Vedci vytvorili kompletný model batérie, detailne spracovaný na úroveň jednotlivých atómov. Model batérie Matematický model systému riadenia batérie

Pokiaľ ide o vývoj nových špičkových a miniatúrnych zariadení, prekážkou v tomto odvetví sú batérie. V súčasnosti je to cítiť najmä v oblasti výroby a prevádzky elektromobilov, v záložných zásobníkoch energie pre energetické siete a samozrejme v spotrebnej miniatúrnej elektronike. Na splnenie dnešných požiadaviek musia zariadenia na ukladanie energie, ktoré zjavne nedržali krok s vývojom všetkých ostatných technológií, poskytovať viac akumulovanej energie s veľkým počtom cyklov nabíjania a vybíjania, musia mať vysokú hustotu akumulácie energie a poskytovať vysokú dynamiku. výkon.

Tvorba a testovanie nových batérie rôzne druhy je náročný proces, ktorý trvá pomerne dlho, čo ho robí veľmi drahým. Preto by pre elektrochemických vedcov bola možnosť vykonávať podrobné simulácie pred začatím praktických experimentov skutočným prínosom. Ale až donedávna nebol nikto schopný vytvoriť matematický model batérie, detailný na úroveň jednotlivých atómov, kvôli zložitosti takéhoto modelu a kvôli obmedzeniam. existujúce fondy matematického modelovania.

To sa však teraz zmenilo, a to vďaka práci dvoch nemeckých výskumníkov, Wolfa Dappa z Inštitútu pre pokročilú simuláciu a Martina Musera z univerzity v Saarlandes. Títo vedci vytvorili kompletný matematický model batérie a urobili jeho výpočty až na úroveň jednotlivých atómov. Treba poznamenať, že podľa výsledkov simulácie sa vlastnosti „matematickej batérie“ do značnej miery zhodujú s vlastnosťami skutočných batérií, s ktorými sme všetci zvyknutí narábať.

V posledných rokoch špecialisti na informačné technológie opakovane vytvárali modely batérií, ale všetky tieto modely pracovali na oveľa väčšej úrovni ako úroveň jednotlivých atómov a spoliehali sa na údaje a parametre, ktoré boli získané experimentálne, ako je iónová a elektronická vodivosť, koeficienty šírenia, prúdová hustota, elektrochemické potenciály atď.

Takéto modely majú jednu vážnu nevýhodu - pracujú extrémne nepresne alebo nefungujú vôbec, pokiaľ ide o nové materiály a ich kombinácie, ktorých vlastnosti nie sú úplne pochopené alebo vôbec nie sú študované. A aby bolo možné úplne vypočítať správanie batérie nových materiálov ako celku, elektrochemici musia vykonať simulácie na úrovni jednotlivých molekúl, iónov a atómov.

Ak chcete modelovať batériu ako celok, počítačový model musí vypočítať akékoľvek zmeny energie, chemických a elektrochemických potenciálov v každom kroku výpočtu. Presne toto sa podarilo Deppovi a Muzrovi uvedomiť. V ich modeli je elektrická energia premennou, ktorej hodnota je určená interakciou atómov, väzieb medzi atómami a iónmi v každej fáze výpočtov.

Prirodzene, výskumníci museli urobiť ústupky realite. Matematická batéria je ďaleko od batérie, ktorú môžete dostať von mobilný telefón. Matematický model „nanobatérie“ pozostáva len z 358 atómov, z toho 118 atómov je v materiáli elektród, katódy a anódy. Podľa počiatočných podmienok je katóda pokrytá vrstvou 20 atómov elektrolytickej látky a v samotnom elektrolyte je iba 39 kladne nabitých iónov.

Ale napriek tejto zdanlivej jednoduchosti, toto matematický model na svoje výpočty potrebuje veľa výpočtového výkonu. Prirodzene, celé modelovanie sa vykonáva v škále diskrétnych jednotiek, krokov a na celý cyklus výpočtov je potrebných najmenej 10 miliónov krokov, z ktorých každý vykonáva sériu mimoriadne zložitých matematických výpočtov.

Výskumníci uvádzajú, že model, ktorý vytvorili, je len dôkazom princípov fungovania, ktoré použili, a existuje niekoľko spôsobov, ako tento model vylepšiť. V budúcnosti sa chystajú skomplikovať model, ktorý vytvorili tým, že prezentujú roztok elektrolytu ako súbor častíc, ktoré majú stacionárny nabíjačka. To spolu so zvýšením počtu atómov v modeli bude vyžadovať, aby výpočet modelu vyžadoval výkon nie najslabšieho superpočítača, ale stojí to za to, pretože takýto výskum môže viesť k vytvoreniu nových zdrojov energie. ktorý spôsobí revolúciu v oblasti prenosnej elektroniky.

Ako rukopis

IOANESYAN ALEXEY VILYAMOVICH

SIMULÁCIA STACIONÁRNYCH REŽIMOV PREVÁDZKY BATÉRIE ELEKTRICKÉHO VOZIDLA

Špecialita 05.09.03 - Elektrické komplexy a systémy

Dizertačné práce pre diplom

Kandidát technických vied

Moskva - 2009

Práca bola vykonaná na Katedre "Elektrotechniky a elektrických zariadení" Moskovského automobilového a cestného inštitútu (Štátna technická univerzita)

Vedúca organizácia: Federal State Unitary Enterprise Research and Experimental Institute of Automotive Electronics and Electrical Equipment (FSUE NIIAE), Moskva.

Obhajoba sa uskutoční dňa 24. novembra 2009 o 10:00 na zasadnutí Rady pre dizertáciu D.212.126.05 na Moskovskom automobilovom a cestnom inštitúte (Štátna technická univerzita) na adrese:

125329 GSP A-47, Moskva, Leningradsky pr., 64.

Dizertačnú prácu nájdete v knižnici MADI (GTU)

Vedecký tajomník

dizertačná rada,

Kandidát technických vied, docent Mikhailova N.V.

všeobecný popis práce

Relevantnosť problému

Automobil je zdrojom emisií asi 200 rôznych plynov a chemických zlúčenín, ktoré zhoršujú ekologický stav životného prostredia. Rast objemu výroby a vozového parku vo svete vedie k zvyšovaniu emisií výfukových plynov hlavne vo veľkých mestách. Automobily sú navyše jedným z hlavných spotrebiteľov uhľovodíkových palív, ktorých zásoby surovín na výrobu sú obmedzené. Sprísnenie environmentálnych požiadaviek na autá, sprevádzané rastúcimi cenami uhľovodíkových palív, zintenzívnilo prácu na vytváraní alternatívnych spôsobov dopravy vrátane elektrických vozidiel (EV).

V súčasnosti najväčšie automobilky (General Motors, Ford, Daimler-Chrysler, Toyota, Honda, Nissan, Mazda atď.) intenzívne pracujú na dizajne a výrobe elektromobilov. Pokiaľ ide o charakteristiky, ako je dojazd a nosnosť, niektoré moderné modely elektrických vozidiel sa približujú tradičným autám, ale ich hlavnou nevýhodou je vysoká cena.

Charakteristiky elektrického vozidla a jeho cena sú do značnej miery určené parametrami použitej elektrárne a najmä akumulátora (AB). Na optimalizáciu parametrov elektrárne, výpočet charakteristík elektrického vozidla a určenie jeho účinnosti v porovnaní s tradičným automobilom sú hlavnými nástrojmi matematické a simulačné modelovanie.

Najťažšou úlohou pri stavbe modelu elektromobilu je simulovať činnosť AB počas jeho nestacionárneho vybíjania a nabíjania na elektromobile. Výpočet a analýza parametrov batérie je potrebný aj v systéme riadenia batérie na elektromobile, ktorý poskytuje optimálne prevádzkové podmienky, zvyšuje životnosť, zabraňuje prebíjaniu a nadmernému vybíjaniu, zaisťuje bezpečnosť prevádzky a informuje vodiča o stave nabitia a iné parametre batérie.

Dizertačná práca je venovaná vývoju modelov pohybu elektromobilu a štúdiu nestacionárnych režimov prevádzky batérie elektromobilu, čo sa v súčasnosti javí ako veľmi aktuálne.

Účel a hlavné ciele štúdie

cieľ tejto práce je vytvorenie zovšeobecneného simulačného modelu pohybu elektromobilu a výber charakteristík AB pre dané režimy pohybu elektromobilu.

V súlade s cieľom stanoveným v dizertačnej práci sa riešia tieto úlohy:

analýza a systematizácia metód a modelov na výpočet charakteristík batérií;
formalizácia spôsobu spracovania a analýzy štatistických údajov a simulačných experimentov na analýzu charakteristík výboja;
vývoj simulačného modelu nestacionárneho pohybu elektrického vozidla;
vývoj metodológie na integráciu heterogénnych EM komponentov;
nastavenie a riešenie optimalizačných problémov na simulačnom modeli.

Výskumné metódy

Teoretický základ dizertačné práce sú všeobecná teória systémov, optimalizačné metódy, náhodné procesy, simulačné modelovanie, operačný výskum, regresná analýza, analýza rozptylu a iné.

Vedecká novinka

Vedecká novinka Práca pozostáva z metód a modelov nestacionárnych režimov prevádzky AB elektrického vozidla. Na obhajobu sa predkladajú:

agregovaná procesná reprezentácia simulačného modelu nestacionárneho pohybu EM;
modely nestacionárnych náhodných procesov dynamiky EM pohybu a AB náboja/výboja;
modely klasifikácie typov AB a problém výberu typov pre dané charakteristiky EM pohybu;
implementácia softvéru EM simulačný model;
optimalizačné algoritmy na EM simulačnom modeli.

Platnosť vedeckých ustanovení, odporúčaní a záverov uvedených v práci je daná správnym použitím moderných matematických metód, dôslednou porovnávacou analýzou experimentálnych závislostí s výsledkami simulačného experimentu. Spoľahlivosť ustanovení a záverov dizertačnej práce potvrdzujú pozitívne výsledky implementácie vývoja v rade veľkých organizácií.

Praktická hodnota a realizácia výsledkov práce

Vedecké výsledky získané v dizertačnej práci sú uvedené do praktické využitie. Bol vyvinutý softvérový simulačný komplex, ktorý umožňuje interaktívne využívať prevádzkové údaje o stave procesov na rozhodovanie o výbere charakteristík AB elektrického vozidla. Vyvinuté metódy a algoritmy boli testované a implementované pre praktické použitie v CJSC MS LOGISTICS, GNPP KVANT a sú tiež používané v vzdelávací proces v MADI (GTU). Výsledky implementácie a prevádzky potvrdili efektívnosť a efektívnosť vyvinutých metód.

Schválenie práce

Obsah častí dizertačnej práce nahlásil a schválil:

na republikových a medziregionálnych vedecko-technických konferenciách, sympóziách a seminároch (2003-2009);
na stretnutí katedry „Elektrotechnika a elektrotechnické zariadenia“ MADI (GTU).

Štruktúra práce zodpovedá zoznamu uvedených úloh, obsahuje popis vypracovaných metód, modelov a techník.

V úvode zdôvodní sa relevantnosť práce, určí sa cieľ a vytýčia sa hlavné úlohy štúdia.

V prvej kapitole dizertačná práca klasifikovaná modernými AB, definovala ich hlavné charakteristiky. Bola vykonaná systematizácia známych metód na výpočet charakteristík AB a bola posúdená možnosť ich aplikácie pri modelovaní nestacionárneho zaťaženia.

Charakteristiky EM sú určené hlavne ukazovateľmi palubných zdrojov elektrickej energie. Olovené (PbAcid), nikel-kadmium (Ni-Cd), nikel-metal hydridové (Ni-MH) batérie a batérie na báze lítia (Li-Ion, Li-Metal, Li-Polymer)

Pri analýze charakteristík rôznych typov batérií deklarovaných výrobcami možno rozlíšiť dve skupiny: vysokoenergetické (trakčné) batérie používané v „čistých“ elektrických vozidlách a vysokovýkonné (impulzné) batérie.

Špecifická energia batérií prvej skupiny dosahuje 35 Wh/kg pre olovené batérie; nikel-kadmium - 45 Wh / kg. Tieto batérie sa vyznačujú nízkou cenou, ale ich použitie výrazne znižuje výkon a obmedzuje rozsah EM.

Nikel-metal hydridové batérie sú perspektívne E m= 80 W∙h/kg, P m=200 W/kg, lítium-iónové batérie E m=140 W∙h/kg, P m=420 W/kg a ich verzia s polymérovým elektrolytom (Li-Polymer) E m=205 W∙h/kg, P m= 420 W/kg. Špecifické hodnoty energie sú uvedené pre 3-hodinový režim vybíjania a hodnoty výkonu zodpovedajú 30 s impulzu pri 80% nabití.

Uvedené špecifické vlastnosti batérií nestačia na porovnanie efektívnosti ich použitia na EM, preto je hlavným cieľom dizertačnej práce modelovať nestacionárne zaťaženie AB na EM, pre ktoré je navrhnutý model „čiernej skrinky“ s využitím klasického metódy plánovania experimentov.

