Учените са създали пълен модел на батерията, детайлизиран до ниво отделни атоми. Модел на батерията Математически модел на системата за управление на батерията

Що се отнася до разработването на нови високотехнологични и миниатюрни устройства, тясното място в този бизнес са батериите. Понастоящем това се усеща особено в областта на производството и експлоатацията на електрически превозни средства, в резервните устройства за съхранение на енергия за енергийни мрежи и, разбира се, в битовата миниатюрна електроника. За да отговорят на днешните изисквания, устройствата за съхранение на енергия, които очевидно не са в крак с развитието на всички други технологии, трябва да осигурят повече съхранена енергия с голям брой цикли на зареждане-разреждане, да имат висока плътност на съхранение на енергия и да осигуряват висока динамика производителност.

Създаване и тестване на нов батерии различни видовее труден процес, който отнема доста време, което го прави много скъп. Следователно за учените по електрохимик способността да извършват подробни симулации, преди да се впуснат в практически експерименти, би била истинска благодат. Но доскоро никой не е успял да създаде математически модел на батерия, детайлизиран до нивото на отделните атоми, поради сложността на такъв модел и поради ограниченията. съществуващи средстваматематическо моделиране.

Но това сега се е променило, благодарение на работата на двама немски изследователи, Волф Дап от Института за усъвършенствана симулация и Мартин Мюзер от университета в Саарланд. Тези учени създадоха пълен математически модел на батерията и направиха изчисленията му до нивото на отделните атоми. Трябва да се отбележи, че според резултатите от симулацията, свойствата на "математическата батерия" до голяма степен съвпадат със свойствата на реалните батерии, с които всички сме свикнали да се занимаваме.

През последните години специалистите по информационни технологии многократно създаваха модели на батерии, но всички тези модели работеха на ниво, много по-високо от нивото на отделните атоми, и разчитаха на данни и параметри, които бяха получени експериментално, като йонна и електронна проводимост, коефициенти на разпространение, плътност на тока, електрохимични потенциали и др.

Такива модели имат един сериозен недостатък - те работят изключително неточно или изобщо не работят, когато става въпрос за нови материали и техните комбинации, чиито свойства не са напълно разбрани или изобщо не са проучени. И за да изчислят напълно поведението на батерия от нови материали като цяло, електрохимиците трябва да проведат симулации на ниво отделни молекули, йони и атоми.

За да моделирате батерия като цяло, компютърен моделтрябва да изчисли всички промени в енергийния, химичния и електрохимичния потенциал на всяка стъпка на изчисление. Точно това успяха да осъзнаят Деп и Музра. В техния модел електрическата енергия е променлива, чиято стойност се определя от взаимодействието на атомите, връзките между атомите и йоните на всеки етап от изчисленията.

Естествено, изследователите трябваше да направят отстъпки пред реалността. Математическата батерия е далеч от батерията, която можете да извадите от вашата мобилен телефон. Математическият модел на "нанобатерията" се състои само от 358 атома, от които 118 атома са в материала на електродите, катода и анода. Според първоначалните условия катодът е покрит със слой от 20 атома от електролитното вещество, а в самия електролит има само 39 положително заредени йона.

Но въпреки тази привидна простота, това математически моделсе нуждае от много изчислителна мощност за своите изчисления. Естествено, цялото моделиране се извършва в скала от отделни единици, стъпки и за пълен цикъл от изчисления са необходими поне 10 милиона стъпки, всяка от които извършва серия от изключително сложни математически изчисления.

Изследователите съобщават, че създаденият от тях модел е само доказателство за принципите на работа, които са използвали, и има няколко начина за подобряване на този модел. В бъдеще те ще усложнят създадения от тях модел, като представят електролитния разтвор като набор от частици, които имат стационарна електрически заряд. Това, заедно с увеличаването на броя на атомите в модела, ще изисква изчисляването на модела да изисква мощността не на най-слабия суперкомпютър, но си заслужава, защото такова изследване може да доведе до създаването на нови източници на енергия което ще революционизира областта на преносимата електроника.

Като ръкопис

ИОАНЕСЯН АЛЕКСЕЙ ВИЛЯМОВИЧ

СИМУЛАЦИЯ НА НЕСТАЦИОНАРНИ РЕЖИМИ НА РАБОТА НА БАТЕРИЯТА НА ЕЛЕКТРИЧЕСКО ПРЕВОЗНО СРЕДСТВО

Специалност 05.09.03 - Електрически комплекси и системи

Дисертации за научна степен

Кандидат на техническите науки

Москва - 2009 г

Работата е извършена в катедра "Електротехника и електрообзавеждане" на Московския автомобилно-пътен институт (Държавен технически университет)

Водеща организация: Федерално държавно унитарно предприятие Научноизследователски и експериментален институт за автомобилна електроника и електрическо оборудване (FSUE NIIAE), Москва.

Защитата ще се проведе на 24 ноември 2009 г. от 10:00 часа на заседание на дисертационния съвет D.212.126.05 в Московския автомобилен и пътен институт (Държавен технически университет) на адрес:

125329 GSP A-47, Москва, Ленинградски пр., 64.

Дисертацията може да се намери в библиотеката на МАДИ (ГТУ)

научен секретар

дисертационен съвет,

Кандидат на техническите науки, доцент Михайлова Н.В.

общо описание на работата

Релевантност на проблема

Автомобилът е източник на емисии на около 200 различни газове и химични съединения, които влошават екологичното състояние на околната среда. Нарастването на производствените обеми и автомобилния парк в света води до увеличаване на емисиите на отработени газове, главно в големите градове. В допълнение, автомобилите са един от основните потребители на въглеводородни горива, запасите от суровини за производството на които са ограничени. Затягането на екологичните изисквания към автомобилите, придружено от нарастващите цени на въглеводородните горива, засили работата по създаването на алтернативни видове транспорт, включително електрически превозни средства (EV).

В момента най-големите производители на автомобили (General Motors, Ford, Daimler-Chrysler, Toyota, Honda, Nissan, Mazda и др.) Интензивно работят върху проектирането и производството на електрически превозни средства. По характеристики като пробег и товароподемност някои съвременни модели електрически превозни средства се доближават до традиционните автомобили, но основният им недостатък е високата им цена.

Характеристиките на електрическото превозно средство и неговата цена до голяма степен се определят от параметрите на използваната електроцентрала и по-специално батерията (AB). За оптимизиране на параметрите на електроцентралата, изчисляване на характеристиките на електрическо превозно средство и определяне на неговата ефективност в сравнение с традиционен автомобил, основните инструменти са математическо и симулационно моделиране.

Най-трудната задача при изграждането на модел на електрическо превозно средство е да се симулира работата на АБ по време на неговото нестационарно разреждане и зареждане на електрическо превозно средство. Изчисляването и анализът на параметрите на батерията също се изисква в системата за управление на батерията на електрическо превозно средство, която осигурява оптимални условия на работа, увеличава експлоатационния живот, предотвратява презареждането и преразреждането, осигурява безопасност при работа и информира водача за състоянието на заряд и други параметри на батерията.

Дисертацията е посветена на разработването на модели на движение на електрическо превозно средство и изследването на нестационарни режими на работа на батерията на електрическо превозно средство, което изглежда много актуално в момента.

Цел и основни задачи на изследването

целна тази работа е създаването на обобщен симулационен модел на движение на електрическо превозно средство и избор на характеристики на АБ за дадените режими на движение на електрическо превозно средство.

В съответствие с поставената цел в дисертацията се решават следните задачи:

анализ и систематизиране на методи и модели за изчисляване на характеристиките на батериите;
формализиране на метода за обработка и анализ на статистически данни и симулационни експерименти за анализ на характеристиките на изхвърлянето;
разработване на симулационен модел на нестационарно движение на електрическо превозно средство;
разработване на методология за интегриране на разнородни ЕМ компоненти;
задаване и решаване на оптимизационни проблеми върху симулационен модел.

Изследователски методи

Теоретична основадисертационни работи са обща теория на системите, методи за оптимизация, случайни процеси, симулационно моделиране, изследване на операциите, регресионен анализ, дисперсионен анализ и др.

Научна новост

Научна новостРаботата се състои от методи и модели на нестационарни режими на работа на АВ на електрическо превозно средство. За защита се представят:

агрегирано представяне на процеса на симулационен модел на нестационарно движение на ЕМ;
модели на нестационарни случайни процеси на динамика на ЕМ движение и АВ заряд/разряд;
модели за класифициране на типове АВ и проблем за избор на типове за дадени характеристики на движението на ЕМ;
софтуерна реализацияЕМ симулационен модел;
оптимизационни алгоритми на ЕМ симулационен модел.

Валидността на научните положения, препоръки и изводи, изложени в работата, се определя от правилното използване на съвременни математически методи, последователен сравнителен анализ на експериментални зависимости с резултатите от симулационен експеримент. Надеждността на разпоредбите и заключенията на дисертацията се потвърждава от положителните резултати от внедряването на разработки в редица големи организации.

Практическа стойност и прилагане на резултатите от работата

Получените в дисертацията научни резултати са доведени до практическа употреба. Разработен е софтуерно-симулиращ комплекс, който позволява интерактивно използване на оперативни данни за състоянието на процесите за вземане на решения за избор на характеристики на акумулатор на електрическо превозно средство. Разработените методи и алгоритми са тествани и внедрени за практическа употреба в CJSC MS LOGISTICS, GNPP KVANT, а също така се използват в учебен процесв MADI (GTU). Резултатите от внедряването и експлоатацията потвърдиха ефективността и ефективността на разработените методи.

Апробация на работата

Съдържанието на разделите на дисертационния труд е докладвано и одобрено от:

на републикански и междурегионални научно-технически конференции, симпозиуми и семинари (2003-2009 г.);
на заседание на катедра "Електротехника и електрообзавеждане" МАДИ (ГТУ).

Структурата на работата съответства на списъка от изброени задачи, съдържа описание на разработените методи, модели и техники.

Във въведението обосновава се уместността на работата, определя се целта и се поставят основните задачи на изследването.

В първа глава дисертацията класифицира съвременните АБ, дефинира основните им характеристики. Извършена е систематизация на известните методи за изчисляване на характеристиките на АБ и е оценена възможността за тяхното приложение при моделиране на нестационарно натоварване.

Характеристиките на ЕМ се определят основно от показателите на бордовите източници на електрическа енергия. Оловно-киселинни (PbAcid), никел-кадмиеви (Ni-Cd), никел-метал хидридни (Ni-MH) батерии и литиево-базирани батерии (Li-Ion, Li-Metal, Li-Polymer)

Анализирайки характеристиките на различните видове батерии, декларирани от производителите, могат да се разграничат две групи: високоенергийни (тягови) батерии, използвани в "чисти" електрически превозни средства и високомощни (импулсни) батерии.

Специфичната енергия на батериите от първата група достига 35 Wh/kg за оловно-киселинни батерии; никел-кадмий - 45 Wh / kg. Тези батерии се отличават с ниската си цена, но използването им значително намалява производителността и ограничава обхвата на ЕМ.

Никел-метал хидридни батерии са обещаващи д м=80 W∙h/kg, П м=200 W/kg, литиево-йонни батерии д м=140 W∙h/kg, П м=420 W/kg и тяхната версия с полимерен електролит (Li-Polymer) д м=205 W∙h/kg, П м=420 W/kg. Специфичните енергийни стойности са дадени за 3-часов режим на разреждане, а стойностите на мощността съответстват на 30 s импулс при 80% заряд.

Дадените специфични характеристики на батериите не са достатъчни, за да се сравни ефективността на използването им върху ЕМ, поради което основната задача на дисертацията е да се моделира нестационарно натоварване на АБ върху ЕМ, за което се предлага модел на „черна кутия“, използвайки класически методи за планиране на експеримента.

Според изследваните параметри (вход и изход) могат да се разграничат следните групи методи:

методи за описание на фамилия от разрядни криви – зависимост U=f( аз, T) при дадена постоянна температурна стойност ( T= const);
изчисляване на максималното време за разреждане (капацитет на батерията) в зависимост от тока на разреждане;
методи за опростено изчисляване на нестационарния AB разряд, т.е. разреждане с променящ се във времето разряден ток или консумация на енергия [ T м=f( аз), аз=var или T м=f(P) П=var];
определяне на крайния момент на разряда на АБ при даден ток, който се използва не само при ЕМ симулация, но и в системата за управление на АБ директно на борда на ЕМ;
сложни методи, които определят зависимостите U=f( аз, T, T) и T м=f( аз).

