Ученые Томского политеха совместно с коллегами из Новосибирска разработали модель, которая позволяет определить оптимальные условия для обеспечения максимального срока службы аккумуляторной батареи электробуса. Она учитывает степень заряженности батареи, температурные режимы, количество пассажиров и скорость движения транспорта. Модель доказала свою эффективность во время экспериментов на реальных городских и пригородных маршрутах.
Результаты работы ученых опубликованы в журнале Mathematics. Ученые разработали имитационную модель, отражающую тепловые и электрические процессы, происходящие в аккумуляторной батарее при различных условиях эксплуатации. Реализация методики включала несколько последовательных этапов: полевые испытания транспортного средства, сбор и анализ эксплуатационных данных, построение и проверку математической модели, описывающей деградацию аккумуляторной батареи.
«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 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 заездов электробус работал как с частичной, так и с полной загрузкой. Максимальная скорость составляла 70 км/ч, при этом транспортное средство делало остановки на каждом маршруте для посадки и высадки пассажиров.
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 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, — отметил руководитель проекта Никита Мартюшев. — Для исследования процесса старения аккумулятора была составлена система уравнений, которая учитывала 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 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.
Моделирование подтвердило, что промежуточные зарядные станции на маршрутах позволят эффективно контролировать тепловой режим и значительно снизить скорость деградации.
«В будущем важно разрабатывать более точные модели, учитывающие распределение температуры и процессы, происходящие внутри аккумулятора, а также особенности разных типов батарей. Перспективным направлением является подключение телематических данных и цифровых двойников для адаптивного управления. Кроме того, стоит учитывать случайный характер условий эксплуатации и строить вероятностные модели для более точного прогноза срока службы аккумуляторов в автопарках», — отметил Никита Мартюшев.
В исследованиях участвовали сотрудники Инженерной школы информационных технологий и робототехники, Инженерной школы новых производственных технологий, Юргинского технологического института (филиал ТПУ), НГТУ.