Podľa študovaných parametrov (vstup a výstup) možno rozlíšiť tieto skupiny metód:

metódy na opis rodiny vybíjacích kriviek - závislosti U=f( ja, t) pri danej hodnote konštantnej teploty ( T= konšt.);
výpočet maximálnej doby vybíjania (kapacita batérie) v závislosti od vybíjacieho prúdu;
metódy zjednodušeného výpočtu nestacionárneho vypúšťania AB, t.j. vybíjanie s časovo premenlivým vybíjacím prúdom alebo spotrebou energie [ t m=f( ja), ja=var alebo t m=f(P) P=var];
určenie koncového momentu výboja AB pri danom prúde, čo sa využíva nielen pri simulácii EM, ale aj v riadiacom systéme AB priamo na palube EM;
komplexné metódy, ktoré určujú závislosti U=f( ja, t, T) a t m=f( ja).

Analýza vykonaná v práci ukázala, že rozdelenie metód na modelovanie činnosti AB na popis procesu vybíjania a nabíjania je veľmi podmienené, pretože väčšina metód na výpočet skupiny vybíjacích kriviek je použiteľná aj na opis charakteristiky dočasného nabíjania.

Najznámejšia je metóda analytického popisu výtokových charakteristík AB, ktorú navrhol Shepherd. Táto metóda vám umožňuje opísať závislosť U= f( ja,t) ako:

(1)

kde E s - počiatočné vybíjacie napätie, V; K- polarizačný koeficient, Ohm∙cm; N- vnútorný odpor prvku, Ohm∙cm; Q- množstvo (kapacita) aktívneho materiálu, Ah/prvok; ja- vybíjací prúd, A; t- čas vybíjania, h; ALE- empirický koeficient, V; AT- empirický koeficient; OD- koeficient, (V ∙ cm) / (A ∙ sec).

Hlavnou nevýhodou metódy je, že koeficienty sa vyberajú pre určitý rozsah výbojové prúdy a pri prekročení tohto rozsahu sa aproximačná chyba výrazne zvyšuje.

Jednou z najjednoduchších a najpresnejších metód na hodnotenie charakteristík AB, keď je zaťažený časovo premenlivým prúdom, je Hoxseyho metóda. Metóda je založená na Peukertovom vzťahu, ktorý určuje závislosť maximálnej kapacity batérie (doby vybíjania) od vybíjacieho prúdu

kde ja 1 , ja 2 … ja z sú hodnoty prúdov v sekciách výbojového grafu ja=f( t); t 1 , t 2 ...t z- doba vybíjania zodpovedajúcimi prúdmi ja 1 , ja 2 … ja z .

V tomto modeli aktuálny graf ja=f( t) predstavuje po častiach konštantnú funkciu rozdelenú na z sekcií. Peukertove koeficienty sú určené pre pracovný rozsah prúdov. Na vyriešenie Hoxseyho rovnice sa na určenie používa vyhľadávací algoritmus t m za predpokladu, že pravá strana rovnice sa rovná jednotke.

Uplatňuje sa túto metódu na výpočet elektrického vozidla, nastavenie ako počiatočný graf ja=f( t) zmena prúdu batérie v jazdnom cykle, môžete vypočítať maximálny počet cyklov, ktoré elektromobil vykoná, kým sa batéria úplne vybije N c =t m /t c, kde t c je trvanie jedného cyklu.

V práci bola na základe simulačného experimentu posúdená presnosť viacerých metód pre zjednodušený výpočet nestacionárneho zaťaženia AB pri pohybe EM v cykle SAE j 227C (tabuľka 1. ). Uvažovalo sa o EM s AB OPTIMA YellowTop D 1000 S (na EM bolo inštalovaných 10 sériovo zapojených AB s celkovou hmotnosťou 195 kg).

Výsledky výpočtu pohybu elektrického vozidla

	Počet cyklov	t m, h	ja ekv, ALE	L, km
Hoxseyho metóda	13,8	0,31	114	7,5
Metóda ekvivalentného prúdu	15,6	0,35	103	8,5
Metóda zlomkového využitia	16,9			9,1
Simulačný model EM pohybu	14,6		132	7,9

Vykonaná štúdia ukázala konzistentnosť výsledkov simulačného modelovania a výsledkov Hoxseyho. Je však potrebné vziať do úvahy, že značná nepresnosť môže byť zavedená rozdelením pôvodného rozvrhu zaťaženia na intervaly s konštantnou hodnotou prúdu alebo výkonu.

Na základe výskumu realizovaného v dizertačnej práci pre modelovanie nestacionárneho zaťaženia AB pri rôznych režimoch a podmienkach EM pohybu sa navrhuje použiť hybridné analytické a simulačné modely založené na dekompozičnom prístupe, ktorý je založený na nasledujúcich axiómach: teória komplexných systémov: Hierarchia: ak  0 je podsystémom systému  a ( …) je mierou zložitosti, potom ( 0)(), t.j. subsystém nemôže byť zložitejší ako systém ako celok. Paralelné zapojenie: ak = 1  2 ….. k , t.j.  je paralelné spojenie podsystémov , potom
. Sériové pripojenie: ak = 1 + 2 +…+ k , t.j.  je sériové pripojenie podsystémy  i , potom () ( 1)+( 2)+... ( k). Spätná väzba (FB): ak existuje operácia FB  zo subsystému  2 do subsystému  1, potom Uvedené vlastnosti komplexného systému umožňujú možnosť zníženia jeho zdanlivej zložitosti spájaním jednotlivých premenných do podsystémov. Pri takomto rozklade je cieľom zjednodušiť analýzu systému, pretože ho považujeme za voľne prepojenú množinu interagujúcich subsystémov.

V druhej kapitole je položená a vyriešená úloha formalizácie princípov konštrukcie simulačného modelu EM. Fungovanie je chápané ako proces zmeny svojho stavu v čase. Modelovanie procesu ako celku by malo zahŕňať model vozovky, modely interakcie kolesa s vozovkou, modely samotného stroja, prevodovky a iné, pričom všetky sú vzájomne prepojené a vnorené do seba (obr. 2.).

Predpokladá sa, že systém je súbor parametrov
(vlhkosť, uhol natočenia atď.). Každý parameter q preberám množinu číselných hodnôt( q i). Definujte pomocou stave proces ako celok, ako s j =, kde q i j ( q i). Proces Z sú tu štyri: Z=S, T, F,  >, kde S- stavový priestor; T- súbor časov zmeny stavu; F- fázová charakteristika procesu, definovaná ako premena stavu v čase F:T S,  - lineárny vzťah objednávky na T.

Časový interval pre modelovanie pohybu EM je [ t H, t K], kde
,
. Za predpokladu, že na oddelené sekcie EM sa správa celkom jednotne, je možné celý proces rozložiť na podprocesy. Podproces existuje podmnožina procesu Z v časovom intervale [ t ja; t j]. Koncept podprocesu nám umožňuje považovať proces za postupnosť podprocesov. Na zabezpečenie správnosti popisov fungovania systému ako celku aj jeho komponentov sa zavádza množstvo operácií nad procesmi.

Proces Z 1 \u003d S 1, T 1 , F 1 ,  1 > predstavuje konvolúciu procesu Z, ak sa získa ako výsledok nasledujúcich transformácií: a) úplné rozdelenie intervalu definície procesu Z do n podintervalov [ j ,  j+1 ], kde j=1..n, a  1 = t H, n+1 = t Komu . Potom dostaneme rozdelenie procesu Z pre n podprocesov Z j(j=l..n); b) dať do súladu s každým čiastkovým procesom Z j jedna štátna hodnota od mnohých S 1 a jednorazovú hodnotu  j z intervalu [ j ,  j+1 ]. Operácia zametania je opakom operácie konvolúcie: procesu Z je procesné zametanie Z 1 . Proces Z 1 je projekcia procesu Z do súradnicového priestoru
(notácia
), ak Q 1 Q.

Nech sú dané procesy Z 1 =, T 1 , F 1,  1 > a Z 2 =, T 2 , F 2,  2 >. Proces Z=, T, F, > je spojenie procesov Z 1 a Z 2 (označenie Z=Z 1 Z 2) ak: S Q je spojenie medzier a
.

Zavedené operácie umožňujú vytvárať formalizovaný popis ako jednotlivých zložiek procesov (profil vozovky, dynamická zmena charakteristík dopravy a pod.), tak aj vzájomné pôsobenie zložiek celého systému.

Model pohybu EM zahŕňa komponenty uvedené nižšie.

Mechanický model

Keď sa EM pohybuje po cestnom úseku so suchou, rovnomernou asfaltobetónovou vozovkou bez sklonu, sila odporu pohybu F c je tvorený silou valivého odporu F ck a sila odporu vzduchu F St. :

(4)

kde f– koeficient valivého odporu; m je celková hmotnosť elektrického vozidla, kg; g- zrýchlenie voľného pádu, m/s 2, K v- koeficient odporu vzduchu, N s 2 / m 4; S- ofukovacia plocha, m 2; V– EM rýchlosť, km/h;

Sila odporu proti pohybu vytvára moment odporu na EM kolese, ktorý sa pri zohľadnení prevodových pomerov prevodovky privedie na hriadeľ motora, berúc do úvahy účinnosť prevodovky.

Teda moment odporu voči pohybu na hriadeli motora
kde r k – polomer valenia kolesa, m; i tr - prevodový pomer; tr - účinnosť prenosu.

Okrem toho musí model mechanickej časti brať do úvahy pohyb EM pozdĺž úseku cesty so sklonom (stúpanie alebo klesanie) a odpor voči pohybu v dôsledku nerovnosti vozovky. Pri modelovaní pohybu EV v klesaniach treba brať do úvahy rekuperáciu brzdnej energie.

Model motora

Ako trakčný elektromotor EM bol v práci uvažovaný motor priamy prúd(DPT). So všetkými známymi nedostatkami tohto typu motorov vám DPT umožňuje nastaviť rýchlosť v širokom rozsahu najviac jednoduchými spôsobmi. Okrem toho je možné modelovať mnoho rôznych typov výkonových charakteristík pomocou nezávislého budiaceho motora zmenou napätia a nastavením akýchkoľvek zákonov kolísania prúdu poľa ako funkcie prúdu kotvy.

Moment na hriadeli motora sa určuje na základe:

(5)

Čistý výkon R 2 určí sa z rozdielu Р 2 = Р 1 -  P P, kde R1 - energia spotrebovaná z batérie;  P P- celkové straty výkonu v elektromotore.

V simulačnom modeli elektromotora sa v každom kroku vypočíta celková strata výkonu na základe konštrukčných parametrov jednosmerného motora a voľnobežnej charakteristiky získanej počas testovania. E = f(ja c) pri konštantnej frekvencii otáčania hriadeľa motora.

Napriek tendencii používať asynchrónne motory alebo bezkontaktné motory s permanentnými magnetmi na EM ako trakčné motory, zváženie DCF zostáva najpohodlnejšie a úplne postačujúce pri riešení problémov EM simulácie na získanie obrazu zaťaženia AB.

Model riadiaceho systému

Existujú tri spôsoby riadenia otáčok hriadeľa nezávislého budiaceho jednosmerného motora: zmenou napätia kotvy, zmenou magnetického toku alebo zmenou odporu v obvode kotvy. Na simuláciu zrýchlenia EM boli použité prvé dve metódy, ktorých kombinácia sa bežne nazýva dvojzónová regulácia. Pre zjednodušenie výpočtu bol prúd kotvy počas zrýchlenia udržiavaný konštantný: v prvom stupni zvýšením napätia, v druhom stupni znížením magnetického toku. Po dosiahnutí určitej rýchlosti sa magnetický tok zafixuje, čo zaistí, že po chvíli sa elektromobil dostane do režimu pohybu s ustálenou rýchlosťou.

Regulácia napätia motora U D možno vykonať pomocou tyristorového riadiaceho zariadenia metódou regulácie šírky impulzu; počas pracovného cyklu   sa mení z 0 na 1:

(6)

kde U B- napätie batérie, V; t- trvanie napäťového impulzu U D, S; T je perióda opakovania pulzu, s.

Model režimu jazdy

Práca simuluje pohyb elektrického vozidla ako v štandardnom testovacom cykle SAE j 227 C a v režime vytvorenom na základe experimentálnych cestovných poriadkov. Cyklus SAE j 227 C je jedným z najviac stresujúcich. Jazda na cyklus je 537 m, priemerná rýchlosť je 25 km / h, priemerné zrýchlenie pri zrýchlení je 0,74 m / s 2, pri brzdení - 1,23 m / s 2.

Na základe experimentálnych pohybových plánov bola vyvinutá metóda vytvárania spôsobu pohybu náhodným výberom cyklov a vytváraním ich náhodnej postupnosti. Napodobnila sa tak neusporiadaná mestská doprava.

Pohybové režimy získané na základe experimentálnych údajov sa výrazne líšia od pohybových režimov v cykle SAE j 227 C, najmä pri výpočte pre skutočné režimy pohybom bola dosiahnutá nižšia merná spotreba energie (260 Wh/km) ako pri pohybe v cykle (390 Wh/km).