Анализът, извършен в работата, показа, че разделянето на методите за моделиране на работата на АБ в описание на процеса на разреждане и зареждане е много условно, тъй като повечето от методите за изчисляване на семейство криви на разреждане са приложими и за описание на временни характеристики на зареждане.

Най-известен е методът за аналитично описание на характеристиките на разряда на АБ, предложен от Шепърд. Този метод ви позволява да опишете зависимостта U= f( аз,T) като:

(1)

където д с - начално разрядно напрежение, V; К- коефициент на поляризация, Ohm∙cm; н- вътрешно съпротивление на елемента, Ohm∙cm; Q-количество (капацитет) активен материал, Ah/елемент; аз- разряден ток, A; T- време на разреждане, h; НО- емпиричен коефициент, V; AT- емпиричен коефициент; ОТ- коефициент, (V ∙ cm) / (A ∙ sec).

Основният недостатък на метода е, че коефициентите са избрани за определен диапазонразрядни токове и когато този диапазон бъде превишен, грешката на приближаването нараства значително.

Един от най-простите и точни методи за оценка на характеристиките на АБ, когато е натоварен с променлив във времето ток, е методът на Hoxsey. Методът се основава на съотношението на Peukert, което определя зависимостта на максималния капацитет на батерията (времето за разреждане) от тока на разреждане

където аз 1 , аз 2 … аз zса стойностите на токовете в секциите на графиката на разряда аз=f( T); T 1 , T 2 ...T z- време на разреждане със съответните токове аз 1 , аз 2 … аз z .

В този модел текущата графика аз=f( T) представлява частично постоянна функция, разделена на z секции. Коефициентите на Peukert се определят за работния диапазон на токовете. За решаване на уравнението на Hoxsey се използва алгоритъм за търсене за определяне T мпри условие, че дясната страна на уравнението е равна на единица.

Прилагане този методкъм изчислението на електрическо превозно средство, задаване като начална графика аз=f( T) промяна на тока на батерията в цикъл на шофиране, можете да изчислите максималния брой цикли, които една електрическа кола ще изпълни, преди батерията да се разреди напълно н ° С =t м /T ° С, където T ° Се продължителността на един цикъл.

В работата, на базата на симулационен експеримент, е направена оценка на точността на няколко метода за опростено изчисляване на нестационарно натоварване на АБ по време на движение на ЕМ в цикъл SAE j 227C (Таблица 1.) . Беше разгледан EM с AB OPTIMA YellowTop D 1000 S (на EM бяха инсталирани 10 последователно свързани AB с обща маса 195 kg).

Резултатите от изчисляването на движението на електрическо превозно средство

	Броят на циклите	T м, з	аз екв, НО	Л, км
Метод на Hoxsey	13,8	0,31	114	7,5
Метод на еквивалентен ток	15,6	0,35	103	8,5
Метод на частично използване	16,9			9,1
Симулационен модел на ЕМ движение	14,6		132	7,9

Проведеното изследване показа последователността на резултатите от симулационното моделиране и резултатите на Hoxsey. Трябва обаче да се има предвид, че може да се въведе значителна неточност чрез разделяне на първоначалния график на натоварване на интервали с постоянен ток или стойност на мощността.

Въз основа на проведените в дисертацията изследвания за моделиране на нестационарно натоварване на АБ при различни режими и условия на движение на ЕМ се предлага използването на хибридни аналитични и симулационни модели, базирани на декомпозиционен подход, който се основава на следните аксиоми на теорията на сложните системи: Йерархия: ако  0 е подсистема на системата  и ( …) е мярка за сложност, тогава ( 0)(), т.е. една подсистема не може да бъде по-сложна от системата като цяло. Паралелно свързване: ако = 1  2 ….. k , т.е.  е паралелно свързване на подсистеми , тогава
. Серийна връзка: ако = 1 + 2 +…+ k , т.е.  е серийна връзкаподсистеми  i , тогава () ( 1)+( 2)+... ( k). Връзка с обратна връзка (FC): ако има операция за обратна връзка  от подсистема  2 към подсистема  1, тогава ()( 1)+( 2)+( 2  1). Изброените свойства на сложна система позволяват възможността за намаляване на привидната й сложност чрез комбиниране на отделни променливи в подсистеми. С такава декомпозиция целта е да се опрости анализът на системата, като се разглежда като слабо свързан набор от взаимодействащи подсистеми.

Във втората глава поставена и решена е задачата за формализиране на принципите за изграждане на симулационен модел на ЕМ. Функционирането се разбира като процес на промяна на състоянието му във времето. Моделирането на процеса като цяло трябва да включва модел на пътното платно, модели на взаимодействието на колелото с платното, модели на самата машина, трансмисия и други, като всички те са свързани помежду си и вложени един в друг (фиг. 2.).

Предполага се, че системае набор от параметри
(влажност, ъгъл на въртене и др.). Всеки параметър рприемам набор от числени стойности( ри). Определете с състояниепроцес като цяло, като s j =, където р i j ( ри). Процес Зима четири: З=С, T, Е,  >, където С- пространство на състоянието; T- набор от времена на промяна на състоянието; Е- фазова характеристика на процеса, дефинирана като трансформация на състоянието във времето F:T С,  - връзка на линейния ред на T.

Времевият интервал за моделиране на движението на ЕМ е [ T H, T K], където
,
. Ако приемем, че на отделни секции EM се държи доста равномерно, възможно е целият процес да се разложи на подпроцеси. Подпроцесима подгрупа на процеса Зна интервала от време [ Tаз ; T j]. Концепцията за подпроцес ни позволява да разглеждаме процеса като последователност от подпроцеси. За да се гарантира коректността на описанията на функционирането както на системата като цяло, така и на нейните компоненти, се въвеждат редица операции върху процесите.

Процес З 1 \u003d S 1, T 1 , Е 1 ,  1 > представлява навивката на процеса З, ако се получава в резултат на следните трансформации: а) пълно разделяне на интервала за дефиниране на процеса Зв n подинтервала [ j,  j+1], където j=1..n и  1 = T з, n+1 = T Да се . След това получаваме разделяне на процеса Зза n подпроцеса З й(j=1..n); б) привеждане в съответствие с всеки подпроцес З й една държавна стойност от много С 1 и една времева стойност  j от интервала [ j ,  j+1 ]. Операцията за почистване е обратна на операцията за навиване: процесът Зе почистване на процеса З 1 . Процес З 1 е проекция на процеса Зкъм координатното пространство
(нотация
), ако Q 1 Q.

Нека се дават процеси З 1 =, T 1 , Е 1 ,  1 > и З 2 =, T 2 , Е 2 ,  2 >. Процес З=, T, Е, > е обединението на процеси З 1 и З 2 (обозначение З=З 1 З 2) ако: С Q е обединението на пространства и
.

Въведените операции позволяват да се създаде формализирано описание както на отделните компоненти на процесите (пътен профил, динамично изменение на характеристиките на трафика и др.), така и на взаимодействието на компонентите на цялата система.

Моделът на EM движение включва компонентите по-долу.

Механичен модел

Когато ЕМ се движи по пътен участък със суха, равна асфалтобетонна повърхност без наклон, силата на съпротивление при движение Е ° Ссе състои от силата на съпротивление при търкаляне Е ски въздушна съпротивителна сила Е Св. :

(4)

където f– коефициент на съпротивление при търкаляне; ме общата маса на електрическото превозно средство, kg; ж- ускорение на свободно падане, m / s 2, К v- коефициент на съпротивление на въздуха, N s 2 / m 4; С- повърхност на издухване, m 2; V– ЕМ скорост, км/ч;

Силата на съпротивление при движение създава момент на съпротивление върху ЕМ колелото, което, като се вземат предвид предавателните числа на трансмисията, се довежда до вала на двигателя, като се вземе предвид ефективността на трансмисията.

По този начин моментът на съпротивление при движение на вала на двигателя
където r k – радиус на търкаляне на колелото, m; аз tr - предавателно отношение; tr - ефективност на предаване.

Освен това моделът на механичната част трябва да отчита движението на ЕМ по участък от пътя с наклон (изкачване или спускане) и съпротивлението на движение поради неравности на пътя. При моделиране на движението на EV при спускане трябва да се вземе предвид рекуперацията на спирачната енергия.

Модел мотор

Като тягов електродвигател ЕМ, двигателят беше разгледан в работата постоянен ток(DPT). С всички известни недостатъци на този тип двигатели, DPT ви позволява да регулирате скоростта в широк диапазон от най-много прости начини. В допълнение, много различни типове работни характеристики могат да бъдат моделирани с помощта на независим двигател за възбуждане чрез промяна на напрежението и задаване на всякакви закони за промяна на тока на полето като функция на тока на котвата.

Моментът на вала на двигателя се определя въз основа на:

(5)

Нетна мощност Р 2 определя се от разликата Р 2 = Р 1 -  П П, където R 1 - мощност, консумирана от батерията;  П П- общи загуби на мощност в електродвигателя.

В симулационния модел на електродвигателя общата загуба на мощност се изчислява на всяка стъпка въз основа на проектните параметри на DC двигателя и характеристиката на празен ход, получена по време на тестването д = f(азв) при постоянна честота на въртене на вала на двигателя.

Въпреки тенденцията да се използват асинхронни двигатели или безконтактни двигатели с постоянен магнит върху ЕМ като тягови двигатели, разглеждането на DCF остава най-удобното и напълно достатъчно при решаването на проблемите на ЕМ симулацията, за да се получи картина на натоварването на АВ.

Модел на системата за управление

Има три начина за управление на скоростта на вала на двигател с постоянен ток с независимо възбуждане: чрез промяна на напрежението на котвата, чрез промяна на магнитния поток или чрез промяна на съпротивлението във веригата на котвата. За симулиране на ускорението на ЕМ бяха използвани първите два метода, чиято комбинация обикновено се нарича двузоново регулиране. За да се опрости изчислението, токът на котвата по време на ускорението се поддържа постоянен: на първия етап, чрез увеличаване на напрежението, на втория етап, чрез намаляване на магнитния поток. Когато се достигне определена скорост, магнитният поток се фиксира, което след известно време гарантира, че електрическият автомобил влиза в режим на движение с постоянна скорост.

Регулиране на напрежението на двигателя U дможе да се извърши с помощта на тиристорно управляващо устройство по метода на регулиране на ширината на импулса; докато работен цикъл   се променя от 0 на 1:

(6)

където U б- напрежение на батерията, V; T- продължителност на импулса на напрежението U д, С; Tе периодът на повторение на импулса, s.

Модел на режим на шофиране

Работата симулира движението на електрическо превозно средство, както в стандартен тестов цикъл SAE й 227 С, и в режим, формиран на базата на експериментални графици за движение. Цикълът SAE j 227 C е един от най-стресиращите. Пробегът на цикъл е 537 m, средната скорост е 25 km/h, средното ускорение по време на ускорение е 0,74 m/s 2, докато спирането е 1,23 m/s 2.

На базата на експерименталните графици на движение е разработен метод за формиране на режима на движение чрез произволен подбор на цикли и формиране на произволна последователност от тях. Така се имитираше безпорядък градски трафик.

Режимите на движение, получени въз основа на експериментални данни, се различават значително от режимите на движение в цикъла SAE j 227 C, по-специално при изчисляване за реални режимидвижение се получава по-нисък специфичен разход на енергия (260 Wh/km), отколкото при движение в цикъл (390 Wh/km).

Модел на батерията

В първата глава на дисертационната работа бяха разгледани добре познатите методи за приближаване на кривите на разреждане на АВ при постоянни стойности на тока. Тези методи са статични, т.е. не вземайте предвид промяната в режима на разреждане на батерията, която постоянно се случва на електрически автомобил. При моделиране на нестационарно натоварване на батерията е необходимо да се вземе предвид зависимостта на максималния капацитет на батерията от тока на разреждане. Уравнението на Peukert (2) е най-подходящо за това.

На фиг.3. представен е опростен алгоритъм, който позволява определяне на напрежението на батерията на всяка стъпка на изчисление в симулационния модел на движение на електрическо превозно средство.

Този подход към изчисляването на нестационарния AB разряд може също да бъде разширен до описанието на нестационарния заряд, който възниква по време на регенеративно спиране.

Крайната цел на разработването на модел на електрическо превозно средство е да се определи неговата производителност и характеристики на батерията при даден режим на шофиране. Следните бяха взети като основни параметри:

пробег (резерв на мощност);
консумация на енергия по време на движение;
разход на енергия за единица коловоз и товароносимост;
специфична енергия, доставяна от батерията.

