Сотрудники ТПУ и новосибирские ученые создали модель, позволяющую выявить наилучшие условия для продления срока эксплуатации аккумуляторной батареи электробуса. В ее работе учитываются уровень заряда батареи, температурные условия, количество пассажиров и скорость движения. Эффективность модели была подтверждена в ходе испытаний на действующих городских и пригородных маршрутах.
Результаты работы ученых опубликованы в журнале Mathematics (Q1, IF: 2.3).
Имитационная модель, воспроизводящая тепловые и электрические процессы в аккумуляторной батарее при разных условиях эксплуатации, была разработана учеными. В ее реализацию входило несколько этапов, выполнявшихся последовательно: проведение полевых испытаний транспортного средства, сбор и анализ данных о его эксплуатации, создание и проверка математической модели, описывающей деградацию аккумуляторной батареи.
«Разработанная нами модель сочетает в себе физико-химическое моделирование, статистический анализ и методы нейронных сетей. Ее ключевое преимущество – способность адаптироваться к особенностям маршрутов электробусов, учитывая климатические условия, режимы зарядки и глубину разряда. Это позволяет в реальном времени оптимизировать параметры работы аккумулятора, — пояснил руководитель проекта, доцент отделения информационных технологий Инженерной школы информационных технологий и робототехники Никита Мартюшев.
На начальном этапе электробус прошел всесторонние испытания на городских и пригородных маршрутах. В рамках программы было осуществлено девять заездов, которые позволили оценить его работу в различных дорожных условиях и при разной интенсивности движения. В ходе испытаний электробус функционировал как при небольшой, так и при максимальной загрузке. Достигнутая максимальная скорость составила 70 км/ч, при этом на каждом маршруте производились остановки для посадки и высадки пассажиров.
В процессе экспериментов фиксировались и измерялись такие параметры, как уровень заряда аккумуляторной батареи, крутящий момент асинхронных электродвигателей, температура электродвигателей и инверторов, напряжение аккумуляторной батареи, а также частота вращения электродвигателя.
«На основе полученных данных была разработана обобщенная функциональная схема тягового электрооборудования электробуса. Математическая модель охватывала расчет глубины разряда аккумуляторной батареи, моделирование функционирования тяговой системы и самой аккумуляторной батареи, а также оценку тяговых усилий, создаваемых асинхронными электродвигателями, управляемыми посредством преобразователей частоты, — отметил Никита Мартюшев. — Для изучения старения аккумулятора была разработана система уравнений, описывающая влияние температуры, уровня заряда и токов заряда-разряда на снижение емкости».
Температурные колебания оказывают значительное влияние на долговечность аккумуляторов. Повышение температуры на 15 градусов приводит к сокращению срока их службы на 30%, а эксплуатация при температуре 43 градуса уменьшает срок службы почти вдвое. Кроме того, существенное значение имеет токовый режим. Разряд или заряд аккумулятора в два раза быстрее обычного приводит к снижению ресурса на 30%, а увеличение скорости зарядки/разрядки в четыре раза – на 47%.
Ученые утверждают, что для наилучшей работы аккумулятора рекомендуется поддерживать уровень его заряда в диапазоне от 25% до 65% и обеспечивать температуру окружающей среды в пределах 20–30 градусов.
Согласно результатам моделирования, установка промежуточных зарядных станций вдоль маршрутов обеспечит эффективное поддержание температуры и существенно замедлит процесс деградации.
«Для дальнейшего развития необходимо создавать более совершенные модели, которые будут учитывать температурное распределение, внутренние процессы аккумулятора и характеристики различных типов батарей. Подключение телематических данных и использование цифровых двойников для адаптивного управления представляется перспективным подходом. Также необходимо принимать во внимание случайные факторы, влияющие на условия эксплуатации, и создавать вероятностные модели для более точного прогнозирования продолжительности службы аккумуляторов в автопарках», — добавил Никита Мартюшев.
В исследованиях приняли участие сотрудники Инженерной школы информационных технологий и робототехники, Инженерной школы новых производственных технологий, Юргинского технологического института (филиал ТПУ) и НГТУ.
Информация предоставлена пресс-службой Томского политехнического университета