Сибирские ученые разработали модель, позволяющую увеличить срок службы аккумуляторов
Ученые Томского политеха (ТПУ) совместно с коллегами из Новосибирска разработали имитационную модель, которая отражает тепловые и электрические процессы, происходящие в аккумуляторной батарее электробуса при различных условиях эксплуатации, и позволяет определить оптимальные условия для достижения максимального срока службы аккумулятора.
Реализация разработки включала несколько последовательных этапов: полевые испытания транспортного средства, сбор и анализ эксплуатационных данных, построение и проверку математической модели, описывающей деградацию аккумуляторной батареи. Модель учитывает такие параметры, как степень заряженности батареи, температурные режимы, количество пассажиров и скорость движения транспорта.
«Предложенная нами модель — это что-то среднее между физико-химическим моделированием, статистическим анализом и методами нейронных сетей. Ее новизна заключается в возможности адаптации к конкретным маршрутам электробусов с учетом климатических условий, режимов зарядки и глубины разряда, что позволяет в режиме реального времени оптимизировать параметры работы аккумулятора», — рассказал руководитель проекта, доцент отделения информационных технологий Инженерной школы информационных технологий и робототехники ТПУ Никита Мартюшев.
На первом этапе были проведены полномасштабные испытания электробуса на городских и пригородных маршрутах. Всего было выполнено девять заездов, охватывающих различные дорожные условия, интенсивность движения. В ходе экспериментов измерялись и регистрировались уровень заряда аккумуляторной батареи, крутящий момент асинхронных электродвигателей, температура электродвигателей и инверторов, напряжение аккумуляторной батареи, частота вращения электродвигателя.
На основании полученных данных была разработана обобщенная функциональная схема тягового электрооборудования электробуса. Математическая модель включала расчет глубины заряда аккумуляторной батареи, моделирование работы тяговой системы и самой аккумуляторной батареи, оценку тяговых усилий, создаваемых асинхронными электродвигателями, управляемыми через преобразователи частоты. Алгоритм учитывал влияние температуры, уровня заряда и токов заряда/разряда на потерю емкости.
Результаты исследования показали, что на срок службы аккумулятора сильно влияет температурное воздействие. Повышение температуры на 15 градусов сокращает срок службы на 30 %, а эксплуатация при температуре 43 градуса Цельсия сокращает срок службы почти вдвое. Также важен токовый режим. При разрядке или зарядке аккумулятора в два раза быстрее, чем при обычном токе, его ресурс снижается на 30 %, при скорости зарядки/разрядки в четыре раза — быстрее на 47 %.
По словам ученых, оптимальные условия эксплуатации аккумулятора возможны при текущем уровне заряда в пределах от 25 до 65 % и при температуре от 20 до 30 градусов Цельсия. Моделирование подтвердило, что промежуточные зарядные станции на маршрутах позволят эффективно контролировать тепловой режим и значительно снизить скорость деградации.
В будущем ученые планируют развивать модель с использованием телематических данных, технологий цифровых двойников и вероятностного моделирования. Это позволит более точно прогнозировать срок службы аккумуляторов с учетом случайных факторов городской среды и специфики разных типов батарей.