Първоначалните данни за изчислението са:

параметри на батерията и (или) устройството за съхранение на енергия: група характеристики на временно разреждане и зареждане за текущи стойности в работния диапазон при постоянна температура, тегло на модула на батерията и допълнително оборудване, брой инсталирани модули и др. ;
параметри на двигателя: номинален ток и напрежение, съпротивление на котвената верига и намотката на възбуждане, конструктивни данни, характеристики на празен ход и др.;
параметри на базовото превозно средство: бруто тегло, предавателни отношения на скоростната кутия и крайното задвижване, ефективност на трансмисията, инерционен момент и радиус на търкаляне на колелата, коефициент на съпротивление на въздуха, рационализирана повърхност, коефициент на съпротивление при търкаляне, товароносимост и др .;
параметри на режима на шофиране.

В трета гл дисертационна работа, анализ на експерименти и моделни данни е извършен върху разработения симулационен модел и е решен проблемът за избор на параметри на AB.

При моделиране на движението на ЕМ в цикъл SAE j 227 C, резултатите са получени със структурата на данните, представена в таблица 2.

Резултатите от факторния анализ (Таблица 3.) показаха, че вече три фактора определят 97% от информацията, което може значително да намали броя на латентните фактори и съответно размерността на симулационния модел.

Резултатите от изчисляването на основните показатели за производителност на EM по време на овърклок.


1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1,00	129,93	25,21	250,00	7,2	19,49	120,11	3,00	280,92	0,46	4487,4	0,02
2,00	129,80	41,11	250,00	7,2	19,58	121,19	6,23	583,47	1,81	12873,1	0,32

38,00	116,73	116,30	111,73	3,4	26,36	23,40	47,53	4449,17	393,5	828817,1	-

Резултатите от факторния анализ (Таблица 3.) показаха, че вече три фактора предоставят 97% информация, което може значително да намали броя на латентните фактори и съответно размерността на симулационния модел.

Да се изясни аналитичното представяне на разрядните характеристики на AB 6EM-145, от който се формира батерията на електрически автомобил с обща маса 3,5 тона и маса на батерията 700 kg, за да се проучи възможността за краткотрайно презареждане на АБ по време на работна смяна и в резултат на това увеличаване на пробега, беше проведен експеримент за тестване на батерията 6EM-145 съгласно специална програма. Експериментът е проведен в продължение на 2 месеца на 2 батерии 6ЕМ-145.

Информативност на абстрактните фактори

	Собствена стойност	Процентно отклонение	Кумулативни собствени стойности	Натрупана процентна дисперсия
1	8,689550	78,99591	8,68955	78,9959
2	1,173346	10,66678	9,86290	89,6627
3	0,832481	7,56801	10,69538	97,2307
4	0,235172	2,13793	10,93055	99,3686

Тестовете бяха проведени по следната методика:

Зареждане с двустепенен ток 23A и 11.5A (препоръчва се от производителя на батерията)
Контролен разряд (според препоръките на производителя) с ток от 145A до минимална стойност на напрежението от 9V.
Зареждайте до 20%, 50% и 80% степени на заряд с токове 23,45 и 95A.
Разряден ток 145A до минимална стойност на напрежението 9V.

Като измерени и изчислени стойности бяха: отнет капацитет, капацитет на зареждане, степен на заряд, коефициенти полезно действиепо капацитет и енергия и др.

Резултатите от множествената регресия за почти всички зависими променливи показаха статистически значими резултати (корелационният коефициент беше равен на Р\u003d 0,9989 и Е-поведение Е(2,6)=1392,8). В резултат на това е показана възможността за легитимно използване на линейни модели.

Първият етап на ускорение се изчислява по стойността на магнитния поток Е= Е макс= 0,0072 Wb и поддържане на тока на котвата на постоянно ниво азаз = аз i1 = 250 A. Този етап започва в момента T= 0 и завършва, когато работният цикъл е равен на 1. Константи за тази фаза на ускорение: ток на възбуждане азв = а∙F макс 3 + b∙F макс 2 + ° С∙F макс\u003d 10,68 A и напрежение върху намотката на възбуждане Uв = аз∙Ров

В съответствие с принципа на двузоново регулиране, увеличаването на скоростта на вала на двигателя при пълно напрежение може да се постигне чрез отслабване на магнитното поле. Това е реализирано в електронен регулатор на тока, който управлява независима възбуждаща намотка. Вторият етап на ускорение започва в момента, съответстващ на  =1 и завършва, когато електрическото превозно средство достигне зададената скорост. начални стойности V, н, U ди други са резултатите от изчисляването на последната стъпка на ускорение при пълен поток, когато  =1.

Резултати от множествена регресия

	Статистика	стандартна грешка	Степен Параметърна регресия	стандартна грешка	статистика- тиково дърво студент до доверителния интервал	нивото на грешка при приемане на значимостта на регресионния параметър
Безплатно член			-0,267327	1,944346	-0,13749	0,895142
А	0,005475	0,019047	0,006819	0,023722	0,28744	0,783445
V3	0,999526	0,019047	1,233841	0,023513	52,47575	0,000000

Спирачката на електрическите превозни средства може да бъде механична или регенеративна. Последната стъпка в цикъла започва във време T= T а + T кр + T кои приключва, когато T= T а + T кр + T ко + T b. Спирането в цикъла SAE j 227 C се извършва с постоянно отрицателно ускорение, което може да се дефинира като: a= Vизберете /(3,6∙ T b) m/s 2 , където V vyb - скорост до края на разхода, km/h

Симулационните експерименти, проведени в дисертационния труд за оценка на характеристиките на движението на ЕМ, показаха, че условно нестационарният случаен процес на характеристики е добре апроксимиран от процес с автоковариационна функция от формата:

където r 1 (T)и r 2 (T)са съответно равни на:

(9)

Получени са аналитични изрази за описание на условно нестационарния процес. Нека колоната вектор S=(S 0 , С -1 , ... , С -м ) Tопределя стойностите на характеристиките на движение ( T) на моменти Св=  T 0 , T -1 ,…, T - м  , (T 0 >t -1 >.. >т -м ). Тогава математическото очакване е:

където д  (t) = (r(t-t 0 ), r(t-t -1 ), ... , r(t-t -м ) ред вектор на ковариации;

д  =||cov( (T аз ),  (T й ))||=||r(t аз -t)||, i,j=0..-m -ковариационна матрица на историята на процеса в моменти T аз , T й ; r(t) -автокорелационна функция на стационарния режим на движение.

Алгоритмите за стохастична апроксимация бяха избрани като алгоритми за управление на ЕМ режими на движение в дисертацията. Позволявам хвекторна променлива в Р н, за които са изпълнени следните условия:

1. Всяка комбинация от контролирани параметри хсъответства на случайна променлива Yхарактеристики на движението с математическо очакване М Y(X).

2. М Y(X)има единичен максимум и втори частни производни  2 М Y/x i x j са ограничени в цялата област на промяна на режимите на управление.

3. Последователности ( а к) и ( ° С к) отговарят на условията:

а)

, б)

, в)

, G)

(12)

4. Повтарящата се последователност от произволни режими на управление се определя въз основа на прехода със знака на нарастването: .

5. Вектор  Y k промените в характеристиките на движение се определят въз основа на прилагането на произволни стойности текущи режими х k според един от плановете П 1 , П 2 или П 3:

П 1 =[хк, х k+c k д 1 , . . . , х k+c k даз , . . . , х k+c k д N ] T - централен план;

П 2 =[х k+c k д 1 , х k -c k д 1 , . . . х k+c k дН, х k -c k д N ] T - симетричен план;

П 3 =[хк, х k+c k д 1 , х k -c k д 1 , . . . х k+c k дН, х k -c k д N ] T .- план с централна точка, където .

6. Дисперсия на оценката на характеристиките на движение  k 2 за всяка комбинация от режими х k ограничено  k 2  2
Проведените в дисертацията изследвания показаха, че при горните условия последователността на избраните режими на управление х k с вероятност 1 се свежда до оптимални стойности.

В резултат на извършената формализация, алгоритъмът на функциониране на управлявания симулационен модел на движение на ЕМ е следната последователност от действия:

1. Първоначалната настройкамодели и избор на начални режими на движение х 0 , к=0.

2. С дадена комбинация от режими х k в местния му квартал според един от плановете П i (i=1,2,3) генерират се селективни траектории на характеристиките на движение ( Xk,l ( t|с к)) l=1 L продължителност Tвсяка от общо начално състояние с к .

3. Средните интегрални оценки на характеристиките се изчисляват за всички л=1 …Л с общо начално състояние с к :

6. Задайте първоначалното състояние с к +1 следващ контролен интервал, равен на крайното състояние на един от процесите от предходната стъпка.

7. В съответствие с избрания критерий за спиране се извършва преход към точка 2 или до края на симулацията.

В четвърта гл разработените методи и модели бяха тествани.

При избора на размерите на батерията, инсталирана на ЕМ, за оптимизиране на съотношението между товароносимостта и пробега на електрическото превозно средство се използва концепцията за транспортна работа A=G д ∙L t∙km, където Ж д– товароносимост на ЕМ, t; Л- резерв на мощност EM (пробег). Товароносимост ЕМ Ж д =Ж 0 - м b / 1000 t, където Ж 0 = Ж НО – м– товароносимост на шасито, определена от товароносимостта на базовото превозно средство Ж НОвключително тегло  м, освободен при смяна на двигателя с вътрешно горене с електрическа задвижваща система, t; м b е масата на източника на енергия, kg. Стойност на пробега Лелектрическо превозно средство в общия случай се изчислява по известната в литературата формула
км, където д м - специфична енергия на източника на ток, W∙h/kg;  - специфичен разход на енергия при движение, W∙h/km. В резултат на това за транспортната работа е вярно:

t∙km,

(15)

където: коеф
км/кг.

Въз основа на разработения симулационен модел, изчисляването на движението на ЕМ е извършено на базата на автомобил ГАЗ 2705 "ГАЗела" с товароносимост Ж 0 =1700 кг. Изчислението е извършено за източници, събрани от 10 серийно свързани батерийни блока OPTIMA D 1000 S. Ж НО .

Изчисленията са извършени за движение в цикъла С AE j 227 C и за движение с постоянна скорост. На фиг.4. показва теоретичната и получената чрез симулация зависимост на транспортната работа от масата на батерията.

Според резултатите от изчислението максималната транспортна работа се постига при маса на батериите, малко по-голяма от половината от товароносимостта. Това се дължи на увеличаването на специфичната енергия д мизточник на ток с нарастващ капацитет.

Цикъл С AE j 227 C е един от най-интензивните тестови цикли, нон-стоп шофирането, напротив, е един от най-лесните. Въз основа на това може да се предположи, че графиките, съответстващи на междинните режими на шофиране, ще бъдат разположени в зоната, ограничена от съответните криви, а максималната транспортна работа при работа с батерия OPTIMA D1000S е в диапазона от 920 до 926 kg.

В ареста са представени основните резултати от работата.

Приложение съдържа документи за използването на резултатите от работата.

Основни изводи и резултати от работата

Извършена е класификация на АВ и анализ на известни методи за изчисляване на характеристиките на АВ. Дадена е оценка на възможността за тяхното приложение при моделиране на нестационарния заряд и разряд на АБ.
Въз основа на изследванията, проведени в дисертацията за моделиране на нестационарно натоварване на АБ при различни режими и условия на ЕМ движение, се предлага да се използва декомпозиционен подход, който позволява интегриране на хибридни аналитични и симулационни модели, включително модели на механичната част, система за управление, режими на движение и други.
Статията поставя и решава проблема за формализиране на принципите за изграждане на ЕМ симулационен модел, използвайки описание на процеса на обекти и компоненти на системата, което позволява симулиране на нестационарни режими на ЕМ движение и тяхното влияние върху нестационарните характеристики на натоварване на AB.
Беше извършен факторен анализ на овърклок характеристиките, който показа, че вече три фактора обясняват 97% от информацията. Това даде възможност значително да се намали броят на латентните фактори на модела и по този начин размерът на симулационния модел.
Техника за провеждане на експеримент върху сравнителен анализхарактеристиките на разреждането на батериите и бяха проведени експерименти. Получените експериментални данни показват, че за почти всички зависими променливи е легитимно да се използват линейни модели.
Симулационните експерименти, проведени за оценка на характеристиките на движението на ЕМ, показаха, че нестационарният случаен процес на характеристики е добре апроксимиран от процес с хиперекспоненциална автоковариантна функция. Получени са аналитични изрази за описание на характеристиките на условно нестационарен процес.
За решаване на проблеми с оптимизацията на симулационен модел се избират алгоритми за стохастично приближение като алгоритми за управление, които осигуряват висока скоростконвергенция при условия на големи дисперсии на характеристиките на движение.
Разработен е софтуерно-симулиращ комплекс, който е въведен за практическа употреба в редица предприятия и се използва и в учебния процес в MADI (STU).