Model batérie

V prvej kapitole dizertačnej práce boli uvažované známe metódy na aproximáciu výbojových kriviek AB pri konštantných hodnotách prúdu. Tieto metódy sú statické, t.j. neberte do úvahy zmenu režimu vybíjania batérie, ktorá sa neustále vyskytuje na elektrickom vozidle. Pri modelovaní nestacionárneho zaťaženia batérie je potrebné brať do úvahy závislosť maximálnej kapacity batérie od vybíjacieho prúdu. Na to je najvhodnejšia Peukertova rovnica (2).

Na obr.3. je prezentovaný zjednodušený algoritmus, ktorý umožňuje určiť napätie batérie v každom kroku výpočtu v simulačnom modeli pohybu elektrického vozidla.

Tento prístup k výpočtu nestacionárneho výboja AB možno rozšíriť aj na popis nestacionárneho náboja, ktorý vzniká pri regeneratívnom brzdení.

Konečným cieľom vývoja modelu elektrického vozidla je určiť jeho výkon a charakteristiky batérie v danom jazdnom režime. Ako hlavné parametre boli brané:

najazdené kilometre (výkonová rezerva);
spotreba energie počas pohybu;
spotreba energie na jednotku koľaje a nosnosť;
špecifická energia dodávaná batériou.

Počiatočné údaje pre výpočet sú:

parametre batérie a (alebo) zariadenia na ukladanie energie: skupina charakteristík dočasného vybíjania a nabíjania pre aktuálne hodnoty v prevádzkovom rozsahu pri konštantnej teplote, hmotnosť batériového modulu a doplnkového vybavenia, počet inštalovaných modulov, atď.;
parametre motora: menovitý prúd a napätie, odpor obvodu kotvy a budiaceho vinutia, konštrukčné údaje, charakteristika naprázdno a pod.;
parametre základného vozidla: celková hmotnosť, prevodové pomery prevodovky a rozvodovky, účinnosť prevodovky, moment zotrvačnosti a polomer valenia kolesa, koeficient odporu vzduchu, aerodynamický povrch, koeficient valivého odporu, nosnosť atď.;
parametre jazdného režimu.

V tretej kapitole Na vyvinutom simulačnom modeli bola vykonaná dizertačná práca, analýza experimentov a modelových údajov a vyriešený problém výberu parametrov AB.

Pri modelovaní pohybu EM v cykle SAE j 227 C boli výsledky získané s dátovou štruktúrou uvedenou v tabuľke 2.

Výsledky faktorovej analýzy (tab. 3.) ukázali, že už tri faktory určujú 97 % informácií, čo môže výrazne znížiť počet latentných faktorov a tým aj rozmer simulačného modelu.

Výsledky výpočtu hlavných ukazovateľov výkonu EM počas pretaktovania.


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	-

Výsledky faktorovej analýzy (tab. 3.) ukázali, že už tri faktory poskytujú 97 % informácií, čo môže výrazne znížiť počet latentných faktorov a tým aj rozmer simulačného modelu.

Na objasnenie analytickej prezentácie vybíjacích charakteristík AB 6EM-145, z ktorých je vytvorená batéria elektrického vozidla s celkovou hmotnosťou 3,5 tony a hmotnosťou batérie 700 kg, s cieľom študovať možnosť krátkodobého dobíjanie AB počas pracovnej zmeny a v dôsledku toho zvýšenie počtu najazdených kilometrov, bol vykonaný experiment na testovanie batérie 6EM-145 podľa špeciálny program. Experiment prebiehal 2 mesiace na 2 batériách 6EM-145.

Informativita abstraktných faktorov

	Vlastná hodnota	Percentuálny rozptyl	Kumulatívne vlastné hodnoty	Kumulovaný percentuálny rozptyl
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

Testy sa uskutočnili podľa nasledujúceho postupu:

Nabíjanie dvojstupňovým prúdom 23A a 11,5A (odporúčané výrobcom batérie)
Kontrolný výboj (podľa odporúčania výrobcu) prúdom 145A do minimálnej hodnoty napätia 9V.
Nabíjajte až 20%, 50% a 80% stupňov nabitia s prúdmi 23,45 a 95A.
Vybíjací prúd 145A do minimálnej hodnoty napätia 9V.

Ako namerané a vypočítané hodnoty boli: odstránená kapacita, kapacita nabíjania, stupeň nabitia, koeficienty užitočná akcia podľa kapacity a energie atď.

Výsledky viacnásobnej regresie pre takmer všetky závislé premenné ukázali štatisticky významné výsledky (korelačný koeficient bol rovný R\u003d 0,9989 a F- postoj F(2,6) = 1392,8). V dôsledku toho sa ukazuje možnosť legitímneho použitia lineárnych modelov.

Prvý stupeň zrýchlenia sa počíta pri hodnote magnetického toku F= F max= 0,0072 Wb a udržiavanie prúdu kotvy na konštantnej úrovni ja i = ja i1 = 250 A. Táto fáza začína v čase t= 0 a končí, keď sa pracovný cyklus rovná 1. Konštanty pre túto fázu zrýchlenia: prúd poľa ja v = a∙F max 3 + b∙F max 2 + c∙F max\u003d 10,68 A a napätie na budiacom vinutí U v = ja∙R ov

V súlade s princípom dvojzónovej regulácie je možné zvýšenie otáčok hriadeľa motora pri plnom napätí dosiahnuť oslabením magnetického poľa. Toto je implementované v elektronickom regulátore prúdu, ktorý riadi nezávislé budiace vinutie. Druhá fáza zrýchlenia začína v čase zodpovedajúcom  =1 a končí, keď elektrické vozidlo dosiahne nastavenú rýchlosť. počiatočné hodnoty V, n, U d a ďalšie sú výsledky výpočtu posledného kroku zrýchlenia pri plnom prietoku, kedy  =1.

Výsledky viacnásobnej regresie

	Štatistiky	štandardná chyba	stupňa Regresia parametrov	štandardná chyba	statis- teak študent na interval spoľahlivosti	miera chyby pri akceptovaní významnosti regresného parametra
zadarmo členom			-0,267327	1,944346	-0,13749	0,895142
A	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

Brzdenie elektrického vozidla môže byť mechanické alebo regeneratívne. Posledný krok v cykle začína v čase t= t a + t cr + t spol a končí, keď t= t a + t cr + t spol + t b. Brzdenie v cykle SAE j 227 C prebieha s konštantným spomalením, ktoré možno definovať ako: a= V vyberte /(3,6∙ t b) m/s2, kde V vyb - rýchlosť do konca dobehu, km/h

Simulačné experimenty uskutočnené v dizertačnej práci na odhadovanie charakteristík pohybu EM ukázali, že podmienene nestacionárny náhodný proces charakteristík je dobre aproximovaný procesom s autokovariančnou funkciou tvaru:

kde r 1 (t) a r 2 (t) sa rovnajú:

(9)

Analytické výrazy sa získajú na opis podmienene nestacionárneho procesu. Nech stĺpcový vektor S = (S 0 , S -1 , ... , S -m ) T určuje hodnoty pohybových charakteristík ( t) v chvíľach St=  t 0 , t -1 ,…, t - m  , (t 0 >t -1 >.. >t -m ). Potom matematické očakávanie je:

kde D  (t) = (r(t-t 0 ), r(t-t -1 ), ... , r(t-t -m ) riadkový vektor kovariancií;

D  =||cov( (t i ),  (t j ))||=||r(t i -t)||, i,j=0..-m - kovariančná matica histórie procesu v momentoch t i , t j ; r(t) - autokorelačná funkcia stacionárneho spôsobu pohybu.

V dizertačnej práci boli ako riadiace algoritmy pre EM režimy pohybu vybrané stochastické aproximačné algoritmy. Nechaj X vektorová premenná v R N, pre ktoré sú splnené tieto podmienky:

1. Každá kombinácia riadených parametrov X zodpovedá náhodnej premennej Y pohybové charakteristiky s matematickým očakávaním M Y(X).

2. M Y(X) má jediné maximum a druhé parciálne derivácie  2 M Y/x i x j sú obmedzené na celú oblasť zmeny režimov ovládania.

3. Sekvencie ( a k) a ( c k) spĺňať podmienky:

, b)

, v)

, G)

(12)

4. Opakujúca sa postupnosť režimov náhodného riadenia je určená na základe prechodu znamienkom prírastku: .

5. Vektor  Y k zmenám pohybových charakteristík sa určuje na základe implementácie náhodných hodnôt aktuálne režimy X k podľa jedného z plánov P 1 , P 2 alebo P 3:

P 1 =[X k , X k+c k E 1 , . . . , X k+c k E ja, . . . , X k+c k E N ] T - centrálny plán;

P 2 =[X k+c k E 1 , X k -c k E 1 , . . . X k+c k E N, X k -c k E N ] T - symetrický plán;

P 3 =[X k , X k+c k E 1 , X k -c k E 1 , . . . X k+c k E N, X k -c k E N ] T .- plán so stredovým bodom, kde .

6. Rozptyl hodnotenia pohybových charakteristík  k 2 pre každú kombináciu režimov X k obmedzené  k 2  2
Výskum realizovaný v dizertačnej práci ukázal, že za vyššie uvedených podmienok je postupnosť zvolených režimov riadenia X k s pravdepodobnosťou 1 konverguje k optimálnym hodnotám.

V dôsledku vykonanej formalizácie je funkčným algoritmom riadeného simulačného modelu EM pohybu nasledujúca postupnosť akcií:

1. Pôvodné nastavenie modely a výber počiatočných spôsobov pohybu X 0 , k=0.

2. S danou kombináciou režimov X k vo svojom miestnom susedstve podľa jedného z plánov P i (i=1,2,3) sú generované selektívne trajektórie pohybových charakteristík ( Xk,l ( t|s k)) l=1 L trvanie T každý zo spoločného počiatočného stavu s k .

3. Stredné integrálne odhady charakteristík sú vypočítané pre všetky l=1 …L so spoločným počiatočným stavom s k :

6. Nastavte počiatočný stav s k +1 nasledujúci kontrolný interval, rovný konečnému stavu jedného z procesov predchádzajúceho kroku.

7. V súlade s vybraným kritériom zastavenia sa vykoná prechod do bodu 2 alebo na koniec simulácie.

Vo štvrtej kapitole vyvinuté metódy a modely boli testované.

Pri výbere rozmerov batérie inštalovanej na EM sa na optimalizáciu pomeru medzi nosnosťou a počtom najazdených kilometrov elektrického vozidla používa koncept prepravnej práce A=G E ∙L t∙km, kde G E– nosnosť EM, t; L- rezerva chodu EM (počet najazdených kilometrov). Nosnosť EM G E =G 0 - m b / 1000 t, kde G 0 = G ALE – m– nosnosť podvozku určená nosnosťou základného vozidla G ALE vrátane hmotnosti  m, uvoľnené pri výmene spaľovacieho motora za elektrický pohonný systém, t; m b je hmotnosť zdroja energie, kg. Hodnota najazdených kilometrov L elektrické vozidlo sa vo všeobecnom prípade vypočíta podľa vzorca známeho z literatúry
km, kde E m - merná energia zdroja prúdu, W∙h/kg;  - merná spotreba energie počas pohybu, W∙h/km. V dôsledku toho pre prácu v doprave platí:

t∙km,

(15)

kde: koeficient
km/kg.

Na základe vyvinutého simulačného modelu bol výpočet pohybu EM vykonaný na základe vozidla GAZ 2705 "GAZelle" s nosnosťou G 0 = 1700 kg. Výpočet bol realizovaný pre zdroje zostavené z 10 sériovo zapojených batériových blokov OPTIMA D 1000 S. G ALE .

Výpočty boli vykonané pre pohyb v cykle S AE j 227 C a pre pohyb konštantnou rýchlosťou. Na obr.4. ukazuje teoretickú a získanú simuláciou závislosti prepravnej práce od hmotnosti batérie.

Podľa výsledkov výpočtu sa maximálna prepravná práca dosiahne s hmotnosťou batérií o niečo väčšou ako polovica nosnosti. Je to spôsobené zvýšením špecifickej energie E m zdroj prúdu so zvyšujúcou sa kapacitou.

Cyklus S AE j 227 C je jedným z najintenzívnejších testovacích cyklov, nonstop jazda naopak jedným z najľahších. Na základe toho možno predpokladať, že grafy zodpovedajúce medziľahlým režimom jazdy sa budú nachádzať v oblasti ohraničenej príslušnými krivkami a maximálna prepravná práca pri práci na batérii OPTIMA D1000S leží v rozmedzí od 920 do 926 kg.

Vo vyšetrovacej väzbe sú prezentované hlavné výsledky práce.

Aplikácia obsahuje doklady o použití výsledkov práce.

