Research on an energy-efficient electric starting system for an autonomous power plant with a combined power source

Abstract

The primary objective of this comprehensive study involves the theoretical formulation and scientific substantiation of a robust methodology for developing high-efficiency, energy-saving electric starter systems for transport diesel-generator units. Powered by advanced hybrid energy sources, these systems ensure guaranteed engine ignition under adverse operating conditions while simultaneously achieving a radical reduction in non-productive energy losses. To achieve this, the research established the fundamental theoretical foundations for adaptive starting systems, investigated rational circuit topologies for integrating hybrid storage devices into DC-buses, and implemented verified mathematical models to describe complex transient processes during hybrid activation modes. Furthermore, supercapacitor module parameters were precisely optimized to ensure stable, fail-safe operation during standard driving cycles. The most significant results include the formulation of a universal design methodology and the establishment of quantitative analytical relationships between peak cranking currents, starter acceleration time, and specific fuel consumption relative to stored energy levels. Experimental validation confirmed that the controlled boosting of cranking speeds by up to 20% can effectively reduce fuel consumption by up to 8.5% per starting cycle. Additionally, precision calculations for storage parameters guarantee effective energy recovery performance within international driving cycles. The significance of these findings lies in the creation of a fundamental framework for intelligent electric starter systems. This methodology enables a 50% reduction in required standard battery capacity through strategic supercapacitor integration. Moreover, it significantly increases the overall service life of electrical equipment by damping peak current loads and qualitatively expanding energy-saving capabilities across the variable operating modes of modern transport power systems.

Obiectivele principale ale cercetării constau în construirea teoretică și fundamentarea științifică a unei metodologii complexe pentru crearea unui sistem de pornire electrică a motorului diesel al unui generator de transport, care să fie foarte eficient și să economisească energie, care funcționează de la o sursă combinată de alimentare cu energie electrică, necesară pentru a asigura pornirea garantată a motorului în condiții de exploatare complicate și reducerea radicală a pierderilor energetice neproductive. Pentru atingerea obiectivelor stabilite, au fost rezolvate următoarele sarcini: a fost realizată elaborarea detaliată a bazelor teoretice ale metodologiei de construire a sistemelor adaptive de pornire; a fost efectuată o cercetare sistematică a topologiilor raționale și a soluțiilor schematice pentru integrarea dispozitivelor combinate de acumulare în magistrala comună de curent continuu a rețelei de bord; au fost dezvoltate, verificate și implementate din punct de vedere software modele matematice ale proceselor de tranziție la activarea modului de pornire combinată; au fost, de asemenea, definite și optimizate parametrii modulelor supercondensatoare pentru a asigura funcționarea stabilă și fără defecțiuni a instalației în condiții de cicluri de conducere tipice. Cele mai importante rezultate sunt formularea unei metodologii universale pentru construirea de sisteme de pornire eficiente din punct de vedere energetic, precum și stabilirea unor dependențe analitice cantitative între valorile de vârf ale curentului de pornire, timpul de accelerare dinamică a starterului și consumul specific de combustibil în funcție de nivelul de energie stocat în acumulatorul combinat; s-a obținut confirmarea experimentală a posibilității de reducere a consumului de combustibil cu până la 8.5 % pe un ciclu de pornire prin forțarea controlată a turației de pornire cu până la 20 %; s-a efectuat calculul de precizie al parametrilor acumulatorului, care garantează recuperarea eficientă a energiei în ciclurile internaționale de conducere. Importanța rezultatelor obținute constă în crearea unei metodologii fundamentale de proiectare a sistemelor inteligente de pornire electrică, care permite demonstrarea teoretică și implementarea practică a avantajelor integrării supercondensatoarelor, asigurând o reducere cu 50% a capacității necesare a acumulatorilor standard, o creștere multiplă a resurselor echipamentelor electrice prin amortizarea sarcinilor de curent de vârf și o extindere calitativă a posibilităților de economisire a energiei în regimurile variabile de funcționare ale sistemelor energetice moderne de transport.

Основные цели исследования заключаются в теоретическом построении и научном обосновании комплексной методологии создания высокоэффективной и энергосберегающей системы электростартерного пуска транспортной дизель-генераторной установки, функционирующей от комбинированного источника электроснабжения, что необходимо для обеспечения гарантированного запуска двигателя в осложненных эксплуатационных условиях и радикального снижения непроизводительных энергетических потерь. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: осуществлена детальная разработка теоретических основ методологии построения адаптивных систем пуска; проведено системное исследование рациональных топологий и схемных решений по интеграции комбинированных накопительных устройств в общую шину постоянного тока бортовой сети; разработаны, верифицированы и программно реализованы математические модели переходных процессов при активации режима комбинированного пуска; а также определены и оптимизированы параметры супер конденсаторных модулей для обеспечения стабильной и безотказной работы установки в условиях типовых ездовых циклов. Наиболее важными результатами являются сформулированная универсальная методология построения энергоэффективных систем пуска, а также установление количественных аналитических зависимостей между пиковыми значениями пускового тока, временем динамического ускорения стартера и удельным расходом топлива в зависимости от уровня энергии, запасенной в комбинированном накопителе; получено экспериментальное подтверждение возможности сокращения расхода топлива до 8.5 % на один цикл запуска за счет управляемого форсирования пусковых оборотов до 20 %; выполнен прецизионный расчет параметров накопителя, гарантирующего эффективную рекуперацию энергии в международных ездовых циклах. Значимость полученных результатов состоит в создании фундаментальной методологии проектирования интеллектуальных систем электро стартерного пуска, которая позволяет теоретически доказать и практически реализовать преимущества интеграции супер конденсаторов, обеспечивая снижение требуемой емкости штатных аккумуляторов на 50%, кратное увеличение ресурса электрооборудования за счет демпфирования пиковых токовых нагрузок и качественное расширение возможностей энергосбережения в переменных режимах работы современных транспортных энергетических систем.