Публикации по темата на дисертационния труд

Резултатите от изследването са публикувани в 6 печатни произведения.

Йоанесян А.В. Методи за изчисляване на характеристиките на батериите за електрически превозни средства / E.I. Сурин, A.V. -М., 2003. - С.29-36.
Йоанесян А.В. Методи за определяне на края на разреждането и зареждането на батерията на електрически автомобил / Йоанесян А.В. // Електротехника и електрообзавеждане на транспорта. - М.: 2006, № 6 - стр. 34-37.
Йоанесян А.В. Основни параметри на батерии за електрически превозни средства / A.V. Йоанесян // Методи и модели на приложната информатика: Междууниверситетски сб. научен тр. МАДИ (GTU). - М., 2009. - С.121-127.
Йоанесян А.В. Модел на механичната част на електрическия автомобил / A.V. Йоанесян // Методи и модели на приложната информатика: Междууниверситетски сб. научен тр. МАДИ (GTU). - М., 2009. - С.94-99.
Йоанесян А.В. Обобщен симулационен модел на движението на електрическо превозно средство / A.V. Йоанесян // Принципи на изграждане и характеристики на използването на мехатронни системи: сб. научен тр. МАДИ (GTU). - М., 2009. - С.4-9.
Йоанесян А.В. Модели на нестационарни процеси на движение на електрически превозни средства / A.V. Йоанесян // Принципи на изграждане и характеристики на използването на мехатронни системи: сб. научен тр. МАДИ (GTU). - М., 2009. - С.10-18.

Глава 1. Преглед на основните подходи за моделиране на батерии.

1.1 Математически модели на батерии.

1.2 Еквивалентни схеми на модели батерии.

1.3 Алтернативни модели батерии.

1.4 Статистически модели на батерии.

1.5 Симулация на специфични фактори, влияещи върху работата на батерията.

1.6. Модел на никел-водородната батерия на космическия телескоп Хъбъл

Целта на работата и целите на изследването.

Глава 2. Анализ на статистическия модел на никел-водородната батерия.

2.1. Формализирано описание на модела на батерията.

2.2. Модел с удължен разряд на батерията.

2.3. Предложени модели батерии с удължен разряд.

Глава 3. Моделиране на електрохимични процеси в никел-водородна батерия.

3.1 Модел на саморазреждане на никел-водородна батерия.

3.2 Моделиране на никел-водородна батерия въз основа на хипотезата за мигновен заряд и пренос на топлина.

Глава 4. Автоматизация на тестовете на системи за захранване на космически кораби с използване на модели на полуразпад на батерии.

4.1 Структура на тестовия комплекс.

4.2 Описание на хардуера и начина на работа на симулатора на сигнала на батерията.

4.3 Средства софтуертестов комплекс.

4.4 Резултати от практическото използване на модели на никел-водородни батерии.

Въведение в дипломната работа (част от резюмето) на тема "Моделиране на процесите на зареждане-разреждане на никел-водородни батерии в системата за управление на изпитвателния стенд"

Уместност на темата. Системите за захранване (PSS) са неразделна част от космическите кораби (SC), определят тяхното захранване и значително влияят върху ефективността на работа.

Спецификата на работата на SES на космическите кораби се състои в цикличността, високата инертност, стриктното времево ограничение за получаване на енергия от слънчеви панели, както и най-рационално разпределение на получената енергия между консуматорите. Поради дългия престой на космически кораби в орбита, броят на циклите на работа на захранващите системи може да достигне десетки хиляди, в резултат на което никел-водородни акумулаторни батерии (HNAB), които имат най-голям бройцикли на зареждане/разреждане и дълъг жизнен цикъл. Но никел-водородните батерии имат редица специфични и характерни само за тях параметри.

Поради горната специфика, най-важният етап в развитието на системите за електрозахранване на космически кораби е наземното изпитване на специализирани автоматизирани стендови комплекси, а една от най-важните, трудоемки и сложни работи при изграждането на системи за електрозахранване е разработването на подсистеми. отговарящ за работа с батерии, тоест за зареждане на битови устройства.

На практика обикновено се използват методи за тестване на зарядно-разрядни устройства без батерии, въз основа на употребата различни устройстваимитирайки техните отделни елементи и режими. Съществуващите разработки в областта на симулирането на работата на никел-водородни батерии се основават на ръчна промяна на параметрите, отличават се със сложността на дизайна и липсата на унификация дори за един и същи тип батерии. В тази връзка е необходимо да се създаде автоматизиран тестов стенд, който да симулира поведението на никел-водородни батерии в различни условия, което от своя страна изисква разработването на подходящ математически модел.

По този начин актуалността на темата за изследване на дисертацията е продиктувана от необходимостта от разработване на математически инструменти за моделиране на сложни електрохимични процеси, протичащи в никел-водородни батерии на бордови системи за захранване на космически кораби, които са функционално ядроспециализирани машинни симулатори, които осигуряват качествено и безопасно провеждане на наземни изпитания и експерименти в рамките на автоматизирани изпитателни комплекси.

Предметът на дисертационния труд съответства на научното направление на Държавната образователна институция за висше професионално образование "Воронежки държавен технически университет" " Компютърни системии хардуерно-софтуерни електрически комплекси”.

Целта на работата е да се разработи формализирано описание на процесите, протичащи в никел-водородните батерии, като основа за конструиране на математически модели, които симулират динамиката на промените в параметрите, определящи режимите на работа на изпитвания обект, в рамките на на автоматизиран програмно-хардуерен тестов комплекс на бордови електрозахранващи системи.

Въз основа на тази цел в работата бяха поставени и решени следните основни задачи:

Извършване на анализ на основните подходи за моделиране на батерии и анализ на факторите, влияещи върху работата им;

Анализ на статистическа информация, характеризираща режимите на работа на никел-водородни батерии като част от системата за захранване на базата на орбитални телеметрични данни на международната космическа станция; разработване на препоръки за практическото му приложение;

Анализ на електрохимични процеси, протичащи в никел-водородни батерии, разработване на тяхното формализирано описание и интегриран модел в режими на зареждане, разреждане и саморазреждане;

Разработване на структурата и средствата за внедряване на автоматизиран тестов комплекс за системи за захранване на автономни обекти на базата на разработените модели никел-водородни батерии.

Изследователски методи. За решаване на поставените задачи използвахме методите на системния анализ, разпоредбите теоретични основиелектротехника, теоретични основи на електрохимията, теория на автоматичното управление, елементи на математическия апарат за числено решаване на частични диференциални уравнения, елементи на теория на графите.

Научната новост на дисертационния труд е следната:

Предложен е метод за конструиране на разрядните характеристики на никел-водородни батерии с промяна на първоначалните данни според наличните измерени експериментални и орбитални данни, която се различава с грешка, не по-голяма от 5%;

Разработен е сложен модел на електрохимични и физични процеси в никел-водородна акумулаторна батерия, който се отличава с отчитане на явлението саморазреждане;

Разработен е нелинеен динамичен математически модел на никел-водородна акумулаторна батерия, който включва електрически и неелектрически величини и показва хистерезисното поведение на потенциала на батерията по време на зареждане/разреждане, характеризиращо се с изпълнение по отношение на надлъжни и напречни променливи в числова форма;

Предложен е метод за моделиране на сложни електрически устройства, който се отличава с редуцирането на управляващите уравнения до матричен вид, дискретизиран във времето;

Разработена е структурата на автоматизиран софтуерно-хардуерен симулатор на акумулаторни сигнали, който се отличава с опростен хардуер, гъвкавост при промяна на параметрите на симулаторите, както и унификация за един и същи тип батерии;

Разработени са инструменти, които осигуряват автоматизиран режим на работа на тестовия комплекс, както и обработката на резултатите от тестовете.

Практическата значимост на работата. Резултатите, получени в работата, могат да бъдат използвани като основа за инженерни методи за изчисляване на преходни процеси в системите за захранване на автономни обекти, използващи никел-водородни батерии. Разработеният комплексен математически модел дава възможност да се определи различни характеристикиникел-водородни батерии без експериментиране и тестване на реални батерии. Предложеният модел може да се използва като част от автоматизиран стенд софтуерно-хардуерен комплекс за тестване на системи за електрозахранване на автономни обекти (като космически кораби, хибридни превозни средства, автономни вятърни енергийни системи и т.н.) заедно със симулатор на сигнала на никел-водородна батерия.

Внедряване и прилагане на резултатите от работата.

Основните положения на дисертационния труд са внедрени в разработките на NPO Electrotechnical Holding OOO Energia под формата на софтуерни компоненти в рамките на автоматизиран софтуерно-хардуерен стенд за тестване на системи за захранване на космически кораби.

Апробация на работата. Основните положения на дисертационния труд бяха обсъдени и одобрени на научните семинари на катедра „Управление и информатика“ в технически системиах VSTU (2002 - 2006); на конференции на преподавателския състав на VSTU (2001-2004); на международната училищна конференция "Високи енергоспестяващи технологии" (Воронеж, 2005 г.); на Всеруската студентска научно-техническа конференция "Приложни проблеми на електромеханиката, енергетиката, електрониката". (Воронеж, 2006).

Публикации. Резултатите от изследването са публикувани в 6 публикации, включително 1 издание, препоръчано от Висшата атестационна комисия на Руската федерация. В произведенията, публикувани в съавторство и цитирани в края на резюмето, жалбоподателят лично притежава: - беше проведено изследване на метрологичните характеристики на интегрирания тестов стенд за SES ISS; - проведено е изследване на различни математически модели на батерии; - разработена унифицирана структура на тестовите стендове, както и алгоритъма на софтуера.

Структура и обхват на работата. Дисертационният труд се състои от увод, четири глави, заключение, библиография от 89 заглавия и приложения. Основната част от работата съдържа 165 страници, 70 фигури и 7 таблици.

Подобни тези по специалност "Математическо моделиране, числени методи и програмни комплекси", 05.13.18 HAC код

Симулатор на слънчева батерия за наземно тестване и тестване на системи за захранване на космически кораби, базирани на импулсни преобразуватели 2011 г., кандидат на техническите науки Кремзуков Юрий Александрович
Формиране и възстановяване на капацитета на никел-кадмиеви батерии и батерии 2007 г., кандидат на техническите науки Матекин, Сергей Семенович
Разработване на зарядно устройство за групово зареждане на автомобилни акумулатори 2001 г., кандидат на техническите науки Сучков, Роман Валериевич
Разработване на корабна автоматизирана система за мониторинг и диагностика на батерии на дизел-електрически подводници 2007 г., кандидат на техническите науки Савченко, Александър Владимирович
2006 г., д-р Хечинашвили, Александър

Заключение за дисертация на тема "Математическо моделиране, числени методи и софтуерни пакети", Сазанов, Алексей Борисович

1. Разработената структура и алгоритъм на работа на софтуера позволяват пълното имплементиране на различни видоветестване на широка гама от продукти на радиоелектронно оборудване, което се осигурява от единна идеология за изграждане на софтуер с разделяне по функционални характеристики;

2. Предложеният алгоритъм за калибриране на измервателните канали може значително да подобри точността на измерванията по време на тестване и, като се има предвид, че необходимостта от калибриране възниква само на етапа на производство и настройка на изпитвателния стенд, след това директно по време на тестването, скоростта на информационно-измервателната система като цяло нараства;

3. Разработеният алгоритъм за цифрово филтриране на резултатите от измерванията може значително да намали въздействието на индустриалния динамичен шум, засягащ тестовото оборудване по време на тестване;

4. Разработената блокова схема на симулатора на сигнала на батерията осигурява значително подобрение в качеството на тестовете чрез опростяване на хардуера, отговорен за настройката на режимите на симулатора, осигуряване на гъвкавост за промяна на параметрите на симулаторите, както и унифициране на симулатора, при най-малко за същия тип батерии;

5. Предварителна подготовкатестовата програма ви позволява да автоматизирате процеса на тестване, а използването на математически модел на никел-водородна батерия може значително да намали интензивността на труда подготвителна фазатестове.