Hlavné závery a výsledky práce

Vykonala sa klasifikácia AB a analýza známych metód na výpočet charakteristík AB. Uvádza sa posúdenie možnosti ich aplikácie pri modelovaní nestacionárneho nabíjania a vybíjania AB.
Na základe výskumu realizovaného v dizertačnej práci pre modelovanie nestacionárneho zaťaženia AB v rôznych režimoch a podmienkach EM pohybu sa navrhuje použiť dekompozičný prístup, ktorý umožňuje integráciu hybridných analytických a simulačných modelov, vrátane modelov mechanickej časti, riadiaci systém, režimy pohybu a iné.
Príspevok nastolil a vyriešil problém formalizácie princípov konštrukcie EM simulačného modelu pomocou procesného opisu objektov a komponentov systému, ktorý umožňuje simulovať nestacionárne režimy EM pohybu a ich vplyv na nestacionárne zaťažovacie charakteristiky EM. AB.
Bola vykonaná faktorová analýza charakteristík pretaktovania, ktorá ukázala, že už tri faktory vysvetľujú 97 % informácií. To umožnilo výrazne znížiť počet latentných faktorov modelu a tým aj rozmer simulačného modelu.
Technika vykonávania experimentu na komparatívna analýza charakteristiky vybíjania batérií a boli vykonané experimenty. Získané experimentálne dáta ukázali, že pre takmer všetky závislé premenné je legitímne použiť lineárne modely.
Simulačné experimenty uskutočnené na posúdenie charakteristík pohybu EM ukázali, že nestacionárny náhodný proces charakteristík je dobre aproximovaný procesom s hyperexponenciálnou autokovariančnou funkciou. Analytické výrazy sa získavajú na opis charakteristík podmienene nestacionárneho procesu.
Na riešenie optimalizačných problémov na simulačnom modeli sa ako riadiace algoritmy vyberajú stochastické aproximačné algoritmy, ktoré poskytujú vysoká rýchlosť konvergencia v podmienkach veľkých rozptylov pohybových charakteristík.
Bol vyvinutý softvérovo-simulačný komplex, ktorý bol zavedený do praxe vo viacerých podnikoch a využíva sa aj vo vzdelávacom procese na MADI (STU).

Publikácie na tému dizertačnej práce

Výsledky výskumu zverejnené 6 tlačené diela.

Ioanesyan A.V. Metódy výpočtu charakteristík batérií pre elektrické vozidlá / E.I. Surin, A.V. -M., 2003. - S.29-36.
Ioanesyan A.V. Metódy na určenie konca vybitia a nabitia batérie na elektrickom aute / Ioanesyan A.V. // Elektrotechnika a elektrické zariadenia dopravy. - M.: 2006, č. 6 - s. 34-37.
Ioanesyan A.V. Základné parametre batérií pre elektromobily / A.V. Ioanesyan // Metódy a modely aplikovanej informatiky: Interuniversity Sat. vedecký tr. MADI (GTU). - M., 2009. - S.121-127.
Ioanesyan A.V. Model mechanickej časti elektromobilu / A.V. Ioanesyan // Metódy a modely aplikovanej informatiky: Interuniversity Sat. vedecký tr. MADI (GTU). - M., 2009. - S.94-99.
Ioanesyan A.V. Generalizovaný simulačný model pohybu elektrického vozidla / A.V. Ioanesyan // Princípy konštrukcie a vlastnosti použitia mechatronických systémov: Sat. vedecký tr. MADI (GTU). - M., 2009. - S.4-9.
Ioanesyan A.V. Modely nestacionárnych procesov pohybu elektrických vozidiel / A.V. Ioanesyan // Princípy konštrukcie a vlastnosti použitia mechatronických systémov: Sat. vedecký tr. MADI (GTU). - M., 2009. - S.10-18.

Kapitola 1. Prehľad hlavných prístupov k modelovaniu batérií.

1.1 Matematické modely batérií.

1.2 Ekvivalentné obvody modelov batérií.

1.3 Alternatívne modely batérií.

1.4 Štatistické modely batérií.

1.5 Simulácia špecifických faktorov ovplyvňujúcich výkon batérie.

1.6. Model nikel-vodíkovej batérie Hubbleovho vesmírneho teleskopu

Účel práce a ciele štúdie.

Kapitola 2. Analýza štatistického modelu nikel-vodíkovej batérie.

2.1. Formalizovaný popis modelu batérie.

2.2. Model s predĺženým vybíjaním batérie.

2.3. Odporúčané modely batérií s predĺženým vybíjaním.

Kapitola 3. Modelovanie elektrochemických procesov v nikel-vodíkovej batérii.

3.1 Samovybíjací model nikel-vodíkovej batérie.

3.2 Modelovanie nikel-vodíkovej batérie na základe hypotézy okamžitého nabitia a prenosu tepla.

Kapitola 4. Automatizácia testov napájacích systémov kozmických lodí pomocou modelov batérií s polčasom rozpadu.

4.1 Štruktúra testovacieho komplexu.

4.2 Popis hardvéru a režimu činnosti simulátora signálu batérie.

4.3 Finančné prostriedky softvér testovací komplex.

4.4 Výsledky praktického využitia modelov niklovo-vodíkových batérií.

Úvod k práci (časť abstraktu) na tému "Modelovanie procesov nabíjania-vybíjania niklovo-vodíkových batérií v riadiacom systéme skúšobne"

Relevantnosť témy. Napájacie systémy (PSS) sú neoddeliteľnou súčasťou kozmických lodí (SC), určujú ich napájanie a výrazne ovplyvňujú efektivitu prevádzky.

Špecifikum prevádzky SES kozmických lodí spočíva v cyklickosti, vysokej zotrvačnosti, prísnom časovom limite na získanie energie z solárne panely, ako aj čo najracionálnejšie rozdelenie prijatej energie medzi spotrebiteľov. V dôsledku dlhého zotrvania kozmických lodí na obežnej dráhe môže počet prevádzkových cyklov napájacích systémov dosiahnuť desiatky tisíc, v dôsledku čoho sú nikel-vodíkové akumulátory (HNAB), ktoré majú najväčší počet cykly nabíjania / vybíjania a dlhý životný cyklus. Nikel-vodíkové batérie však majú množstvo špecifických a charakteristických parametrov len pre ne.

Vzhľadom na uvedené špecifiká je najdôležitejším krokom vo vývoji napájacích systémov kozmických lodí pozemné testovanie na špecializovaných automatizovaných lavicových komplexoch a jednou z najdôležitejších, časovo náročných a zložitých prác pri budovaní napájacích systémov je vývoj podsystémov. zodpovedný za prácu s batériami, to znamená nabíjanie bitových zariadení.

V praxi sa zvyčajne používajú metódy na testovanie nabíjacích a vybíjacích zariadení bez batérií na základe použitia rôzne zariadenia napodobňovanie ich jednotlivých prvkov a režimov. Doterajší vývoj v oblasti simulácie prevádzky nikel-vodíkových batérií je založený na manuálnej zmene parametrov, vyznačujú sa zložitosťou konštrukcie a nedostatočnou unifikáciou aj pre rovnaký typ batérií. V tejto súvislosti je potrebné vytvoriť automatizovanú skúšobnú stolicu, ktorá simuluje správanie niklovo-vodíkových batérií v rôznych podmienkach, čo si zase vyžaduje vývoj vhodného matematického modelu.

Relevantnosť výskumnej témy dizertačnej práce je teda daná potrebou vyvinúť matematické nástroje na modelovanie zložitých elektrochemických procesov vyskytujúcich sa v niklovo-vodíkových batériách palubných napájacích systémov kozmických lodí, ktoré sú funkčné jadrošpecializované strojové simulátory, ktoré zabezpečujú kvalitné a bezpečné vykonávanie pozemných skúšok a experimentov v rámci automatizovaných testovacích komplexov.

Téma dizertačnej práce zodpovedá vedeckému smerovaniu Štátneho vzdelávacieho zariadenia VPO „Voronežská štátna technická univerzita“ Výpočtové systémy a hardvérovo-softvérové elektrické komplexy“.

Cieľom práce je vypracovať formalizovaný popis procesov vyskytujúcich sa v nikel-vodíkových batériách, ako základ pre zostavenie matematických modelov, ktoré simulujú dynamiku zmien parametrov, ktoré určujú prevádzkové režimy testovaného objektu, v rámci automatizovaného softvérového a hardvérového testovacieho komplexu palubných napájacích systémov.

Na základe tohto cieľa boli v práci stanovené a riešené tieto hlavné úlohy:

Vykonanie analýzy hlavných prístupov k modelovaniu batérií a analýzy faktorov ovplyvňujúcich ich prevádzku;

Analýza štatistických informácií charakterizujúcich prevádzkové režimy niklovo-vodíkových batérií ako súčasti systému napájania na základe orbitálnych telemetrických údajov medzinárodnej vesmírnej stanice; vypracovanie odporúčaní pre jeho praktickú aplikáciu;

Analýza elektrochemických procesov vyskytujúcich sa v nikel-vodíkových batériách, vývoj ich formalizovaného popisu a integrovaného modelu v režime nabíjania, vybíjania a samovybíjania;

Vývoj štruktúry a prostriedkov implementácie automatizovaného testovacieho komplexu pre systémy napájania autonómnych objektov na základe vyvinutých modelov niklovo-vodíkových batérií.

Výskumné metódy. Na riešenie zadaných úloh sme použili metódy systémovej analýzy, ustanovenia teoretické základy elektrotechnika, teoretické základy elektrochémie, teória automatického riadenia, prvky matematického aparátu na numerické riešenie parciálnych diferenciálnych rovníc, prvky teórie grafov.

Vedecká novinka dizertačnej práce je nasledovná:

Navrhuje sa spôsob konštrukcie vybíjacích charakteristík niklovo-vodíkových batérií so zmenou počiatočných údajov podľa dostupných nameraných experimentálnych a orbitálnych údajov, ktoré sa líšia v chybe nepresahujúcej 5 %;

Bol vyvinutý komplexný model elektrochemických a fyzikálnych procesov v niklovo-vodíkovej akumulátorovej batérii, ktorý sa líši zohľadnením fenoménu samovybíjania;

Bol vyvinutý nelineárny dynamický matematický model nikel-vodíkovej batérie, ktorý zahŕňa elektrické a neelektrické veličiny a ukazuje hysterézne správanie potenciálu batérie počas nabíjania/vybíjania, charakterizované implementáciou z hľadiska pozdĺžnych a priečnych premenných v číselnej forme;

Navrhuje sa spôsob modelovania zložitých elektrických zariadení, ktorý sa vyznačuje redukciou riadiacich rovníc na maticový tvar, diskretizovaný v čase;

Bola vyvinutá štruktúra automatizovaného softvérovo-hardvérového simulátora batériových signálov, ktorý sa vyznačuje zjednodušeným hardvérom, flexibilitou pri zmene parametrov simulátorov, ako aj unifikáciou pre rovnaký typ batérií;

Boli vyvinuté nástroje, ktoré poskytujú automatizovaný režim prevádzky testovacieho komplexu, ako aj spracovanie výsledkov testov.

Praktický význam diela. Výsledky získané v práci môžu byť použité ako základ pre inžinierske metódy výpočtu prechodných procesov v napájacích systémoch autonómnych objektov pomocou niklovo-vodíkových batérií. Vyvinutý komplexný matematický model umožňuje určiť rôzne vlastnosti nikel-vodíkové batérie bez experimentovania a testovania skutočných batérií. Navrhovaný model je možné použiť ako súčasť automatizovaného bench softvérového a hardvérového komplexu na testovanie systémov napájania autonómnych objektov (ako sú kozmické lode, hybridné vozidlá, autonómne systémy veternej energie atď.) spolu so simulátorom signálu niklovo-vodíkovej batérie.

Implementácia a realizácia výsledkov práce.

Hlavné ustanovenia dizertačnej práce sú implementované do vývoja NPO Electrotechnical Holding OOO Energia vo forme softvérových komponentov v rámci automatizovaného komplexu softvérových a hardvérových lavíc na testovanie napájacích systémov kozmických lodí.

Schválenie práce. Hlavné ustanovenia dizertačnej práce boli prerokované a schválené na vedeckých seminároch Katedry riadenia a informatiky v r technické systémy ah VSTU (2002 - 2006); na konferenciách pedagogických zamestnancov VSTU (2001-2004); na medzinárodnej školskej konferencii „Technológie vysokej úspory energie“ (Voronež, 2005); na celoruskej študentskej vedeckej a technickej konferencii „Aplikované problémy elektromechaniky, energetiky, elektroniky“. (Voronež, 2006).

Publikácie. Výsledky výskumu boli publikované v 6 publikáciách vrátane 1 vydania odporúčaného Vyššou atestačnou komisiou Ruskej federácie. V prácach publikovaných v spoluautorstve a citovaných na konci abstraktu žiadateľ osobne vlastní: - bola vykonaná štúdia metrologických charakteristík integrovaného skúšobného pracoviska pre SES ISS; - bola vykonaná štúdia rôznych matematických modelov batérií; - vyvinuli jednotnú štruktúru testovacích stolov, ako aj algoritmus softvéru.

Štruktúra a rozsah prác. Dizertačná práca pozostáva z úvodu, štyroch kapitol, záveru, bibliografie 89 titulov a príloh. Hlavná časť práce obsahuje 165 strán, 70 obrázkov a 7 tabuliek.

