Введение к работе
Актуальность работы. Будущее автономного электротранспорта в
России связано с совершенствованием процессов энергосбережения и
повышения энергоэффективности, что невозможно без развития
технологии аккумулирования энергии. В связи с этим, актуальной задачей
является разработка и совершенствование накопителей энергии и систем
управления ими, обеспечивающих улучшение эксплуатационных
характеристик.
По прогнозам «Федеральной сетевой компании», объем парка
электрического транспорта (в том числе муниципального и
коммерческого) в ближайшем будущем только в Москве и Московской
области превысит 100 000 единиц техники. В настоящее время реализуется
с целью
создания условий для внедрения автономного общественного и частного
электротранспорта. Совершенствование алгоритмов управления
накопителем на основе многоэлементной аккумуляторной батареи с их
дальнейшей интеллектуализацией направлено, прежде всего, на
увеличение разрядного времени накопителя, что позволит увеличить пробег транспортного средства до подзарядки, сократить время зарядки и расход электроэнергии, затрачиваемый на этот процесс.
Развитие технологий в области накопления энергии связано с широким внедрением нового типа тяговых батарей на базе литий-ионных ячеек, имеющих при эксплуатации ряд особенностей, отличающих их от широко применяемых до последнего времени типов аккумуляторов.
Вопросам разработки, моделирования, проектирования и
эксплуатации электротехнических комплексов на базе литий-ионных аккумуляторов посвящено большое число научных работ зарубежных и отечественных ученых. Среди них следует отметить труды Багоцкого В.С., Бажинова А.В., Борисевича А.В., Кедринского И.А., Hopkins D.C., Hu X., Huria T., Moore S., Pistoia G., Rahimi H., Ramadesigan V., Subramanian V., Tarascon J., Tremblay O., Wang Q. и многих других, в которых в той или иной мере решаются задачи текущего контроля ключевых параметров: тока, критического напряжения на ячейках, температуры и др., направленного на предотвращение аварийных ситуаций и снижения фактической емкости всего накопителя.
Таким образом, повышение эффективности многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи, связанное с совершенствованием процесса балансировки ячеек в процессе заряда и эксплуатации, направленного на увеличение фактической емкости накопителя, является актуальной задачей.
Целью работы является повышение эффективности
многоэлементного литий-ионного накопителя, используемого в объектах автономного электротранспорта, за счет увеличения его фактической
емкости путем совершенствования процесса балансировки аккумуляторных ячеек на этапе межэксплуатационной зарядки.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ особенностей эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей, на основе которого выделить основные контролируемые параметры многоэлементного накопителя энергии;
определить структуру системы контроля и управления многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи, описать выполняемые ею функции и рабочие режимы;
разработать математическую модель системы контроля и управления многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи и алгоритмы управления процессами эксплуатации накопителя, повышающие эффективность его использования в объектах автономного электротранспорта;
определить базовые параметры зарядного процесса и исследовать их влияние на эксплуатационные характеристики многоэлементного накопителя;
разработать методику расчета состояния уровня заряда с применением правил нечеткой логики;
выполнить практическую проверку предложенных методик и алгоритмов для накопителя энергии на базе литий-ионных батарей для объектов автономного электротранспорта с расчетом показателей эффективности.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является электротехнический комплекс, в составе которого присутствует многоэлементная литий-ионная аккумуляторная батарея. Предметом исследования являются методики и алгоритмы управления функционированием многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработан алгоритм межэксплуатационной зарядки с усовершенствованным процессом балансировки, позволивший увеличить продолжительность разряда многоэлементной литий-ионной батареи на 12-15%.
-
Построена компьютерная модель системы контроля и управления многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи, позволившая определить параметры процесса балансировки, такие как разбаланс, потери и время зарядки и, как следствие, основные характеристики, связанные с предстоящей эксплуатацией накопителя в объектах автономного электротранспорта.
-
Разработана методика выбора количества циклов балансировки многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи,
обеспечивающая увеличение максимального времени ее разряда, с одной стороны, и уменьшенный размах напряжений заряжаемых ячеек, с другой.