Заключение

Изследванията, проведени в рамките на дисертационния труд в областта на моделирането на процесите на зареждане, разреждане и саморазреждане на никел-водородна батерия като част от системи за захранване на автономни обекти, позволиха да се получат следните резултати:

1. Въз основа на анализа на основните подходи за моделиране на различни видове батерии, както и техните еквивалентни схеми, се определят основните задачи, насочени към подобряване на качеството на тестване на системи за захранване на космически кораби.

2. Разработен е комплексен модел, който описва електрохимичните и физични процеси в никел-водородна батерия, като се отчита явлението саморазряд.

3. Разработен е нелинеен динамичен математически модел на никел-водородна батерия, който включва електрически и неелектрически величини и показва хистерезисното поведение на потенциала на батерията по време на зареждане/разреждане, реализирано по отношение на надлъжни и напречни променливи в числена форма .

4. Предложен е модел за анализ на разрядните характеристики на никел-водородна батерия с промяна на първоначалните данни според наличните измерени експериментални и орбитални данни с комбинирано изместване.

5. Предложен е метод за моделиране на сложни електрически устройства, базиран на редуцирането на уравнения за управление до матрична форма, дискретизирана във времето.

6. Разработена е структурата на автоматизиран софтуерно-хардуерен комплекс, който симулира акумулаторни сигнали, с опростен хардуер, гъвкавост при промяна на параметрите на симулаторите, както и унификация за един и същи тип батерии

7. Предлагат се средства, които осигуряват автоматизиран режим на работа на тестовия комплекс, както и обработка на резултатите от тестовете.

Списък с литература за дисертационно изследване Кандидат на техническите науки Сазанов, Алексей Борисович, 2008 г

2. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Тер-Газарян А.Г. Съхранение на енергия в електрически системи. М.: Висше училище, 1989. 160 с.

3. Бабков О.И. Основни проблеми на космическата електроенергетика / O.I. Бабков, Н.Я. Пинигин, Е.Е. Романовски, B.E. Черток // Индустрия на Русия. -1999. -№ 9. -стр. 7-22.

4. Блок симулатор на сигнала, 33Y.2574.003 TU, Королев, Московска област, RSC Energia, 1987 г.

5. Варенбуд JI.P, Лившин Г.Д., Тищенко А.К. Развитие на структурата и състав на персоналаинформационен и управляващ комплекс за тестване на системи за захранване на космически кораби / Енергия: Науч.-практ. vestn. 1999. - № 4 - с. 36-54.

6. Варенбуд JI.P, Ледяйкин В.В., Сазанов А.Б. Разработване на алгоритъм за тестване на SES с помощта на автоматизиран хардуерен и софтуерен комплекс. // Енергетика: Научно-практ. vestn. -2001.-№1 стр. 16-28

7. Веденеев Г.М. Начини за подобряване на автономните системи за захранване / Веденеев Г.М., Орлов И.Н., Токарев А.Б., Чечин А.В.//C6. научен върши работа. № 143. М.: Моск. Енергия в-т. 1987. -стр. 7.

8. Герман-Галкин С. Г. Компютърно моделиранеполупроводникови системи в MATLAB 6.0: Урок. SPb .: KORONA print, 2001.9." Герман-Галкин С. Г. Линеар електрически вериги. Лабораторни работи. Санкт Петербург: Учител и ученик, печат КОРОНА, 2002.

9. Герман-Галкин С. Г. Спектрален анализ на процесите на силови полупроводникови преобразуватели в MATLAB пакет(R 13) // Научно-практическо списание "Exponenta Pro. Математика в приложенията", 2003, № 2. С. 80 82.

10. Динамично моделиране и тестване на технически системи / Ed. ДОКУМЕНТ ЗА САМОЛИЧНОСТ. Кочубиевски. М.: Енергия, 1978. -303 с.

11. Duplin N.I., Podvalny C.JL, Savenkov V.V., Tishchenko A.K. Анализ на стабилността на разклонени системи за захранване с постоянен ток // Системи за управление и Информационни технологии: сб. научен върши работа. -Воронеж, VSTU. 2000. -стр. 40-49.

12. Дяконов В. Simulink 4. Специален наръчник. СПб. 2002 г

13. Злакоманов В.В., Яковлев Б.С. Взаимодействие на динамични системи с енергийни източници. М .: Енергия, 1980. -с. 144.

14. Блок симулатор на сигнала, 33Y.2574.003 TU, Королев, Московска област, RSC Energia, 1987 г.

15. Лелеков А.Т. Моделиране на топлофизичните характеристики на никел-водородна батерия. // Бюлетин на Sib.state. космическото пространство ун-т.: сб. научен Сборник./ ред. проф. ЛИЧЕН ЛЕКАР. Белякова; сиб. състояние космическото пространство unt. Красноярск, 2004. Бр. 4. - стр. 128

16. Klinachev N.V. Основи на системното моделиране или 7 области на законите на Ом и Кирхоф: Избрани фрагменти. Челябинск, 2000-2005.

17. Савенков В.В. Моделиране, разработване и експериментално изследване на електроенергийни системи за автономни обекти. дис. Доктор на науките, VSTU, Воронеж, 2002 г.

18. Сазанов А.Б. Математическо моделиране на режимите на работа на батерията.// Научно-техническо списание "Техника на машиностроенето", № 2, Москва, 2007 г., "Вираж-център", стр. 27-30.

19. Сазанов A.B., Литвиненко A.M. Автоматизация на приемните изпитвания на електронни блокове на продукти на радиоелектронно оборудване.// Научно-техническо списание "Електротехнически комплекси и системи за управление", № 2, Воронеж, 2006 г., "Кварта" стр. 51-56.

20. Сазанов A.B., Литвиненко A.M. Саморазряден модел на никел-водородна батерия. // Бюлетин на VGTU, серия "Енергетика", брой 6, 2007 / Воронеж, държавна. тези. университет. Воронеж, 2007 г.

21. А. В. Семикин и И. А. Казаринов, Никел-водородни акумулаторни електрохимични системи. // Електрохимична енергия. Саратовска държава. Университет, Саратов 2004, т. 4, № 1 стр. 3-28, № 2 стр. 63-83, № 3 стр. 113-147.

22. В. В. Тенковцев и Б. И. Център, Основи на теорията и работата на запечатани никел-кадмиеви батерии. Ленинград: Енергоатомиздат. Ленинград. Отд., 1985 г.

23. Тищенко А.К., Ганкевич П.Т., Лившин Г.Д., Единна система за захранване на космически кораби // Воронеж. Енергетика: научна и практическа. пратеник. 1999.-№ 3.-с. 34-51.

24. Тишченко А.К., Ганкевич П.Т., Савенков В.В. Характеристики на дизайна на унифицирани системи за захранване с високо напрежение за космически кораби // Воронеж. Енергетика: научна и практическа. пратеник. -1999 -#1-2 стр. 6-17

25. Център B.I., Lyzlov N.Yu. Електрохимични системи метал-водород. Теория и практика. Л.: Химия, 1989, 282 с.

26. Черних И.В. Моделиране на електрически устройства в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. 1-во издание, 2007 г

27. Шанън Р. Симулационни системи изкуство и наука: Пер. от английски. М.: Мир, 1978. 418 с.

28. Електрозахранване на самолети / изд. Н.Т. Коробина. -М .: Машиностроение, 1975. -с. 382.

29. Appelbaum, J и Weiss, R., „Оценка на заряда на батерията във фотоволтаични системи“, 16-та конференция на специалистите по фотоволтаици на IEEE, стр. 513-518, 1982 г

30. Baudry, P. et al, „Електротермично моделиране на полимерни литиеви батерии за начален период и импулсна мощност“, Journal of Power Sources, Vol 54, pp. 393-396, 1995 г

31. Бернарди Д., Е. Павликовски, Дж. Нюман, Общ енергиен баланс за батерийни системи, J. Electrochem. соц. 132 (1) (1985) 5-12.

32. Bratsch S.G., J. Phys. Chem. Реф. Данни, 18.1 (1989).

33. Brenan K.E., Campbell S.L. и Petzold L.R., Числено решение на проблеми с начална стойност в диференциално-алгебрични уравнения, Северна Холандия, Ню Йорк (1989).

34. Bumby, J. R., P. H. Clarke и I. Forster, U of Durham UK, „Компютърно моделиране на автомобилните енергийни изисквания за двигател с вътрешно горене и превозно средство с електрическо захранване от батерии“, IEE Proceedings, Vol 132, Pt. А, не 5, септември 1985 г., стр. 265-279

35. Чапман, П. и М. Астън, „Общ модел на батерията за прогнозиране на ефективността на симулацията на електрически и хибридни превозни средства“, Електрически и хибридни превозни средства, SP-2, Int. J. Veh. Дизайн, 1982, стр. 82-95

36. Коен, Ф. и Далтън, П. Дж. „Стартиране и първоначална производителност на никел-водородната батерия на Международната космическа станция“. Доклади на 36-та междудружествена инженерна конференция за преобразуване на енергия, Савана, Джорджия, 29 юли-2 август 2001 г.

37. Conway B.E. и Bourgault P.L., Can J. Chem., 37, 292 (1959).

38. Dalton, P., Cohen, F., „Повторна инициализация на батерията на фотоволтаичния модул на Международната космическа станция“, документ № 20033, Доклади на 37-ата междудружествена инженерна конференция за преобразуване на енергия, Вашингтон, 28 юли-2 август, 2002 г.

39. Далтън, П., Коен, Ф., „Ефективност на никел-водородната батерия на Международната космическа станция на орбита“, документ № 20091, Доклади от 37-та междудружествена инженерна конференция за преобразуване на енергия, Вашингтон, 28 юли-2 август, 2002 г.

40. Dalton P., Cohen F., Актуализация на производителността на никел-водородна батерия на международната космическа станция в орбита, в: Сборник на AIAA 2003, документ #12066, 2003.

41. De Vidts P., Delgado J. и White R. E., J. Electrochem. Soc., 143, 3223 (1996).

42. De Vidts P., Delgado J., Wu B., See D., Kosanovich K., and White R.E., J. Electrochem. Soc., 145, 3874 (1998).

43. Добнер, Доналд Дж. и Едуард Дж. Уудс, Изследователски лаборатории на GM, „Динамична симулация на електрическо превозно средство“, 1982 г., стр. 103-115

44. Dougal R.A., Brice C.W., Pettus R.O., Cokkinides G., Meliopoulos A.P.S.,

45. Виртуално прототипиране на PCIM системи-виртуалния тестов стенд, в: Proceedings of PCIM/HFPC "98 Conference, Santa Clara, CA, ноември 1998 г., стр. 226234.

46. Dunlop J.D., Rao G.M., Yi T.Y., Наръчник на НАСА за никел-водородни батерии, Референтна публикация на НАСА. 1314, септември 1993 г.

47. Dunlop J.D., Giner J., Van Ommering G., Stockel J.F., Nickel Hydrogen Cell, U.S. Патент 3867299, 1975 г.

48. Facinelli, W. A., „Моделиране и симулация на оловно-киселинни батерии за фотоколтаични системи“, 1983 г. 18-та междудружествена инженерна конференция за преобразуване на енергия IECEC, том 4, 1983 г.

49. Halpert G., J. Power Sources, 12,177 (1984).

50. Hojnicki, J.S., Kerslake, T.W., 1993, „Модел на електрическата ефективност на свободата на космическата станция“, документ №. 93128, Доклади на 28-та междудружествена инженерна конференция за преобразуване на енергия, Атланта, Джорджия, 8-13 август 1993 г.

51. Gear CW, Проблеми с числени начални стойности в обикновени диференциални уравнения, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1971 г.

NiMH-. - . : , -.

МАТЕМАТИЧЕСКИ МОДЕЛ НА ИДЕНТИФИКАЦИЯ НА БАТЕРИЯ ЗА ВИСОКО НАПРЕЖЕНИЕ НА ХИБРИДНО ЕЛЕКТРИЧЕСКО ПРЕВОЗНО СРЕДСТВО

С. Сериков, доцент, кандидат на техническите науки, KhNAHU

абстрактно. Получен е математически модел на хибридно електрическо превозно средство NiMH високоволтова батерия. Този модел позволява да се изследва взаимодействието на теглителното електрическо задвижване на превозното средство и високоволтовата батерия при движение на електрическата двигателна сила и в процеса на рекуперация на спирачната кинетична енергия. Ключови думи: идентификация, математически модел, високоволтова батерия, електродвижеща сила, вътрешно съпротивление, състояние на заряд, номинален капацитет на батерията.

(), - . - (). , .

- , . - - , -, -, - . - - - . - , - - . - - - . - - - , - - .