Podobné tézy v odbore "Matematické modelovanie, numerické metódy a programové komplexy", 13.05.2018 HAC kód

Simulátor solárnych batérií na pozemné testovanie a testovanie napájacích systémov kozmických lodí na báze pulzných meničov 2011, kandidát technických vied Kremzukov, Jurij Alexandrovič
Vznik a obnova kapacity nikel-kadmiových batérií a batérií 2007, kandidát technických vied Matekin, Sergej Semenovič
Vývoj nabíjačky pre skupinové nabíjanie akumulátorov vozidiel 2001, kandidát technických vied Suchkov, Roman Valerievich
Vývoj lodného automatizovaného systému na monitorovanie a diagnostiku batérií diesel-elektrických ponoriek 2007, kandidát technických vied Savčenko, Alexander Vladimirovič
2006, Ph.D. Khechinashvili, Alexander

Záver dizertačnej práce na tému „Matematické modelovanie, numerické metódy a softvérové balíky“, Sazanov, Alexey Borisovich

1. Vyvinutá štruktúra a algoritmus prevádzky softvéru umožňujú plne implementovať rôzne druhy testovanie širokej škály produktov rádioelektronických zariadení, ktoré zabezpečuje jednotná ideológia stavebného softvéru s oddelením podľa funkčných vlastností;

2. Navrhovaný algoritmus na kalibráciu meracích kanálov môže výrazne zlepšiť presnosť meraní počas testovania a vzhľadom na to, že potreba kalibrácie nastáva až vo fáze výroby a nastavenia testovacej stolice, potom priamo počas testovania, rýchlosť systému merania informácií ako celku sa zvyšuje;

3. Vyvinutý algoritmus na digitálne filtrovanie výsledkov meraní môže výrazne znížiť vplyv priemyselného dynamického hluku ovplyvňujúceho testovacie zariadenie počas testovania;

4. Vyvinutá bloková schéma simulátora signálu batérie poskytuje výrazné zlepšenie kvality testov zjednodušením hardvéru zodpovedného za nastavenie režimov simulátora, poskytuje flexibilitu pri zmene parametrov simulátorov, ako aj zjednotenie simulátora, pri aspoň pre rovnaký typ batérií;

5. Predbežná príprava testovací program vám umožňuje automatizovať proces testovania a použitie matematického modelu nikel-vodíkovej batérie môže výrazne znížiť náročnosť práce prípravná fáza testy.

Záver

Výskum realizovaný v rámci dizertačnej práce v oblasti modelovania procesov nabíjania, vybíjania a samovybíjania niklovo-vodíkovej batérie ako súčasti systémov napájania autonómnych objektov umožnil získať nasledovné výsledky:

1. Na základe analýzy hlavných prístupov k modelovaniu rôznych typov batérií, ako aj ich ekvivalentných obvodov, sú stanovené hlavné úlohy zamerané na zlepšenie kvality testovania napájacích systémov kozmických lodí.

2. Bol vyvinutý komplexný model, ktorý popisuje elektrochemické a fyzikálne procesy v niklovo-vodíkovej batérii s prihliadnutím na fenomén samovybíjania.

3. Bol vyvinutý nelineárny dynamický matematický model nikel-vodíkovej batérie, ktorý zahŕňa elektrické a neelektrické veličiny a zobrazuje hysterézne správanie potenciálu batérie počas nabíjania/vybíjania, realizovaný z hľadiska pozdĺžnych a priečnych premenných v číselnej forme. .

4. Navrhuje sa model na analýzu vybíjacích charakteristík nikel-vodíkovej batérie so zmenou počiatočných údajov na základe dostupných nameraných experimentálnych a orbitálnych údajov pomocou kombinovaného predpätia.

5. Navrhuje sa metóda modelovania zložitých elektrických zariadení založená na redukcii riadiacich rovníc do maticového tvaru, diskretizovaného v čase.

6. Bola vyvinutá štruktúra automatizovaného softvérového a hardvérového komplexu, ktorý simuluje signály batérie, čo zjednodušuje hardvér, flexibilitu pri zmene parametrov simulátorov, ako aj zjednotenie pre rovnaký typ batérií

7. Navrhujú sa nástroje, ktoré poskytujú automatizovaný režim prevádzky testovacieho komplexu, ako aj spracovanie výsledkov testov.

Zoznam odkazov na výskum dizertačnej práce Kandidát technických vied Sazanov, Alexey Borisovich, 2008

2. Astakhov Yu.N., Venikov V.A., Ter-Gazaryan A.G. Skladovanie energie v elektrických systémoch. M.: Vyššia škola, 1989. 160 s.

3. Babkov O.I. Hlavné problémy kozmickej elektroenergetiky / O.I. Babkov, N.Ya. Pinigin, E.E. Romanovský, B.E. Chertok // Ruský priemysel. -1999. -Č. 9. -str. 7-22.

4. Blok simulátora signálu, 33Y.2574.003 TU, Korolev, Moskovská oblasť, RSC Energia, 1987

5. Varenbud JI.P, Livshin G.D., Tishchenko A.K. Vývoj štruktúry a zloženie personálu informačný a riadiaci komplex pre testovanie napájacích systémov kozmických lodí / Energiya: Nauch.-prakt. vestn. 1999. - č. 4 - s. 36-54.

6. Varenbud JI.P, Ledyaikin V.V., Sazanov A.B. Vývoj algoritmu na testovanie SES pomocou automatizovaného hardvérového a softvérového komplexu. // Energia: Vedecké a praktické. vestn. -2001.-№1 s. 16-28

7. Vedeneev G.M. Spôsoby zlepšenia autonómnych systémov napájania / Vedeneev G.M., Orlov I.N., Tokarev A.B., Chechin A.V.//С6. vedecký Tvorba. č. 143. M.: Mosk. Energia in-t. 1987. -s. 7.

8. German-Galkin S.G. Počítačové modelovanie polovodičové systémy v MATLAB 6.0: Návod. SPb.: KORONA print, 2001.9." German-Galkin S. G. Linear elektrické obvody. Laboratórne práce. Petrohrad: Učiteľ a študent, tlač KORONA, 2002.

9. German-Galkin S. G. Spektrálna analýza procesov výkonových polovodičových meničov v r. balík MATLAB(R 13) // Vedecký a praktický časopis "Exponenta Pro. Mathematics in Applications", 2003, č. 2. S. 80 82.

10. Dynamické modelovanie a testovanie technických systémov / Ed. I.D. Kochubievskij. M.: Energia, 1978. -303 s.

11. Duplin N.I., Podvalnyj C.JL, Savenkov V.V., Tishchenko A.K. Analýza stability rozvetvených DC napájacích systémov// Riadiace systémy a Informačné technológie: So. vedecký Tvorba. -Voronež, VSTU. 2000. -s. 40-49.

12. Dyakonov V. Simulink 4. Špeciálna príručka. SPb. 2002

13. Zlakomanov V.V., Jakovlev B.S. Interakcia dynamických systémov so zdrojmi energie. M.: Energia, 1980. -s. 144.

14. Blok simulátora signálu, 33Y.2574.003 TU, Korolev, Moskovská oblasť, RSC Energia, 1987

15. Lelekov A.T. Modelovanie termofyzikálnych charakteristík nikel-vodíkovej batérie. // Bulletin of the Sib.state. kozmonautika un-t.: So. vedecký Zborník. / vyd. Prednášal prof. G.P. Belyakova; Sib. štát kozmonautika unt. Krasnojarsk, 2004. Vydanie. 4. - strana 128

16. Klinachev N.V. Základy modelovania systému alebo 7 domén Ohmových a Kirchhoffových zákonov: Vybrané fragmenty. Čeľabinsk, 2000-2005.

17. Savenkov V.V. Modelovanie, vývoj a experimentálne štúdium elektrických systémov pre autonómne objekty. Diss. Ph.D., VSTU, Voronezh, 2002.

18. Sazanov A.B. Matematické modelovanie prevádzkových režimov batérie.// Vedecký a technický časopis "Technika strojárstva", č. 2, Moskva, 2007, "Virage-center", s. 27-30.

19. Sazanov A.B., Litvinenko A.M. Automatizácia akceptačných testov elektronických jednotiek produktov rádioelektronických zariadení.// Vedecký a technický časopis "Elektrotechnické komplexy a riadiace systémy", č. 2, Voronež, 2006, "Kvart" s. 51-56.

20. Sazanov A.B., Litvinenko A.M. Samovybíjací model nikel-vodíkovej batérie. // Bulletin VGTU, séria "Energia", číslo 6, 2007 / Voronež, štát. tie. univerzite. Voronež, 2007.

21. A. V. Semykin a I. A. Kazarinov, Nikel-vodíkové dobíjacie elektrochemické systémy. // Elektrochemická energia. Saratovský štát. Univerzita, Saratov 2004, V. 4, č. 1 s. 3-28, č. 2 s. 63-83, č. 3 s. 113-147.

22. V. V. Tenkovtsev a B. I. Center, Základy teórie a činnosti uzavretých nikel-kadmiových batérií. Leningrad: Energoatomizdat. Leningrad. Otd., 1985.

23. Tishchenko A.K., Gankevich P.T., Livshin G.D., Jednotný systém napájania kozmickej lode // Voronezh. Energia: Vedecká a praktická. posol. 1999.-№ 3.-s. 34-51.

24. Tishchenko A.K., Gankevich P.T., Savenkov V.V. Vlastnosti dizajnu zjednotených vysokonapäťových napájacích systémov pre kozmické lode// Voronezh. Energia: Vedecká a praktická. posol. -1999 -#1-2 s. 6-17

25. Centrum B.I., Lyzlov N.Yu. Elektrochemické systémy kov-vodík. Teória a prax. L.: Chémia, 1989, 282 s.

26. Chernykh I.V. Modelovanie elektrických zariadení v MATLAB, SimPowerSystems a Simulink. 1. vydanie, 2007

27. Shannon R. Umenie a veda simulačných systémov: Per. z angličtiny. M.: Mir, 1978. 418 s.

28. Napájanie lietadiel / vyd. N.T. Korobina. -M.: Mashinostroenie, 1975. -s. 382.

29. Appelbaum, J a Weiss, R., "Odhad nabitia batérie vo fotovoltaických systémoch", 16. konferencia IEEE fotovoltaických špecialistov, str. 513-518, 1982

30. Baudry, P. a kol., "Elektro-tepelné modelovanie polymérových lítiových batérií pre štartovaciu periódu a pulzný výkon", Journal of Power Sources, Vol 54, str. 393-396, 1995

31. Bernardi D., E. Pawlikowski, J. Newman, Všeobecná energetická bilancia pre batériové systémy, J. Electrochem. soc. 132 (1) (1985) 5-12.

32. Bratsch S.G., J. Phys. Chem. Ref. Data, 18,1 (1989).

33. Brenan K. E., Campbell S. L. a Petzold L. R., Numerické riešenie problémov s počiatočnými hodnotami v diferenciálno-algebraických rovniciach, North-Holland, New York (1989).

34. Bumby, J. R., P. H. Clarke a I. Forster, U of Durham UK, "Počítačové modelovanie požiadaviek na energiu automobilov pre vozidlá poháňané spaľovacím motorom a batériou", IEE Proceedings, Vol 132, Pt. A, Nie 5, september 1985, str. 265-279

35. Chapman, P. a M. Aston, "Všeobecný model batérie pre predikciu výkonu simulácie elektrických a hybridných vozidiel", Electric and Hybrid Vehciles, SP-2, Int. J. Veh. Dizajn, 1982, s. 82-95

36. Cohen, F. a Dalton, P. J. "Spustenie a počiatočný výkon nikel-vodíkovej batérie na medzinárodnej vesmírnej stanici." Zborník z 36. medzispoločenskej konferencie Energy Conversion Engineering Conference, Savannah, GA, 29. júla – 2. augusta 2001.

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

38. Dalton, P., Cohen, F., "Reinitialization of the Photovoltaic Module of the International Space Station," dokument č. 20033, Zborník z 37. medzispoločenskej konferencie o energetickej konverzii, Washington DC, 28. júla - 2. augusta, 2002.

39. Dalton, P., Cohen, F., "International Space Station Nickel-Hydrogen Battery On-Orbit Performance", dokument č. 20091, Proceedings of the 37th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Washington DC, 28. júla - 2. augusta, 2002.

40. Dalton P., Cohen F., Aktualizácia výkonu niklovo-vodíkovej batérie medzinárodnej vesmírnej stanice na obežnej dráhe, v: Proceedings of AIAA 2003, Paper #12066, 2003.

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

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

43. Dobner, Donald J. a Edward J. Woods, GM Research Laboratories, "An Electric Vehicle Dynamic Simulation", 1982, str. 103-115

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

45. Virtuálne prototypovanie systémov PCIM – virtuálne testovacie lôžko, v: Proceedings of PCIM/HFPC "Konferencia 98, Santa Clara, CA, november 1998, s. 226234.

46. Dunlop J.D., Rao G.M., Yi T.Y., Príručka NASA pre nikel-vodíkové batérie, Referenčný pub NASA. 1314, september 1993.

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

48. Facinelli, W. A., "Modelovanie a simulácia olovených batérií pre fotokoltaické systémy", 1983 18. medzispoločenská konferencia o energetickej konverzii IECEC, zväzok 4, 1983

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

50. Hojnicki, J.S., Kerslake, T.W., 1993, "Space Station Freedom Electrical Performance Model," papier č. 93128, Proceedings of the 28th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Atlanta, Georgia, 8. – 13. august 1993.

