.0	0.691	0.618	0.310	26.63
			500.0	1.909	0.560	1.826	72.95
			1000.	3.715	0.586	3.669	80.92
3	37	2.150	20.00	0.760	0.760	-0.017	-1.281
			100.0	0.758	0.710	0.267	20.60
			500.0	1.723	0.657	1.593	67.58
			1000.	3.310	0.645	3.247	78.76
3	38	2.157	20.00	0.710	0.710	-0.018	-1.452
			100.0	0.728	0.634	0.359	29.52
			500.0	2.240	0.587	2.162	74.80
			1000.	4.366	0.596	4.326	82.15
3	39	2.005	20.00	1.666	1.659	-0.161	-5.542
			100.0	1.549	1.521	0.298	11.08
			500.0	2.515	1.420	2.076	55.62
			1000.	4.513	1.408	4.288	71.82
3	40	2.142	20.00	0.770	0.770	-0.015	-1.116
			100.0	0.760	0.690	0.320	24.88
			500.0	2.010	0.644	1.905	71.32
			1000.	3.918	0.640	3.866	80.60

Приложение 2

Данные измерений шести резервных элементов, находящихся на хранении

PrimNumb	SecNumb	Voltage	F	Z	R	X	A
1	1	2.031	20.00	0.830	0.830	-0.035	-2.414
			100.0	0.806	0.746	0.306	22.30
			500.0	1.972	0.682	1.851	69.77
			1000.	3.876	0.591	3.831	81.23
2	1	2.028	20.00	0.892	0.892	-0.024	-1.541
			100.0	0.836	0.784	0.291	20.36
			500.0	2.009	0.703	1.883	69.52
			1000.	3.914	0.667	3.857	80.18
3	1	2.022	20.00	0.840	0.840	-0.024	-1.636
			100.0	0.810	0.746	0.317	23.02
			500.0	2.075	0.692	1.957	70.52
			1000.	3.987	0.670	3.931	80.32
4	1	2.034	20.00	0.833	0.833	-0.013	-0.894
			100.0	0.813	0.748	0.321	23.22
			500.0	2.054	0.692	1.934	70.31
			1000.	4.001	0.668	3.945	80.38
5	1	2.031	20.00	0.836	0.835	-0.055	-3.768
			100.0	0.784	0.738	0.265	19.75
			500.0	1.773	0.664	1.645	68.01
			1000.	3.422	0.630	3.364	79.39
6	1	2.022	20.00	0.924	0.923	-0.045	-2.791
			100.0	0.850	0.808	0.265	18.15
			500.0	1.887	0.740	1.736	66.91
			1000.	3.637	0.711	3.567	78.72