-, / 35300 70130 100200 140200 90120 150 100

-, /3 5090 60100 60100 100210 75110 160 100

, / 1545 3560 3060 5580 80120 100 150

300600 4001200 10001500 1000 250500 500 300

, ../ 70400 400500 500 150800 300 >1000 >1000

2,1 -. . -

()0.15 2.00TAB TAB AK

0.1TAB TAB TAB nomC C = = - ; TABC, - -; TAB nomC - . -

2%. осем . 90% 1. - - - . - - - - (NiMH), -, -. - 1,2 ПЕЧЕНЕ = . - -

()TAB TAB AK TABE n E= ,

() ()() ()() ()()

8,2816 1 23,575 1

30,0 1 23,7053 1

12,588 1 4,131 1

0,8658 1 1,37 , B .

NiMH 5%. един . - 60% - 20 . - - (-, - ..). - -

3.5 ПЕЧЕНЕ = . - десет процента. 2 3 . - . . Toyota Prius III (- 2003 .) NiMH , 168 -, 28 , -

201,6 BTAB nomU = . Toyota Prius II (20002003 .) NiMH , 228 -, 38 .

273,6 BTAB nomU = . 6.5 TAB nomC = ,

макс. 80 ATAB disI =,

макс. 50 ATAB chgI = .

TAB TAB TABTAB наз

0TAB - 0t = . - - (TABE) - (TABR),

TAB TAB TAB TABU E I R= . - , - . TABE TABR - , - (0TABt), - (TABI)

()0,TAB TAB TAB TABE f I t= ;()0,TAB TAB TAB TABR f I t= .

()TAB TAB TAB TAB TAB TAB TABP U I E I R I= = .

()21 42TAB TAB TAB TABTABI E E R PR= . - maxTAB TABP P> , maxTABP - . -

TAB VD inv dop VD

0VD gnrP P=< ; dopP -, - ; inv . - - - . - - , - (- -

0,1...10 cSCT = .

1. , - .

()TAB TAB AK TABE n E=

0.46263 0.697080.41778 1.1516 , B ,

0.00352 0.25920.48776 1.1364 , B ,

()(),TAB TAB TABE f знак I= :

0.093727 1.197, B, 0;

0,16112 1,2352, B, 0.

TAB (0TABI) 0,018274Rdis = , (0TABI<) 0,0075985Rchg = . - - 228TABn = , - - , . 3.

NiMH Panasonic Toyota Prius, . , - . 5.

()(),TAB TAB TABE f знак I=

()32VD d d q qP i u i u= + du qi qu

()(),TAB TAB TABR f знак I=

ВД ТАБ ВД инв доп

NiMH. - - - - , . - - - .

1. Джеймс Лармини, Джон Лоури. Обяснена технология за електрически превозни средства. John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Чичестър, Западен Съсекс PO19 8SQ, Англия. 2003. 296 стр.

2. Дамеджа, Сандип. Батерийни системи за електрически превозни средства / Sandeep Dhameja. Sandeep Dhameja. Newnes, 2002, 230 с.

3.K.J. Кели, М. Михалич, М. Золот. Използване на батерията и термични характеристики на Toyota Prius и Honda Insight за различни тестови процедури на динамометричен стенд. Предпечат. NREL/CP-540-31306, ноември 2001 г.

4. Лоик Булон, Даниел Хисел, Мари-Сесил Пера. Мултифизичен модел на никелова батерия, подходяща за симулация на хибридни електрически превозни средства // Journal of Asian Electric Vehiclec, Vol. 6, бр. 2, декември 2008 г. 1175-1179.

5. H2 PEM горивна клетка и хибриден енергиен източник с високоенергийна плътна батерия за градско електрическо превозно средство. Н. Скофийлд, Х. Т. Яп, К. М. Бингам.

6. Yuanjun Huang, Chengliang Yin, Jianwu Zhang. Моделиране и развитие на стратегията за управление в реално време за паралелни хибридни електрически градски автобуси / WSEAS

СДЕЛКИ по ИНФОРМАЦИОННИ НАУКИ И ПРИЛОЖЕНИЯ. Брой 7, том 5, юли 2008 г. . 11131126.

7. Карлос Мартинес, Йоси Дрори и Джо Сиансио. Primer за интелигентна батерия. Забележка за приложението на Intersil. AN126.0. 11 юли 2005 г

8. Освалдо Барбариси, Роберто Каналети, Луиджи Глиелмо, Микеле Госо, Франческо Васка. Оценка на състоянието на заряда за NiMH батерии // Доклади на 41-вата конференция на IEEE за вземане на решения и контрол. Лас Вегас, Невада, САЩ, декември 2002 г. 17391734.

9. Франческо Еспозито. Неоптимална стратегия за управление на енергията за хибридни електрически превозни средства. http://www.fedoa.unina.it/1944/1/Esposito_Francesco_Ingegneria_Elettrica.pdf

10. Си Вей. Моделиране и управление на хибридно електрическо задвижване за оптимална икономия на гориво, производителност и управляемост. Дисертация. Представено в частично изпълнение на изискванията за степента доктор по философия във Висшето училище на Държавния университет в Охайо. 2004. 175 с.

11. .. / .. , .. . . : , 2005. 240 .

12. Никел-метален хидрид. Ръководство за приложение. 2001 г.

13. Технически статии. Toyota Серия Хибрид. Високоволтова батерия http://www.autoshop101.com/forms/Hybrid03.pdf.

14. .. / .. - // . 2006. 1. . 1819.

15. . . -: / . . // . 2006. . 6. 3. . 146149.

16. М. Золот, А. Песаран, М. Михалич. (NREL). Термична оценка на батерията Toyota Prius // Национална лаборатория за възобновяема енергия. Представен на Конгреса за автомобилите на бъдещето, юни 2002 г.

Презареждащи се батерии

Понастоящем един от най-често използваните типове литиево-йонни батерии са батерии, които използват LiFePO 4 (литиево-железен фосфат) като катодно активно вещество.
В предложената статия авторите обосновават принципите на моделиране на режима на зареждане на литиево-желязо-фосфатна батерия (AB), извършено като се вземат предвид промените в параметрите на отделните батерии, и формулират препоръки относно режима на зареждане на AB.

ЛИТИЕВО-ЖЕЛЯЗНО-ФОСФАТНА БАТЕРИЯ
Симулация на режим на зареждане

Алексей Ворошилов,Главен инженер на Energy Storage Systems LLC,
Андрей Петров,Ръководител на проекта LIA
Евгений Чудинов,Доктор на техническите науки, професор
PJSC NCCP, Новосибирск

Използването на литиево-йонни батерии (LIB) е сравнително нова технология за съхранение на енергия, която се развива бързо през последните години. По отношение на своите параметри (плътност на съхраняваната енергия, плътност на мощността, ресурс по време на цикъл) този тип химически източници на ток значително превъзхождат традиционните оловно-киселинни и алкални батерии. Поради постоянното усъвършенстване на технологията за производство на LIB, се наблюдава постепенно намаляване на цената на този тип батерии. Днес цената на енергията, съхранявана в тях, е само малко по-висока от цената на енергията, съхранявана в традиционните батерии. Това гарантира икономическата целесъобразност на тяхното все по-широко използване в различни области на техниката.

От всички известни типове химически източници на ток, LIB, използващи литиево-железен фосфат (LFP) като катоден материал, са наистина безопасни за работа, а допирането на активната маса на катода с някои метали значително подобрява енергийните характеристики на такива батерии. Тези факти доведоха до голям интерес към LIB LFP от компании, произвеждащи устройства за съхранение на енергия за електрически транспорт и енергия. В същото време този тип литиево-йонни батерии, в сравнение с други видове LIB, има редица характеристики, които трябва да се вземат предвид, за да се осигури необходимия експлоатационен живот.

Статията разглежда характеристиките на работата на LIB LFP, както и някои резултати от математическото моделиране на процеса на зареждане на литиево-йонна батерия (LIAB), сглобена на тяхна основа, като се вземе предвид разпространението на параметрите на отделните батерии. В този случай самата батерия се разглежда като активна двуполюсна мрежа, чиито параметри (генераторно напрежение и вътрешно съпротивление) зависят нелинейно от тока на зареждане/разреждане, степента на зареждане и температурата. Симулацията използва набор от експериментални данни, получени в завода Liotech през 2014-2015 г. Резултатите от изследването могат да се използват за повишаване на ефективността на зареждането на LIB LFP и осигуряване на дълъг експлоатационен живот.

LFP РЕЖИМ ЗА ЗАРЕЖДАНЕ

Волт-амперни характеристики при зареждане

Зависимостта на напрежението от акумулатора при зареждане или разреждане с постоянен ток има специфичен характер. На фиг. Фигура 1 показва типична зависимост на напрежението на LIB LFP модел LT-LYP380, произведен от Liotech, от степента на заряд, когато се зарежда при стайна температура (20±5 °C).

Ориз. 1. Зависимостта на напрежението на батерията LT-LYP380AH от степента на нейния заряд при зареждане с различни токове (0,2 ОТн; 0,5 ОТн; един ОТм)

Три области са типични за характеристиките на зареждане на LFP: бързо нарастване на напрежението на батерията в началото на зареждането, бавна промяна на напрежението в средата и бързо нарастване в края. Повечето производители на LIB LFP препоръчват ограничаване на напрежението за зареждане на батерията до 3,7-3,9 V.

Режим на зареждане CC/CV

Най-често използваният режим на зареждане на батерията е режимът на зареждане с постоянен ток с преход към режим на зареждане с постоянно напрежение, така нареченият режим CC / CV. На фиг. Фигура 2 показва типичен график за зареждане на оловно-киселинна батерия. Червената крива показва зависимостта на тока, синята крива показва напрежението спрямо времето. За литиево-йонна батерия естеството на кривите не се променя, с изключение на факта, че преходното напрежение към режим на зареждане с постоянно напрежение за LIB е значително по-високо. Това се дължи на факта, че напрежението на отворена верига (OCV) на LIB е значително по-високо от това на оловно-киселинните батерии. За LIB LFP производителите препоръчват да изберете стойност на напрежението от 3,7-3,9 V, за батерии от други типове (NMC, LCO, LTO) тази стойност може да се различава леко.

Ориз. 2. Типична връзка CC/CV при зареждане за оловно-киселинна батерия

Когато работите с оловно-киселинна батерия в режим на плаващо зареждане, понякога се използва режим с две напрежения. При достигане на определена степен на заряд (състояние на заряд - SoC) е преминаването към така наречения режим на таксуване за поддръжка. Например, за обслужвани оловно-киселинни батерии при стайна температура, зарядното напрежение е 2,3-2,4 V, плаващото напрежение е 2,23 V.

Стойността на напрежението на поддържащия заряд за оловно-киселинни батерии се избира въз основа на условието за минимизиране на процеса на корозия на неговите електроди и зависи от работната температура на оловно-киселинната батерия. В LIA този преход като правило изглежда различно. В този момент е необходимо да спрете напълно зареждането или да намалите зарядния ток до стойността на балансиращия ток. Причините, поради които литиево-йонните батерии, които съставляват батерията, трябва да бъдат балансирани помежду си, ще бъдат обсъдени по-долу.

Режим на зареждане с постоянно напрежение (CV).

Нека в момента T 1 от началото на зареждането на акумулатора с ток аз 0, той превключва от режим на зареждане с постоянен ток към режим на зареждане с постоянно напрежение. При преминаване към режим на зареждане с постоянно напрежение, токът намалява експоненциално с течение на времето, променяйки се според закона:

(1)

Тази зависимост се определя чрез решаване на уравнението на Котрел и Фик за литиево-йонни батерии в потенциостатичен режим. В този случай времеконстантата τ се определя от коефициента на химическа дифузия на интеркалиращите частици, дебелината на слоя на електродния материал и други параметри. Пример за зареждане с ток 0,2 ОТпоказано на фиг. 3.

Ориз. 3. Профил на зареждане на батерията в режим CC/CV

Зареждане Q, взета от акумулатора, се определя от интеграла на Кулон:

Тук C n- капацитет на батерията.