51. Gear C.W., Numerical Initial Value Problems in Ordinary Differential Equations, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1971.

NiMH-. - . : , -.

MATEMATICKÝ MODEL HYBRIDNÉHO ELEKTRICKÉHO VOZIDLA IDENTIFIKÁCIA VYSOKONAPÄŤOVÉHO BATÉRIE

S. Serikov, docent, kandidát technických vied, KhNAHU

abstraktné. Získa sa matematický model hybridného elektrického vozidla NiMH vysokonapäťová batéria. Tento model umožňuje skúmať interakciu hnacieho elektrického pohonu vozidla a vysokonapäťovej batérie pri pohybe elektrického pohonu a v procese rekuperácie brzdnej kinetickej energie. Kľúčové slová: identifikácia, matematický model, vysokonapäťová batéria, elektromotorická sila, vnútorný odpor, stav nabitia, menovitá kapacita batérie.

(), - . - (). , .

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

-, / 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 %. osem . 90 % 1. ----. - - - - (NiMH), -, -. - 1,2 PEČIŤ = . --

()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 %. jeden . - 60 % - 20 . -- (-, - ..). --

3,5 PEČIŤ = . - desať percent. 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 = ,

max 80 ATAB disI = ,

max 50 ATAB chgI = .

TAB TAB TABTAB no

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 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 znak I= :

0,093727 1,197, B, 0;

0,16112 1,2352, B, 0.

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

NiMH Panasonic Toyota Prius, . , - . 5.

()(),TAB TAB TABE f znamienko I=

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

()(),TAB TAB TABR f znamienko I=

VD TAB VD inv dop

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

1. James Larminie, John Lowry. Vysvetlenie technológie elektrických vozidiel. John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, Anglicko. 2003. 296 s.

2. Dhameja, Sandeep. Akumulátorové systémy pre elektrické vozidlá / Sandeep Dhameja Sandeep Dhameja. Newnes, 2002, 230 s.

3.K.J. Kelli, M. Mihalič, M. Zolot. Využitie batérie a tepelný výkon modelov Toyota Prius a Honda Insight pre rôzne testovacie postupy na dynamometri. Predtlač. NREL/CP-540-31306, november 2001.

4. Loic Boulon, Daniel Hissel, Marie-Cecile Pera. Multifyzikálny model batérie na báze niklu vhodný na simuláciu hybridných elektrických vozidiel // Journal of Asian Electric Vehiclec, Vol. 6, č. 2, december 2008. 1175-1179.

5. Hybridný zdroj energie s palivovým článkom H2 PEM a vysokoenergetickou batériou pre mestské elektrické vozidlo. N. Schofield, H. T. Yap, C. M. Bingham.

6. Yuanjun Huang, Chengliang Yin, Jianwu Zhang. Modelovanie a vývoj stratégie riadenia v reálnom čase pre paralelné hybridné elektrické mestské autobusy / WSEAS

TRANSAKCIE INFORMAČNÁ VEDA A APLIKÁCIE. Číslo 7, ročník 5, júl 2008. . 11131126.

7. Carlos Martinez, Yossi Drori a Joe Ciancio. Smart Battery Primer. Poznámka k aplikácii Intersil. AN126.0. 11. júla 2005

8. Osvaldo Barbarisi, Roberto Canaletti, Luigi Glielmo, Michele Gosso, Francesco Vasca. Odhad stavu nabitia pre NiMH batérie // Zborník zo 41. konferencie IEEE o rozhodovaní a kontrole. Las Vegas, Nevada, USA, december 2002. 17391734.

9. Francesco Esposito. Neoptimálna stratégia riadenia energie pre hybridné elektrické vozidlá. http://www.fedoa.unina.it/1944/1/Esposito_Francesco_Ingegneria_Elettrica.pdf

10. Xi Wei. Modelovanie a riadenie hybridného elektrického hnacieho ústrojenstva pre optimálnu spotrebu paliva, výkon a jazdné vlastnosti. Dizertačná práca. Prezentované v rámci čiastočného splnenia požiadaviek na titul doktor filozofie na Graduate School of the Ohio State University. 2004. 175 s.

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

12. Nikel-metal hydrid. Aplikačný manuál. 2001.

13. Technické články. Hybridný rad Toyota. Vysokonapäťová batéria http://www.autoshop101.com/forms/Hybrid03.pdf.

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

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

16. M. Zolot, A. Pesaran, M. Mihalič. (NREL). Tepelné hodnotenie súpravy batérií Toyota Prius // Národné laboratórium pre obnoviteľnú energiu. Prezentované na Future Car Congress v júni 2002.

Nabíjateľné batérie

V súčasnosti sú jedným z najčastejšie používaných typov lítium-iónových batérií batérie, ktoré využívajú ako aktívny materiál katódy LiFePO 4 (lítium-železofosfát).
V navrhovanom článku autori zdôvodňujú princípy modelovania režimu nabíjania lítium-železo-fosfátového akumulátora (AB), ktorý sa vykonáva s prihliadnutím na odchýlky parametrov jednotlivých akumulátorov, a formulujú odporúčania týkajúce sa režimu nabíjania AB .

LÍTIUM ŽELEZO FOSFÁTOVÁ BATÉRIA
Simulácia režimu nabíjania

Alexej Vorošilov, Hlavný inžinier spoločnosti Energy Storage Systems LLC,
Andrej Petrov, Projektový manažér LIA
Jevgenij Chudinov, Doktor technických vied, profesor
PJSC NCCP, Novosibirsk

Použitie lítium-iónových batérií (LIB) je relatívne nová technológia skladovania energie, ktorá sa v posledných rokoch rýchlo rozvíja. Tento typ chemických zdrojov prúdu svojimi parametrami (hustota uloženej energie, hustota výkonu, zdroj pri cyklovaní) výrazne prevyšuje tradičné olovené a alkalické batérie. Vďaka neustálemu zdokonaľovaniu technológie výroby LIB dochádza k postupnému znižovaniu nákladov na tento typ batérií. Dnes sú náklady na energiu v nich uloženú len o málo vyššie ako náklady na energiu uloženú v tradičných batériách. Tým je zabezpečená ekonomická realizovateľnosť ich stále širšieho využitia v rôznych oblastiach techniky.

Zo všetkých známych typov chemických zdrojov prúdu sú LIB využívajúce fosforečnan lítno-železnatý (LFP) ako katódový materiál skutočne bezpečné v prevádzke a dopovanie aktívnej hmoty katódy niektorými kovmi výrazne zlepšuje energetické charakteristiky takýchto batérií. Tieto skutočnosti viedli k veľkému záujmu o LIB LFP zo strany spoločností vyrábajúcich zariadenia na ukladanie energie pre elektrickú dopravu a energetiku. Tento typ lítium-iónových batérií má zároveň v porovnaní s inými typmi LIB množstvo vlastností, ktoré je potrebné zohľadniť pre zabezpečenie požadovanej životnosti.

Článok rozoberá vlastnosti prevádzky LIB LFP, ako aj niektoré výsledky matematického modelovania procesu nabíjania lítium-iónovej batérie (LIAB), zostavené na ich základe, s prihliadnutím na rozptyl parametrov jednotlivých batérií. Samotná batéria je v tomto prípade považovaná za aktívnu dvojpólovú sieť, ktorej parametre (napätie generátora a vnútorný odpor) závisia nelineárne od nabíjacieho/vybíjacieho prúdu, stupňa nabitia a teploty. Simulácia využívala súbor experimentálnych údajov získaných v závode Liotech v rokoch 2014-2015. Výsledky štúdie možno využiť na zvýšenie účinnosti nabíjania LIB LFP a zabezpečenie dlhej životnosti.

REŽIM NABÍJANIA LFP

Voltampérová charakteristika pri nabíjaní

Závislosť napätia na batérii pri nabíjaní alebo vybíjaní jednosmerným prúdom má špecifický charakter. Na obr. Obrázok 1 ukazuje typickú závislosť napätia na modeli LIB LFP LT-LYP380 vyrábanom spoločnosťou Liotech od stupňa nabitia pri izbovej teplote (20±5 °C).

Ryža. 1. Závislosť napätia na batérii LT-LYP380AH od stupňa jej nabitia pri nabíjaní rôznymi prúdmi (0,2 OD n; 0,5 OD n; jeden OD m)

Pre charakteristiky nabíjania LFP LIB sú typické tri oblasti: rýchly nárast napätia batérie na začiatku nabíjania, pomalá zmena napätia v strede a rýchly nárast na konci. Väčšina výrobcov LIB LFP odporúča obmedziť nabíjacie napätie batérie na 3,7-3,9 V.

Režim nabíjania CC/CV

Najčastejšie používaným režimom nabíjania batérie je režim nabíjania konštantným prúdom s prechodom do režimu nabíjania konštantným napätím, takzvaný režim CC / CV. Na obr. Obrázok 2 zobrazuje typický plán nabíjania olovenej batérie. Červená krivka znázorňuje závislosť prúdu, modrá krivka znázorňuje napätie v závislosti od času. Pre lítium-iónovú batériu sa charakter kriviek nemení, okrem toho, že prechodové napätie do režimu nabíjania konštantným napätím pre LIB je výrazne vyššie. Je to spôsobené tým, že napätie naprázdno (OCV) LIB je výrazne vyššie ako napätie olovených batérií. Pre LFP LFP výrobcovia odporúčajú zvoliť hodnotu napätia 3,7-3,9 V, pre ostatné typy batérií (NMC, LCO, LTO) sa táto hodnota môže mierne líšiť.

Ryža. 2. Typický vzťah nabíjania CC/CV pre olovenú batériu

Pri prevádzke olovenej batérie v režime plavákového nabíjania sa niekedy používa dvojnapäťový režim. Po dosiahnutí určitého stupňa nabitia (stav nabitia - SoC) je prechod do takzvaného režimu udržiavacieho nabíjania. Napríklad pre použiteľné olovené batérie pri izbovej teplote je nabíjacie napätie 2,3-2,4 V, udržiavacie napätie je 2,23 V.

Hodnota udržiavacieho nabíjacieho napätia pre olovené akumulátory sa volí na základe podmienky minimalizácie procesu korózie jeho elektród a závisí od prevádzkovej teploty oloveného akumulátora. V LIA tento prechod spravidla vyzerá inak. V tomto momente je potrebné nabíjanie úplne zastaviť alebo znížiť nabíjací prúd na hodnotu vyrovnávacieho prúdu. Dôvody, prečo lítium-iónové batérie, ktoré tvoria batériu, musia byť navzájom vyvážené, budú uvedené nižšie.

Režim nabíjania konštantným napätím (CV).

Nechajte v tejto chvíli t 1 od začiatku nabíjania batérie prúdom ja 0, prepne sa z režimu nabíjania konštantným prúdom do režimu nabíjania konštantným napätím. Pri prepnutí do režimu nabíjania konštantným napätím sa prúd v priebehu času exponenciálne znižuje a mení sa podľa zákona:

(1)

Táto závislosť je určená riešením Cottrellovej a Fickovej rovnice pre lítium-iónové batérie v potenciostatickom režime. V tomto prípade je časová konštanta τ určená koeficientom chemickej difúzie interkalačných častíc, hrúbkou vrstvy materiálu elektródy a ďalšími parametrami. Príklad nabíjania prúdom 0,2 OD znázornené na obr. 3.

Ryža. 3. Profil nabíjania batérie v režime CC/CV

Nabite Q, prevzaté z akumulátora, je určené Coulombovým integrálom:

Tu C n- kapacita batérie.

Pre LIB LFP sú prijaté nasledujúce parametre nabíjania pre jednu batériu:

U 0 = 3,4-3,7 V (hodnota napätia 3,4 V zodpovedá prechodu do režimu nabíjania VC pri stave nabitia cca 50 %, 3,7 V - 98 %. Táto hodnota môže byť špecifikovaná v závislosti od parametrov batérií z rôznych výrobcovia);
ja 0 = 0,2C n(Táto hodnota zodpovedá vybíjaciemu prúdu plne nabitej batérie počas piatich hodín.), A;
t 1 ≈ 2,5-4,9 hodín

Doba nabíjania, kým prúd neklesne na 0,1 ja 0 (táto úroveň sa používa na určenie okamihu úplného nabitia batérie) je určená výrazom:

O U 0 = 3,4 V, t nabíjanie ≈ 8,25 h, pri U 0 = 3,7 V, t náboj ≈ 5,20 h. V súradniciach prúdu/stavu náboja je táto závislosť znázornená na obr. 4. V reálnom prípade, keď je batéria (alebo jedna batéria) pripojená k nabíjačke cez kábel s konečným vedením, profil nabíjania sa skomplikuje, pretože pri nabíjaní batérie klesá nabíjací prúd a tým aj napätie pokles na prívodných kábloch klesá. To má za následok zvýšenie napätia aplikovaného na batériu pri jej nabíjaní a profil nabíjania znázornený na obr. 3 a 4 je skreslený.