4. Предложена методика улучшения оценки уровня заряда многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи с применением правил нечеткого вывода, основанная на обработке экспериментальных значений разрядного тока, уровней напряжений ячеек накопителя и текущей величины заряда.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Полученные соискателем основные научные результаты соответствуют пунктам 1-3 паспорта специальности 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработано и реализовано схемотехническое решение системы контроля и управления многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи, обеспечивающее контроль параметров и управление режимами работы накопителя объектов электротранспорта;
разработанные математические модели многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи и системы ее контроля и управления могут быть использованы при проектировании накопителей энергии для электропитания автономных объектов различного назначения;
предложенная методика оценки состояния уровня заряда на базе нечетких правил увеличивает точность определения остаточной емкости многоэлементного литий-ионного накопителя энергии на 5-7%.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Количество циклов балансировки и величина балластного сопротивления являются базовыми параметрами, влияющими на значения эксплуатационных характеристик, изменяя которые удается увеличить продолжительность разряда многоэлементной литий-ионной батареи на 12-15%.
-
Предложенная методика выбора количества циклов балансировки многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи, основанная на поиске компромисса между увеличением максимального времени ее разряда, с одной стороны, и уменьшением размаха напряжений заряжаемых ячеек - с другой позволяет улучшить соотношение времени заряда и разряда накопителя и, как следствие, его основные эксплуатационные характеристики.
-
Разработанная компьютерная модель системы контроля и управления многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи позволяет осуществить окончательный выбор элементов накопителя, а также определить его основные характеристики, связанные с предстоящей эксплуатацией в объектах автономного электротранспорта.
-
По результатам экспериментальных исследований разработана система нечеткого вывода, содержащая 25 правил, позволяющая при вычислении состояния уровня заряда многоэлементной литий-ионной
аккумуляторной батареи учесть влияние разрядных токов, уровней напряжений ячеек накопителя и текущей величины заряда.
Методы исследований. Поставленные задачи решались путем проведения лабораторных экспериментов на многоэлементных литий-ионных накопителях различной конфигурации. В работе использованы методы математического моделирования, методы управления сложными объектами с использованием нечетких правил, экспериментальные испытания разработанных технических решений. Математическое моделирование проводилось в среде MATLAB+Simulink.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные
схемотехнические решения, методики и алгоритмы управления признаны
эффективными и внедрены в производственную деятельность ООО
«Современные энергетические решения», ООО «ЛионСистемс»
(г. Москва).
Достоверность результатов подтверждается корректностью
применяемого математического аппарата и методов математического моделирования, сходимостью результатов вычислительных экспериментов и апробацией разработанных алгоритмов. Справедливость выводов относительно адекватности используемых математических моделей подтверждается экспериментальными исследованиями разработанного технического устройства.
Личный вклад. Постановка задач, методология и алгоритмы их решения, основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, разработаны и получены автором самостоятельно.
Апробация работы. Результаты работы, а также отдельные её
разделы докладывались и обсуждались на XXI, XXII и XXIII
Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых
учёных «Ломоносов» (Москва, МГУ, 2014, 2015, 2016), Международном
молодежном конкурсе инновационных проектов и стартапов «Потенциал
будущего» (Москва, МГУ, 2016), Молодежной научно-практической
конференции «Россия–Монголия» (Иркутск, 2016), XII Международной
научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного
приборостроения» (Саратов, 2016), I-й Международной школе-
конференции молодых ученых «Динамика сложных сетей и их применение в интеллектуальной робототехнике DCNAIR 2017» (Саратов, 2017). Результаты диссертации использовались при выполнении гранта, выделяемого «Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» победителям конкурса «УМНИК» (договор 12158ГУ/2017).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 научных работах, из них 2 – в периодических изданиях из перечня ВАК Минобрнауки РФ. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 70%.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, основные выводы по результатам научных исследований, библиографический список и приложение. Общий объём диссертации 127 страниц, в том числе 64 рисунка, 9 таблиц, список использованной литературы из 100 наименований и приложение на 3 страницах.