За LIB LFP се приемат следните параметри за зареждане, дадени на една батерия:

U 0 = 3,4-3,7 V (стойност на напрежението от 3,4 V съответства на прехода към режим на зареждане VC при състояние на зареждане от приблизително 50%, 3,7 V - 98%. Тази стойност може да бъде посочена в зависимост от параметрите на батериите от различни производители);
аз 0 = 0,2C n(тази стойност съответства на тока на разреждане на напълно заредена батерия за пет часа.), A;
T 1 ≈ 2,5-4,9 часа

Време за зареждане до спадане на тока до 0,1 аз 0 (това ниво се взема за определяне на момента на пълно зареждане на батерията) се определя от израза:

При U 0 = 3,4 V, Tзареждане ≈ 8,25 ч, при U 0 = 3,7 V, Tзаряд ≈ 5.20 ч. В координатите ток/състояние на заряд тази зависимост е показана на фиг. 4. В реален случай, когато батерия (или единична батерия) е свързана към зарядното чрез кабел с ограничена проводимост, профилът на зареждане става по-сложен, тъй като докато батерията се зарежда, токът на зареждане намалява и съответно напрежението падът върху захранващите кабели намалява. Това води до увеличаване на напрежението, приложено към батерията, докато се зарежда, и профилът на зареждане, показан на фиг. 3 и 4 е изкривено.

Ориз. 4. Профил на зареждане на батерията в режим CC / CV в координатите ток / състояние на зареждане

ПАРАМЕТРИ НА LFP БАТЕРИЯТА

Еквивалентна схема на батерията

На фиг. 5а показва еквивалентната схема на активна двутерминална мрежа в общ вид. Тук д int - генератор EMF, З int е вътрешното му съпротивление (импеданс), което е комплексно, тоест зависи от честотата. Най-общо казано, д int и З int - функции на ток, степен на заряд, температура и честота. За да се обясни естеството на кривата на зареждане на LIB LFP, когато степента на зареждане се приближи SoCдо 100%, е необходимо да се разгледа по-подробно неговата еквивалентна схема.

Ориз. 5

а) Схема на активна двукрайна мрежа в общ вид

б) Еквивалентна схема на батерията като активна двуполюсна

д 0 - напрежение на отворена верига на батерията (NRC);
д p е поляризационният потенциал;
Р 0 - общо омично съпротивление на контакти, електроден материал, електролит и др.;
° С 1 - електрически капацитет на двуслойния електрод-електролит;
Р 1 - устойчивост на прехвърляне на заряд на интерфейса електрод-електролит;
° С 2 - електрически капацитет, определен от градиента на напрегнатостта на електрическото поле в електролитното вещество, когато през него протича електрически ток;
Р 2 - съпротивление, определено от крайната стойност на коефициента на дифузия на литиевите йони в електролитното вещество.

В редица статии се обсъждат различни еквивалентни схеми на батерии. Най-пълният преглед на публикациите по тази тема е представен в. На фиг. Фигура 5б показва еквивалентна схема, която според нас най-адекватно описва поведението на батерията по време на нейното зареждане/разреждане, определено експериментално.

Напрежението на батерията се определя от напрежението на отворена верига, поляризационния потенциал и омичните загуби във вътрешното съпротивление на батерията, когато през нея протича електрически ток. По-долу са измерените зависимости на основните параметри на батерията от степента на нейния заряд.

Зависимост на НРС от SoCпри зареждане на батерията.
Уравнение на Олейников

Нелинейната форма на кривата на нарастване на напрежението в началото на цикъла на зареждане (фиг. 1) се дължи на бързата промяна в концентрацията на литиеви йони в приелектродната област както в течната, така и в твърдата фаза. Напрежение на отворена верига д X се определя от разликата в електрохимичните потенциали на катода и анода в равновесно състояние. Уравнението, описващо потенциала на интеркаларния електрод, е предложено от S.A. Олейников:

(4)

където д X 0 - електрохимичен потенциал на интеркаларния електрод (катод или анод);
Р- универсална газова константа;
T- абсолютна температура;
Е- число на Фарадей;
х- степен на интеркалиране;
Да сее константа, която отчита съдържанието на йонизирани примеси в материала на електрода.

От представения израз следва, че потенциалът на интеркаларния (литиран) електрод зависи логаритмично от степента на интеркалация (концентрацията на литиеви йони). Това определя бавната промяна на напрежението на батерията при смяна SoCв средата на графиката на заряда. Може да се покаже, че когато концентрацията се промени с фактор 10, електродният потенциал д X при стайна температура се променя с около 59 mV. Типична стойност д X за литиево-железно-фосфатна батерия, заредена до 60-80% при нормални условия, е 3,32-3,34 V.

На фиг. Фигура 6 показва експериментално измерената зависимост на NRC на батерията от степента на нейния заряд при стайна температура. Вижда се, че зависимостта на НРС от SoCнаистина е логаритмичен.

Ориз. Фиг. 6. Зависимост на NRC от нивото на заряд (в фракции от Сн) при t = 25±3 °C

Зависимостта на вътрешното съпротивление от степента на заряд на батерията

Разгледайте еквивалентната схема на фиг. 5 Б. Както показаха измерванията, времевата константа τ 1 = Редин · ° С 1 е около 10-100ms. Стойност Р 1 определя размера на вътрешното съпротивление Р int , които производителите на батерии предоставят в продуктовите си спецификации. Р int се дефинира тук като съотношението на дълбочината на спад на напрежението на батерията, когато към батерията се приложи стъпка на тока. При което Р int = Р 0 + Редин . Значение Р int определя тока, който батерията може да достави с външно метално късо съединение на нейните борове. характерна стойност Р int за батерия с капацитет 380 Ah е 0,3-0,4 mOhm. Времеконстанта τ 2 = Р 2 · ° С 2 е приблизително 10-20 минути и се определя от времето за отпускане на батерията, когато натоварването бъде отстранено или приложено към нея. Времевата константа τ 2 зависи от големината на протичащия ток и слабо зависи от степента на заряд на батерията.

Общото вътрешно съпротивление също слабо зависи от SoC. На фиг. Фигура 7 показва типична експериментално получена зависимост на вътрешното съпротивление на батерията LT-LYP380AH от степента на нейния заряд.

Ориз. 7. Зависимост на вътрешното съпротивление на батерията LT-LYP380AH от степента на нейния заряд

Р 0 - вътрешно съпротивление, измерено при променливо напрежение с честота 1 kHz (по време на измерването е използвано устройство Hioki 3554);
Р 1 - вътрешно съпротивление, измерено по метод 17 на GOST R IEC 896-1-95 (3) непосредствено след прилагане на текущата стъпка;
Р 2 - вътрешно съпротивление, измерено по метод 17 на GOST R IEC 896-1-95 (3) една минута след прилагане на текущата стъпка.

Може да се види, че когато степента на заряд е по-малка от 80%, вътрешното съпротивление на батерията слабо зависи от степента на нейния заряд. Увеличение на измерената стойност Р 2 при приближаване SoCдо 100% се определя от нарастването на поляризационния потенциал.

Поляризационен потенциал

Поляризационният потенциал се определя по различен начин в различните източници. Изхождайки от физическия смисъл, поляризационният потенциал е правилно да се дефинира като капацитетен заряден потенциал на електрод-електролитния диелектричен слой, който той има при зареждане/разреждане с ниски токове. Дефинира се като отклонението на измереното напрежение в батерията от напрежението на отворена верига, когато през нея протича ток, минус спада на напрежението във вътрешното съпротивление. Физическият смисъл е, че за да започне процесът на зареждане / разреждане на батерията, кондензаторът, образуван от прехода електрод-диелектрик-електролит, трябва да бъде зареден до определена стойност. Поляризационният потенциал е равен на общото зарядно напрежение на кондензаторите на двата електрода. Стойността на поляризационния потенциал за оловно-киселинна батерия е приблизително 150-180 mV. Тази стойност определя намаляването на напрежението на батерията по време на прехода й от режим на поддържащо зареждане (при напрежение 2,23 V) към режим на разреждане (до напрежение 2,05-2,08 V).

Експериментално е установено, че за LIB тази стойност е значително по-ниска и е приблизително 3–5 mV. Промяната в поляризационния потенциал се определя като промяна в напрежението на батерията по време на нейния преход от режим на зареждане с нисък ток (~0,5 A) към режим на разреждане също с нисък ток (~1,0 A). Фактът, че поляризационният потенциал на LIB е много по-нисък от този на оловно-киселинна батерия, очевидно се дължи на факта, че има фундаментална разлика между литиево-йонна и оловно-киселинна батерия. В случай на оловно-киселинна батерия, процесът на зареждане е придружен от химическа реакция на интерфейса електрод-електролит, свързана с превръщането на оловния сулфат в оловен диоксид и сярна киселина на един електрод и в метално олово и сярна киселина на другият. В процеса на разреждане протича обратна химическа реакция. В случая на LIB, това не се случва на интерфейса електрод-електролит. Процесът на зареждане/разреждане се дължи на свободното интеркалиране на литиеви йони от материала на катода към материала на анода и обратно.

Както бе споменато по-горе, при приближаване SoCдо 100%, възниква нелинейно увеличение на поляризационния потенциал, поради прехода към друг тип химична реакция, свързана с трансформацията на електролитното вещество.

Концепцията за 100% заредена батерия. Необходимостта от балансиране

LIB се държи по различен начин при зареждане от оловно-киселинната батерия. Самата концепция „батерията е заредена на 100%“ е различна за тях. Стандартът DIN 40729 определя пълното зареждане на оловно-киселинна батерия като зареждане с преобразуване на цялото активно вещество. По този начин 100% заредена оловно-киселинна батерия е батерия, в която целият оловен сулфат е превърнат в оловен метал (при отрицателния електрод) или в оловен диоксид (при положителния електрод), т.е. тази концепция съответства на много конкретно и недвусмислено определено състояние на електрохимичната система. Оловно-киселинната батерия по принцип не може да бъде заредена над 100%. Плаващото напрежение, което за класически обслужвани оловно-киселинни батерии е 2,23 волта при стайна температура, приблизително съответства на сумата от напрежението на отворена верига на напълно заредена батерия и нейния поляризационен потенциал.

За LIB „степента на заряд е 100%“ е относителна стойност. Тази концепция не дефинира еднозначно състоянието на една електрохимична система. Обикновено за 100% от заряда повечето производители на LIB LFP вземат заряда, който батерията е получила при зареждане с постоянен ток от 0,2 ОТдо достигане на напрежение от 3,7 V, последвано от преход към режим на зареждане при постоянно напрежение, докато зарядният ток намалее до стойност от 0,02 ОТ. Ако зареждането не бъде спряно в този момент, батерията може да продължи да се зарежда. В този случай, дори преди да достигне точката от 100%, батерията се доближава до прага, при който почти всички литиеви йони от катода се деинтеркалират, броят им става недостатъчен за поддържане на химическата реакция на същото ниво. В този случай паралелно се стартира друга химическа реакция, свързана с трансформацията на електролитното вещество (което също съдържа литиеви йони), което води до разграждане на батерията. Този фазов преход е придружен от нелинейно нарастване на поляризационния потенциал. Следователно, от една страна, по време на зареждане, зарядното напрежение на LIB е ограничено, от друга страна, в определен момент от време, по-нататъшното му зареждане се спира, в противен случай е възможно така нареченото презареждане, т.е. до състояние на зареждане над 100%.

Дългото презареждане на LIB води до намаляване на неговия капацитет, увеличаване на вътрешното съпротивление и NRC. Косвен признак, че LIB е бил в презаредено състояние за дълго време, е образуването на метален литий в материала на катода и съответно увеличаване на NRC. RPV на нормална LFP батерия, заредена до 60-80%, е 3,32-3,34 V. RRP на LFP батерия с литиев метал в катодния материал може да бъде 3,4-3,45 V.

Необходимостта от периодично балансиране на LIB в батерията е само следствие от описаното по-горе. Ако степента на заряд на LIB в батерията е напълно изравнена предварително, с течение на времето те ще станат небалансирани поради разликата в техните параметри (капацитет, стойност на саморазреждане, вътрешно съпротивление), дори ако батерията работи в режим на поддръжка режим на зареждане. Допълнителна трудност при балансирането на LFP батерии в батерия е, че те се характеризират със слаба зависимост на напрежението върху тях от степента на техния заряд.

Математически модел на процеса на зареждане на LIAB

Повечето производители на LIB препоръчват зареждането на тези батерии по метода CC / CV с преминаване към режим на зареждане при постоянно напрежение от 3,7-3,9 V. Този режим може да се използва за зареждане на една батерия, но не може да се използва за батерия, състояща се от серии -свързани батерии с разпределение на параметрите. При наближаване на състоянието на заряд от 100% възниква нелинейно увеличение на напрежението на батерията с най-малък капацитет (най-висока степен на заряд), което не може да бъде компенсирано от балансиращия ток. В този случай процесът на зареждане трябва да бъде спрян дори преди цялата батерия да е заредена на 100%.