Ryža. 4. Profil nabíjania batérie v režime CC/CV v aktuálnom/stave súradníc nabitia

PARAMETRE LFP BATÉRIE

Ekvivalentný obvod batérie

Na obr. 5a znázorňuje ekvivalentný obvod aktívnej dvojkoncovej siete vo všeobecnej forme. Tu E int - generátor EMF, Z int je jeho vnútorný odpor (impedancia), ktorý je komplexný, to znamená, že závisí od frekvencie. Všeobecne povedané, E int a Z int - funkcie prúdu, stupňa nabitia, teploty a frekvencie. Vysvetliť povahu krivky náboja LIB LFP pri približovaní sa k stupňu náboja SoC na 100%, je potrebné podrobnejšie zvážiť jeho ekvivalentný obvod.

Ryža. 5

a) Schéma aktívnej dvojkoncovej siete vo všeobecnej forme

b) Ekvivalentný obvod batérie ako aktívny dvojpólový

E 0 - napätie otvoreného obvodu batérie (NRC);
E p je polarizačný potenciál;
R 0 - celkový ohmický odpor kontaktov, materiálu elektródy, elektrolytu atď.;
C 1 - elektrická kapacita dvojvrstvovej elektródy-elektrolytu;
R 1 - odolnosť voči prenosu náboja na rozhraní elektróda-elektrolyt;
C 2 - elektrická kapacita, určená gradientom intenzity elektrického poľa v látke elektrolytu, keď ňou preteká elektrický prúd;
R 2 - odpor, určený konečnou hodnotou difúzneho koeficientu lítiových iónov v látke elektrolytu.

Rôzne batériové ekvivalentné obvody sú diskutované v mnohých článkoch. Najkompletnejší prehľad publikácií na túto tému je uvedený v. Na obr. Na obrázku 5b je znázornený ekvivalentný obvod, ktorý podľa nášho názoru najprimeranejšie popisuje správanie batérie pri jej nabíjaní/vybíjaní, stanovené experimentálne.

Napätie batérie je určené napätím naprázdno, polarizačným potenciálom a ohmickými stratami na vnútornom odpore batérie, keď ňou preteká elektrický prúd. Nižšie sú uvedené namerané závislosti hlavných parametrov batérie od stupňa jej nabitia.

Závislosť NRC na SoC pri nabíjaní batérie.
Oleininikova rovnica

Nelineárny tvar krivky rastu napätia na začiatku nabíjacieho cyklu (obr. 1) je spôsobený rýchlou zmenou koncentrácie lítiových iónov v oblasti blízkej elektróde v kvapalnej aj tuhej fáze. Napätie otvoreného obvodu E X je určené rozdielom elektrochemických potenciálov katódy a anódy v rovnovážnom stave. Rovnicu popisujúcu potenciál interkalárnej elektródy navrhol S.A. Oleinikov:

(4)

kde E X 0 - elektrochemický potenciál interkalárnej elektródy (katóda alebo anóda);
R- univerzálna plynová konštanta;
T- absolútna teplota;
F- Faradayovo číslo;
X- stupeň interkalácie;
Komu je konštanta, ktorá zohľadňuje obsah ionizovaných nečistôt v materiáli elektródy.

Z prezentovaného výrazu vyplýva, že potenciál interkalárnej (lítiovej) elektródy závisí logaritmicky od stupňa interkalácie (koncentrácie lítiových iónov). To určuje pomalú zmenu napätia batérie pri výmene SoC v strede grafu náboja. Dá sa ukázať, že keď sa koncentrácia zmení 10-násobne, potenciál elektródy E X pri izbovej teplote sa mení asi o 59 mV. Typická hodnota E X pre lítium-železofosfátovú batériu nabitú na 60-80% za normálnych podmienok je 3,32-3,34 V.

Na obr. Obrázok 6 ukazuje experimentálne nameranú závislosť NRC batérie od stupňa jej nabitia pri izbovej teplote. Je vidieť, že závislosť NRC na SoC je skutočne logaritmický.

Ryža. 6. Závislosť NRC od úrovne náboja (v zlomkoch Сн) pri t = 25±3 °C Obr.

Závislosť vnútorného odporu od stupňa nabitia batérie

Zvážte ekvivalentný obvod na obr. 5 B. Ako ukázali merania, časová konštanta τ 1 = R jeden · C 1 je približne 10-100 ms. Hodnota R 1 určuje veľkosť vnútorného odporu R int , ktoré výrobcovia batérií uvádzajú vo svojich produktových špecifikáciách. R int je tu definovaný ako pomer hĺbky poklesu napätia batérie, keď sa na batériu aplikuje krok prúdu. V čom R int = R 0 + R jeden . Význam R int určuje prúd, ktorý je batéria schopná dodať s externým kovovým skratom na svojich bóroch. charakteristickú hodnotu R int pre batériu s kapacitou 380 Ah je 0,3-0,4 mOhm. Časová konštanta τ 2 = R 2 · C 2 je približne 10 až 20 minút a je určená relaxačným časom batérie, keď je záťaž odstránená alebo na ňu aplikovaná. Časová konštanta τ 2 závisí od veľkosti pretekajúceho prúdu a slabo závisí od stupňa nabitia batérie.

Celkový vnútorný odpor tiež slabo závisí od SoC. Na obr. Obrázok 7 ukazuje typickú experimentálne získanú závislosť vnútorného odporu batérie LT-LYP380AH od stupňa jej nabitia.

Ryža. 7. Závislosť vnútorného odporu batérie LT-LYP380AH od stupňa jej nabitia

R 0 - vnútorný odpor, meraný pri striedavom napätí s frekvenciou 1 kHz (pri meraní bol použitý prístroj Hioki 3554);
R 1 - vnútorný odpor meraný metódou 17 GOST R IEC 896-1-95 (3) ihneď po aplikácii aktuálneho kroku;
R 2 - vnútorný odpor meraný metódou 17 GOST R IEC 896-1-95 (3) jednu minútu po aplikovaní aktuálneho kroku.

Je vidieť, že keď je stupeň nabitia menší ako 80 %, vnútorný odpor batérie slabo závisí od stupňa jej nabitia. Zvýšenie nameranej hodnoty R 2 pri približovaní SoC na 100 % je určený rastom polarizačného potenciálu.

Polarizačný potenciál

Polarizačný potenciál je v rôznych zdrojoch definovaný rôzne. Na základe fyzikálneho významu je správne definovať polarizačný potenciál ako kapacitný nábojový potenciál elektródovo-elektrolytovej dielektrickej vrstvy, ktorý má pri nabíjaní/vybíjaní nízkymi prúdmi. Je definovaná ako odchýlka nameraného napätia na batérii od napätia naprázdno, keď ňou preteká prúd, mínus pokles napätia na vnútornom odpore. Fyzikálny význam spočíva v tom, že na spustenie procesu nabíjania / vybíjania batérie musí byť kondenzátor tvorený prechodom elektróda-dielektrikum-elektrolyt nabitý na určitú hodnotu. Polarizačný potenciál sa rovná celkovému nabíjaciemu napätiu kondenzátorov na dvoch elektródach. Hodnota polarizačného potenciálu pre olovenú batériu je približne 150-180 mV. Táto hodnota určuje pokles napätia na batérii pri jej prechode z režimu udržiavacieho nabíjania (pri napätí 2,23 V) do režimu vybíjania (do napätia 2,05-2,08 V).

Experimentálne sa zistilo, že pre LIB je táto hodnota výrazne nižšia a rovná sa približne 3–5 mV. Zmena polarizačného potenciálu bola definovaná ako zmena napätia na batérii pri jej prechode z nabíjacieho režimu nízkym prúdom (~0,5 A) do režimu vybíjania tiež nízkym prúdom (~1,0 A). Skutočnosť, že polarizačný potenciál LIB je oveľa nižší ako potenciál olovenej batérie, je zrejme spôsobená tým, že medzi lítium-iónovou a olovenou batériou je zásadný rozdiel. V prípade olovenej batérie je proces nabíjania sprevádzaný chemickou reakciou na rozhraní elektróda-elektrolyt, ktorá je spojená s premenou síranu olovnatého na oxid olovnatý a kyselinu sírovú na jednej elektróde a na kovové olovo a kyselinu sírovú na jednej elektróde. ostatný. V procese vybíjania prebieha reverzná chemická reakcia. V prípade LIB sa nevyskytuje na rozhraní elektróda-elektrolyt. Proces nabíjania/vybíjania je spôsobený voľnou interkaláciou lítiových iónov z materiálu katódy do materiálu anódy a naopak.

Ako už bolo spomenuté vyššie, pri priblížení SoC na 100 %, dochádza k nelineárnemu zvýšeniu polarizačného potenciálu, v dôsledku prechodu na iný typ chemickej reakcie spojenej s premenou elektrolytickej látky.

Koncept 100% nabitej batérie. Potreba vyváženia

LIB sa pri nabíjaní správa inak ako olovená batéria. Samotný koncept „batéria je nabitá na 100 %“ je pre nich odlišný. Norma DIN 40729 definuje plné nabitie oloveného akumulátora ako nabíjanie s premenou všetkej účinnej látky. 100% nabitá olovená batéria je teda batéria, v ktorej bol všetok síran olovnatý premenený na olovo (na zápornej elektróde) alebo na oxid olovnatý (na kladnej elektróde), to znamená, že tento koncept zodpovedá veľmi špecifický a jednoznačne určený stav elektrochemického systému. Olovený akumulátor sa v zásade nedá nabiť nad 100 %. Udržiavacie napätie, ktoré je pre klasické servisované olovené akumulátory 2,23 V pri izbovej teplote, je približne súčtom napätia naprázdno plne nabitého akumulátora a jeho polarizačného potenciálu.

Pre LIB je „stupeň nabitia 100 %“ relatívna hodnota. Tento koncept jednoznačne nedefinuje stav elektrochemického systému. Zvyčajne väčšina výrobcov LIB LFP na 100 % nabitia berie náboj, ktorý batéria dostala pri nabíjaní konštantným prúdom 0,2 OD kým sa nedosiahne napätie 3,7 V, nasleduje prechod do nabíjacieho režimu pri konštantnom napätí, kým nabíjací prúd neklesne na hodnotu 0,02 OD. Ak sa nabíjanie v tomto bode nezastaví, batéria sa môže naďalej nabíjať. V tomto prípade, ešte pred dosiahnutím 100% bodu, sa batéria blíži k prahu, pri ktorom sú takmer všetky lítiové ióny z katódy deinterkalované, ich počet sa stáva nedostatočným na udržanie chemickej reakcie na rovnakej úrovni. V tomto prípade sa paralelne spustí ďalšia chemická reakcia spojená s premenou elektrolytickej látky (obsahujúcej aj lítiové ióny), čo vedie k degradácii batérie. Tento fázový prechod je sprevádzaný nelineárnym zvýšením polarizačného potenciálu. Preto sa na jednej strane pri nabíjaní obmedzí nabíjacie napätie LIB, na druhej strane sa v určitom okamihu jeho ďalšie nabíjanie zastaví, inak je možné prebíjanie tzv. do stavu nabitia nad 100 %.

Dlhé dobíjanie LIB vedie k zníženiu jeho kapacity, zvýšeniu vnútorného odporu a NRC. Nepriamym znakom toho, že LIB bol dlhý čas v nabitom stave, je tvorba kovového lítia v materiáli katódy, a teda zvýšenie NRC. RPV bežnej LFP batérie nabitej na 60-80% je 3,32-3,34 V. RRP batérie LFP s lítiovým kovom v katódovom materiáli môže byť 3,4-3,45 V.

Potreba pravidelného vyrovnávania LIB v batérii je len dôsledkom toho, čo bolo opísané vyššie. Ak sa stupeň nabitia LIB v batérii vopred úplne vyrovná, časom sa stanú nevyváženými v dôsledku rozdielu v ich parametroch (kapacita, hodnota samovybíjania, vnútorný odpor), aj keď je batéria prevádzkovaná v údržbe režim nabíjania. Ďalšou ťažkosťou pri vyvažovaní LFP batérií v batérii je, že sa vyznačujú slabou závislosťou napätia na nich od stupňa ich nabitia.

Matematický model procesu nabíjania LIAB

Väčšina výrobcov LIB odporúča nabíjanie týchto batérií metódou CC / CV s prechodom do nabíjacieho režimu pri konštantnom napätí 3,7-3,9 V. Tento režim je možné použiť na nabíjanie jednej batérie, nemožno ho však použiť pre batériu pozostávajúcu zo série -prepojené batérie s rozpätím parametrov. Pri približovaní sa k stavu nabitia 100% dochádza na batérii, ktorá má najmenšiu kapacitu (najvyšší stupeň nabitia), k nelineárnemu nárastu napätia, ktorý nie je možné kompenzovať vyrovnávacím prúdom. V takom prípade sa musí proces nabíjania zastaviť ešte predtým, ako sa celá batéria nabije na 100 %.

Za účelom kvantifikácie vplyvu zmeny parametrov batérie v batérii bol vyvinutý matematický model jej nabíjania, ktorý umožnil vykonať analýzu založenú na relatívne jednoduchých výpočtoch. Zároveň je presnosť výsledkov dostatočná na určenie prípustnej odchýlky v parametroch batérií v batérii a vydanie odporúčaní o režime jej nabíjania. V tomto prípade zanedbávame vplyv teploty na proces nabíjania: predpokladá sa, že nabíjanie prebieha pri izbovej teplote.

Pre účely analýzy stačí použiť zjednodušený náhradný obvod (obr. 8). Táto schéma je správna, ak uvažujeme relatívne pomalé procesy prebiehajúce v batérii, ktorých časové konštanty sú niekoľko desiatok minút a viac, čo platí pre typický proces nabíjania batérie niekoľko hodín.

Ryža. 8. Zjednodušený batériový ekvivalentný obvod

V tomto prípade možno zanedbať vplyv elektrickej kapacity. OD 1 prechod elektróda - elektrolyt a elektrická kapacita OD 2 určená gradientom intenzity elektrického poľa v látke elektrolytu, keď ňou preteká elektrický prúd. Do úvahy tak môže byť braná len aktívna časť vnútorného odporu R int, ktorého hodnota sa počas nabíjacieho procesu predpokladá konštantná, pretože, ako bolo uvedené vyššie, vnútorný odpor slabo závisí od stupňa nabitia. V tomto prípade je potrebné správne zohľadniť vplyv polarizačného potenciálu.

Matematický model jednej batérie

Na základe modelu na obr. 8 je možné analyzovať vplyv zmeny parametrov batérie na kolísanie napätia na nich počas nabíjania a na hodnotu konečného stupňa nabitia, na ktorý je možné batériu nabiť. Na obr. Obrázok 9 zobrazuje spriemerovaný a vyhladený profil nabíjania pre batériu LT-LYP380 pri 0,2 jednosmernom prúde. OD, kým napätie batérie nedosiahne 3,7 V s prechodom do režimu nabíjania pri konštantnom napätí 3,7 V až do poklesu prúdu na 0,02 OD. Pre batériu s kapacitou 380 Ah prúd 0,2 OD bude rovný 76 A. Pri nabíjaní inými prúdmi bude mať nabíjací profil kvalitatívne rovnaký charakter, ale veľkosť úbytku napätia sa bude líšiť o veľkosť úbytku napätia na vnútornom odpore batérie.

Ryža. 9. Vyhladený profil nabíjania batérie prúdom 0,2 C s prechodom na nabíjanie stabilizovaným napätím 3,7 V

Pri akomkoľvek prúde je napätie batérie určené nasledujúcim výrazom:

Zvážte funkcie δ U von = f(δ C, δ R int, 5 Q 0). Tu δ U out - odchýlka napätia batérie ako funkcia nejakej premennej. 5 C, δ R int, 5 Q 0 - respektíve odchýlka menovitej kapacity, vnútorného odporu a počiatočného nabitia batérie od nejakej rovnovážnej hodnoty. Stanovením hodnoty konkrétnych funkcií je možné určiť vplyv šírenia konkrétnych parametrov na šírenie napätia a na proces nabíjania batérie.

Vplyv rozptylu hodnôt vnútorného odporu

Zvážte batériu batérií s rovnakou kapacitou 380 Ah a rôznym vnútorným odporom R int == R 0int + 5 R int . Nechaj R int1 = 1,0 mΩ, R int2 = 1,2 mΩ (20 %). Merania ukázali, že vnútorný odpor batérie je pomerne slabo závislý od stupňa jej nabitia. Preto z (5) môžeme získať nasledujúci výraz:

(6)

Nabíjací prúd nech je 76 A (0,2 OD n). Je zrejmé, že rozdiel v napätí dvoch batérií bude rovný δ U von = δ R int · ja (SoC)= = 16 mV počas celého nabíjacieho cyklu a ku koncu nabíjania batérie klesne na nulu. Rozpätie odporu zároveň neznižuje maximálne povolené nabitie batérie (obr. 10).

Ryža. 10. Závislosť napätia batérie od šírenia odporu

Vplyv šírenia kapacity

Uvažujme odchýlku napätia na batériách batérie počas jej nabíjania ako funkciu odchýlky ich kapacity od rovnovážnej hodnoty δ U von = f(δ C):

Podľa definície, C = Q max - maximálne nabitie, na ktoré je možné batériu nabiť. Na druhej strane, SoC= Q/ Q max. Keďže batérie v batérii sú zapojené do série, pri nabíjaní dostávajú rovnaký náboj. Q. Teda, 5 C ≈ -δ SoC pri približovaní SoC na 100 %.

Vzorec (7) je možné prepísať do nasledujúcej formy:

Na analýzu závislosti šírenia napätia na šírení kapacity je prípustné analyzovať šírenie napätia na stupni jeho nabitia. Zvážte funkciu nabíjania „pri nulovom nabíjacom prúde“:

Tu U(SoC) - funkcia nabíjania batérie prúdom 0,2 OD(ktorého graf je na obr. 9. Funkcia U 0 (SoC) formálne určuje pokles napätia na batérii, keď je „nabitá“ nulovým prúdom do stavu nabitia 100 %. To predpokladá, že hodnota U 0 nie je zhora obmedzená. Funkčná analýza správania U 0 a umožní vám určiť rozloženie napätia batérií s rôznym stupňom nabitia v batérii. Pretože v lineárnej časti grafu náboja je polarizačný potenciál prakticky nezávislý od SOC, potom sa jeho vplyv v lineárnej časti grafu berie do úvahy ako dodatočná hodnota vnútorného odporu. V nelineárnej časti je to polarizačný potenciál, ktorý určuje správanie funkcie U 0 (SoC).

Pre uľahčenie analýzy zvážte AB pozostávajúci z troch batérií. Nechajte kapacitu prvej batérie byť C 0 , druhý - C 0 - δ C, tretí - C 0 + δ C. Počas procesu nabíjania bude teda stav nabitia druhej batérie vždy vyšší ako stav nabitia prvej batérie o δ SoC ≈ δ C, tretí - menej o rovnakú hodnotu δ C. Pre istotu zvážte nabíjací profil znázornený na obr. 9. Poplatok začína od štátu SoC= 0 % DC 0,2 OD kým sa nedosiahne priemerné napätie batérie U av = 3,7 V (celkovo 11,1 V na batériu). Potom nasleduje prechod do režimu nabíjania pri priemernom napätí batérie 3,7 V s poklesom prúdu na 0,02 OD.

Na analýzu používame funkciu nabíjania U 0 (SoC). Priemerná hodnota napätia na batériách je určená nabíjačkou a rovná sa U a.v. Odchýlka napätia batérie δ U i z priemernej hodnoty je určené šírením stupňa náboja δ SoC ja Toto je znázornené na obr. jedenásť.

Ryža. 11. Príklad vysvetľujúci princíp stanovenia šírenia napätia na batériách

Pre každú hodnotu SoC 0 výrazov je platných:

V tomto prípade je potrebné vziať do úvahy fyzické obmedzenia spojené s tým, že napätie na samostatnej batérii nemôže byť nižšie ako U min:

keďže nesplnenie tejto podmienky by znamenalo zmenu znamienka polarizačného potenciálu a ukončenie procesu nabíjania batérie.

Na obr. 12 je znázornený graf nabíjania batérie prúdom 0,2 OD kým priemerné napätie na batérii nedosiahne 3,7 V s prechodom do nabíjacieho režimu pri tomto napätí. Rozpätie kapacity je ±2,5 %. Keď stav nabitia dosiahne 94 %, napätie na batérii 2 bude vyššie ako 3,7 V a v tomto momente by sa malo nabíjanie zastaviť. Prerušenie kriviek 1 a 3 je vysvetlené skutočnosťou, že krivka napätia batérie 2 rastie veľmi rýchlo (ako hyperbolická funkcia). Pri výpočte batérie pozostávajúcej z väčšieho počtu prvkov sa tento zlom vyhladí. Je teda možné vidieť, že pri priemernom napätí batérie 3,7 V je maximálny stupeň nabitia, na ktorý je možné batériu nabiť, 94 %.

Ryža. 12. Graf závislosti šírenia napätia na batériách od šírenia SoC pri nabíjaní na priemerné napätie 3,7 V

Nabiť batériu mnohých batérií s rozsahom parametrov na priemerné napätie batérie 3,7 V je prakticky nemožné. Situáciu možno zlepšiť špeciálnymi metódami nabíjania založenými na organizácii spätnej väzby medzi systémom riadenia batérie a nabíjačkou a zapojením zníženie nabíjacieho prúdu batérie na vyváženie aktuálnej hodnoty, aj keď sa tým výrazne predĺži doba nabíjania. Môžete sa tiež pokúsiť znížiť priemerné nabíjacie napätie jednotlivej batérie v batérii.

Stupeň nabitia dosiahnuteľný pri rôznych úrovniach stabilizačného napätia

Hodnota napätia pri prechode z režimu CC do režimu CV ovplyvňuje stupeň nabitia, na ktorý sa batéria nabije, keď nabíjací prúd klesne na 0,02 OD.

Na obr. 13a je znázornená závislosť napätia od doby nabíjania pri rôznych hodnotách prechodového napätia do režimu CV. Na obr. 13b - závislosť prúdu od doby nabíjania. Na grafoch je prechodové napätie do režimu CV: 1 - 3,7 V; 2 - 3,6 V; 3 - 3,5 V; 4 - 3,4 V.

Ryža. 13. Závislosť od času pri rôznych hodnotách prechodového napätia do režimu CV:
a) napätie batérie
b) nabíjací prúd batérie

Na obr. 14a je znázornená závislosť doby nabíjania batérie, kým nabíjací prúd neklesne na 0,02 OD na hodnote prechodového napätia v režime CV. Na obr. 14b - závislosť dosiahnuteľného stupňa nabitia od nabíjacieho napätia. Je vidieť, že pri zmene hodnoty prechodového napätia do režimu CV z 3,7 na 3,45 V sa doba nabíjania akumulátora ani stupeň jeho nabitia takmer nemení. To znamená, že batériu, ako aj samostatnú batériu, je možné nabíjať na nižšie napätie, napríklad do 3,4-3,45 V, s následným prechodom do režimu nabíjania stabilizovaným napätím. Nevýhodou tejto metódy je, že doba nabíjania jednej batérie sa mierne zvyšuje.

Ryža. 14. Závislosť:
a) doba nabíjania do poklesu prúdu na 0,02 C z hodnoty prechodového napätia do režimu CV;
b) dosiahnuteľný stupeň nabitia z nabíjacieho napätia

Na obr. 15a je znázornený graf nabíjania batérie prúdom 0,2 C až do dosiahnutia priemerného napätia batérie 3,4 V s prechodom do nabíjacieho režimu pri tomto napätí. Rozpätie kapacity je ±2,5 %. Nabíjanie sa zastavilo, keď sa prúd znížil na 0,02 C, pričom stupeň nabitia batérie bol 96 %. Na obr. 15b ukazuje rovnaký graf na časovej škále.

Ryža. 15. Graf závislosti rozloženia hodnôt napätia na batériách 1 (δ C= 0 %), 2 (5 OD= +2,5 %) a 3 (5 OD = -2,5 %)

Pri nabíjaní batérie pozostávajúcej zo sériovo zapojených LFP LIB je teda účelné znížiť priemerné nabíjacie napätie na 3,4-3,45 V. Presnú hodnotu priemerného nabíjacieho napätia je potrebné určiť pre konkrétny typ batérie.

ZÁVER

Príspevok považuje model LIB LFP za aktívnu dvojterminálnu sieť, ktorej parametre (napätie a vnútorný odpor generátora) nelineárne závisia od nabíjacieho/vybíjacieho prúdu, stupňa nabitia a teploty. Na určenie parametrov modelu sa použili experimentálne údaje.

Uvažuje sa o ekvivalentnom obvode, ktorý najprimeranejšie popisuje správanie batérie počas nabíjania a závislosť jej hlavných parametrov od stupňa nabitia, a uvádzajú sa experimentálne údaje. Na jednoduchom modeli je analyzované správanie LIAB pri jeho nabíjaní a vplyv rozptylu parametrov jednotlivých batérií na tento proces.

Na základe výpočtov boli získané odporúčania o parametroch nabíjacieho napätia LFP batérie. Ukazuje sa, že hodnota priemerného napätia aplikovaného na batériu pri nabíjaní batérie by sa mala znížiť na 3,4-3,45 V. Konkrétna hodnota by sa mala určiť na základe závislosti NRC od stupňa nabitia pre konkrétny typ batérie. batérie.

LITERATÚRA

Chen M., Rincon-Mora G.A. Presný model elektrickej batérie schopný predpovedať dobu chodu a výkon I-V // IEEE Transactions on Energy Conversion, v. 21, č. 2. júna 2006.
Alber G. Ohmické merania: História a fakty. [http://www.alber.com/Docs/Brochure_WhitePaperG_Alber.pdf]
GOST R IEC 896-1-95. Olovené stacionárne batérie. Všeobecné požiadavky a skúšobné metódy. Časť 1. Otvorené typy.
DIN 40729. Akkumulátory; Galvanische Sekundrelemente; Grundbegriffe.
Kedrinsky I.A., Dmitrenko V.E., Grudyanov I.I. Zdroje lítiového prúdu. M.: Energoizdat, 1992. 240 s.