За да се определи количествено влиянието на промяната на параметрите на батерията в батерията, беше разработен математически модел на нейното зареждане, което направи възможно извършването на анализ въз основа на относително прости изчисления. В същото време точността на резултатите е достатъчна, за да се определи допустимата вариация на параметрите на батериите в батерията и да се издадат препоръки относно режима на нейното зареждане. В този случай пренебрегваме влиянието на температурата върху процеса на зареждане: приема се, че зареждането се извършва при стайна температура.

За целите на анализа е достатъчно да се използва опростена еквивалентна схема (фиг. 8). Тази схема е правилна, ако вземем предвид относително бавни процеси, протичащи в батерията, чиито времеви константи са няколко десетки минути или повече, което е вярно за типичен процес на зареждане на батерията за няколко часа.

Ориз. 8. Опростена еквивалентна схема на батерията

В този случай ефектът на електрическия капацитет може да бъде пренебрегнат. ОТ 1 свързващ електрод - електролит и електрически капацитет ОТ 2, определена от градиента на напрегнатостта на електрическото поле в електролитното вещество, когато през него протича електрически ток. Така може да се вземе предвид само активната част от вътрешното съпротивление Р int , чиято стойност се приема постоянна по време на процеса на зареждане, тъй като, както беше показано по-горе, вътрешното съпротивление слабо зависи от степента на заряд. В този случай е необходимо правилно да се вземе предвид влиянието на поляризационния потенциал.

Математически модел на единична батерия

Въз основа на модела на фиг. 8, е възможно да се анализира влиянието на промяната на параметрите на батерията върху промяната на напрежението върху тях по време на зареждане и върху стойността на крайната степен на заряд, до която батерията може да бъде заредена. На фиг. Фигура 9 показва осреднения и изгладен профил на зареждане за батерията LT-LYP380 при 0,2 DC. ОТ, докато напрежението на батерията достигне 3,7 V с преход към режим на зареждане при постоянно напрежение от 3,7 V, докато токът падне до 0,02 ОТ. За батерия с капацитет 380 Ah ток 0,2 ОТще бъде равен на 76 A. При зареждане с други токове профилът на зареждане ще има качествено същия характер, но големината на спада на напрежението ще се различава от големината на спада на напрежението върху вътрешното съпротивление на батерията.

Ориз. 9. Изгладен профил на зареждане на батерията с ток от 0,2 C с преход към зареждане със стабилизирано напрежение от 3,7 V

При всеки ток напрежението на батерията се определя от следния израз:

Разгледайте функциите δ U out = f(δ ° С, δ Р int, δ Q 0). Тук δ U out - отклонение на напрежението на батерията като функция на някаква променлива. δ ° С, δ Р int, δ Q 0 - съответно отклонението на номиналния капацитет, вътрешното съпротивление и първоначалния заряд на батерията от някаква равновесна стойност. Чрез определяне на стойността на специфични функции е възможно да се определи влиянието на разпространението на конкретни параметри върху разпространението на напрежението и върху процеса на зареждане на батерията.

Влияние на дисперсията на стойностите на вътрешното съпротивление

Помислете за батерия от батерии с еднакъв капацитет от 380 Ah и различно вътрешно съпротивление Р int == Р 0int + δ Рвътр. Позволявам Р int1 = 1,0 mΩ, Р int2 = 1,2 mΩ (20%). Измерванията показват, че вътрешното съпротивление на батерията е относително слабо зависимо от степента на нейния заряд. Следователно от (5) можем да получим следния израз:

(6)

Нека токът на зареждане е 76 A (0,2 ОТн). Очевидно разликата в напреженията на двете батерии ще бъде равна на δ Uизвън = δ Р int · I (SoC)= = 16 mV по време на целия цикъл на зареждане и пада до нула към края на зареждането на батерията. В същото време разпространението на съпротивлението не намалява максимално допустимия заряд на батерията (фиг. 10).

Ориз. 10. Зависимост на напрежението на батерията от разпространението на съпротивлението

Ефект от разпространението на капацитета

Нека разгледаме отклонението на напрежението на батериите на акумулатора по време на зареждането му като функция на отклонението на капацитета им от равновесната стойност δ Uизвън = f(δ ° С):

По дефиниция, ° С = Q max - максималният заряд, до който може да се зареди батерията. От друга страна, SoC= Q/ Qмакс. Тъй като батериите в батерията са свързани последователно, при зареждане те получават еднакъв заряд. Q. По този начин, δ ° С ≈ -δ SoCпри приближаване SoCдо 100%.

Формула (7) може да бъде пренаписана в следния вид:

За да се анализира зависимостта на разпространението на напрежението от разпространението на капацитета, е допустимо да се анализира разпространението на напрежението от степента на неговия заряд. Помислете за функцията за зареждане "при нулев ток на зареждане":

Тук U(SoC) - функция за зареждане на батерията с ток 0,2 ОТ(чиято графика е показана на фиг. 9. Функцията U 0 (SoC) формално определя спада на напрежението в батерията, когато тя е „заредена“ с нулев ток до състояние на зареждане от 100%. Това предполага, че стойността U 0 не е ограничено отгоре. Функционален анализ на поведението U 0 и ще ви позволи да определите разпространението на напрежението на батерии с различна степен на заряд в батерията. Тъй като в линейната част на графиката на заряда поляризационният потенциал е практически независим от SOC, тогава неговото влияние в линейната част на графиката се взема предвид като допълнителна стойност на вътрешното съпротивление. В нелинейната част поляризационният потенциал определя поведението на функцията U 0 (SoC).

За по-лесен анализ, помислете за AB, състоящ се от три батерии. Нека капацитетът на първата батерия е ° С 0, секунда - ° С 0 - δ ° С, трето - ° С 0 + δ ° С. По този начин, по време на процеса на зареждане, нивото на заряд на втората батерия винаги ще бъде по-голямо от това на първата батерия с δ SoC ≈ δ ° С, третият - по-малко със същата стойност δ ° С. За категоричност разгледайте профила на зареждане, показан на фиг. 9. Таксата започва от държавата SoC= 0% DC 0,2 ОТдокато се достигне средното напрежение на батерията U av = 3.7V (общо 11.1V на батерия). След това има преход към режим на зареждане при средно напрежение на батерията от 3,7 V с намаляване на тока до 0,02 ОТ.

За анализ използваме функцията за таксуване U 0 (SoC). Средната стойност на напрежението на батериите се определя от зарядното устройство и е равна на Uа.в. Отклонение на напрежението на батерията δ U i от средната стойност се определя от разпространението на степента на заряд δ SoCаз Това е илюстрирано на фиг. единадесет.

Ориз. 11. Пример, обясняващ принципа за определяне на разпространението на напрежението върху батериите

За всяка стойност SoC 0 израза са валидни:

В този случай е необходимо да се вземат предвид физическите ограничения, свързани с факта, че напрежението на отделна батерия не може да бъде по-ниско от Uмин.:

тъй като неизпълнението на това условие би означавало промяна на знака на поляризационния потенциал и прекратяване на процеса на зареждане на батерията.

На фиг. 12 показва графика на зареждане на батерията с ток 0,2 ОТдокато средното напрежение на батерията достигне 3,7 V с преминаване към режим на зареждане при това напрежение. Разликата на капацитета е ±2,5%. Когато нивото на зареждане достигне 94%, напрежението на батерия 2 става по-високо от 3,7 V и в този момент зареждането трябва да бъде спряно. Прекъсването на криви 1 и 3 се обяснява с факта, че кривата на напрежението на батерия 2 нараства много бързо (като хиперболична функция). При изчисляване на батерия, състояща се от по-голям брой елементи, това прекъсване се изглажда. Така може да се види, че при средно напрежение на батерията от 3,7 V, максималната степен на заряд, до която батерията може да бъде заредена, е 94%.

Ориз. 12. Графика на зависимостта на разпространението на напрежението върху батериите от разпространението на SoC при зареждане до средно напрежение от 3,7 V

Практически е невъзможно да се зареди батерия от много батерии с диапазон от параметри до средно напрежение на батерията от 3,7 V. Ситуацията може да се подобри чрез специални методи за зареждане, базирани на организирането на обратна връзка между системата за управление на батерията и зарядното устройство и включващи намаляване на тока на зареждане на батерията до балансиране на текущата стойност, въпреки че това значително увеличава времето за зареждане. Можете също да опитате да намалите средното напрежение на зареждане на отделна батерия в батерията.

Степента на заряд, постижима при различни нива на стабилизиращо напрежение

Стойността на преходното напрежение от режим CC към режим CV влияе върху степента на зареждане на батерията, когато зарядният ток спадне до 0,02 ОТ.

На фиг. 13а показва зависимостта на напрежението от времето за зареждане при различни стойности на преходното напрежение към режим CV. На фиг. 13б - зависимост на тока от времето за зареждане. На графиките преходното напрежение към режим CV е: 1 - 3,7 V; 2 - 3,6 V; 3 - 3,5 V; 4 - 3,4 V.

Ориз. 13. Зависимост от времето при различни стойности на преходното напрежение към CV режим:
а) напрежение на батерията
б) ток на зареждане на батерията

На фиг. 14а показва зависимостта на времето за зареждане на батерията, докато токът на зареждане намалее до 0,02 ОТвърху стойността на преходното напрежение в режим CV. На фиг. 14б - зависимост на постижимата степен на заряд от зарядното напрежение. Може да се види, че когато стойността на преходното напрежение към режим CV се промени от 3,7 до 3,45 V, времето за зареждане на батерията и степента, до която е заредена, почти не се променят. Това означава, че батерията, както и отделна батерия, могат да бъдат заредени до по-ниско напрежение, например до 3,4-3,45 V, с последващ преход към режим на зареждане със стабилизирано напрежение. Недостатъкът на този метод е, че времето за зареждане на една батерия леко се увеличава.

Ориз. 14. Зависимост:
а) време на зареждане до спадане на тока до 0,02 С от стойността на преходното напрежение към режим CV;
б) постижима степен на заряд от зарядното напрежение

На фиг. 15а показва графика на зареждане на батерията с ток от 0,2 C до достигане на средно напрежение на батерията от 3,4 V, с преход към режим на зареждане при това напрежение. Разликата на капацитета е ±2,5%. Зареждането беше спряно, когато токът намаля до 0,02 C, докато степента на зареждане на батерията беше 96%. На фиг. 15b показва същата графика във времева скала.

Ориз. 15. Графика на зависимостта на разпространението на стойностите на напрежението върху батерии 1 (δ ° С= 0%), 2 (δ ОТ= +2,5%) и 3 (δ ОТ = -2,5 %)

По този начин, когато зареждате батерия, състояща се от последователно свързани LFP LIBs, е полезно да се намали средното напрежение на зареждане до 3,4-3,45 V. Точната стойност на средното напрежение на зареждане трябва да се определи за определен тип батерия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Статията разглежда модела LIB LFP като активна двутерминална мрежа, чиито параметри (напрежение на генератора и вътрешно съпротивление) зависят нелинейно от тока на зареждане/разреждане, степента на зареждане и температурата. Използвани са експериментални данни за определяне на параметрите на модела.

Разгледана е еквивалентна схема, която най-адекватно описва поведението на батерията по време на зареждане и зависимостта на основните й параметри от степента на зареждане, и са представени експериментални данни. На прост модел се анализира поведението на LIAB по време на зареждането му и влиянието на разсейването на параметрите на отделните батерии върху този процес.

Въз основа на изчисленията бяха получени препоръки относно параметрите на зарядното напрежение на LFP батерията. Показано е, че стойността на средното напрежение, приложено към батерията при зареждане на батерията, трябва да бъде намалена до 3,4-3,45 V. Конкретната стойност трябва да се определи въз основа на зависимостта на NRC от степента на заряд за определен тип батерия.

ЛИТЕРАТУРА

Chen M., Rincon-Mora G.A. Точен модел на електрическа батерия, способен да предвиди времето на работа и I-V производителност // IEEE Transactions on Energy Conversion, v. 21, бр. 2 юни 2006 г.
Албер Г. Омични измервания: Историята и фактите. [http://www.alber.com/Docs/Brochure_WhitePaperG_Alber.pdf]
GOST R IEC 896-1-95. Оловно-киселинни стационарни батерии. Общи изисквания и методи за изпитване. Част 1. Отворени типове.
DIN 40729. Акумулатори; Galvanische Sekundrelemente; Grundbegriffe.
Кедрински И.А., Дмитренко В.Е., Грудянов И.И. Литиеви източници на ток. М.: Енергоиздат, 1992. 240 с.