Method for determining service life of traction batteries for urban electric transport

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Городской электрический транспорт играет ключевую роль в обеспечении устойчивого повышения мобильности жителей городской агломерации. Важнейшим компонентом современных транспортных средств являются тяговые аккумуляторные батареи, позволяющие эффективно обеспечивать перевозочный процесс без привязки к сетям электроснабжения. Однако ресурс батареи ограничен и подвержен влиянию множества факторов, включая режимы заряда-разряда, температурные условия, качество обслуживания и конструктивные особенности. Определение срока службы тяговых аккумуляторов представляет собой сложную технико-экономическую задачу, требующую учёта как деградационных процессов в батарее, так и специфики эксплуатации в условиях городского транспорта. Традиционные методы оценки остаточного ресурса не всегда обеспечивают достаточную точность, что приводит к преждевременной замене батарей или наоборот их отказу в процессе работы.

Рассмотрение новых подходов к прогнозированию срока службы тяговых аккумуляторных батарей, включая математическое моделирование и работу с экспериментальными данными, полученными в процессе работы городского электрического транспорта на маршрутах, позволяет более точно подбирать технические характеристики современного городского транспорта под условия его будущей эксплуатации [1–4]. Особое внимание должно быть уделено анализу факторов, влияющих на деградацию аккумуляторов, и способам оптимизации их эксплуатации для продления ресурса. Результаты исследования могут быть полезны для транспортных предприятий, производителей аккумуляторов и разработчиков систем управления энергетическими комплексами [5–10].

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА АВТОНОМНОГО ХОДА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

Решить проблему выбора рационального аккумуляторного блока питания позволяют современные методы компьютерного моделирования. Модель автономного электрического подвижного состава (АЭПС), выполненная на основе уравнений движения транспортного средства, определяющих его скорость и ускорение, остаточный заряд, напряжение и ток батареи, позволяет получить ряд характеристик (Рис. 1), таких как: степень заряда батареи (SOC), напряжение батареи (UТАБ), путь, пройденный в режиме автономного хода (SАЭП), в зависимости от времени [11].

 

Рис. 1. Характеристики АЭПС, полученные при имитационном моделировании

Fig. 1. Characteristics of the AERS obtained during simulation modeling

 

Для расчета необходимо определить тип аккумуляторной батареи и ее основные параметры: запасаемая энергия, номинальное напряжение, ёмкость, масса, конфигурация соединения ячеек [12–14].

На основании данных о рациональном использовании батареи для сохранения ее параметров и увеличения срока службы рассмотрен режим движения подвижного состава с максимальным разрядом батареи не ниже уровня SOC=60% [15]. Соблюдение подобных режимов движения позволяет обеспечивать сохранение уровня работоспособности батареи SOH=80% в течении наибольшего количества циклов заряда-разряда (Рис. 2).

 

Рис. 2. Зависимость количества циклов заряда-разряда от SOC батареи

Fig. 2. Dependence of the number of charge-discharge cycles on the battery SOC

 

Для получения зависимости пути, пройденного в режиме автономного хода, от степени разряда батареи было также промоделировано движение АЭПС в режимах разряда батареи до уровней SOC=40% и SOC=50%. Для выбранного типа батареи максимальное значение пройденного в режиме автономного хода пути составило 15, 20 и 25 километров соответственно. Результаты моделирования, показывающие зависимости степени заряда батареи SOC и пути, пройденного АЭПС в режиме автономного хода, в зависимости от времени движения приведены на Рис. 3.

 

Рис. 3. Зависимости степени заряда батареи SOC и пути, пройденного АЭПС в режиме автономного хода, от времени

Fig. 3. Dependences of the battery charge level SOC and the distance traveled by the AERS in autonomous mode on time

 

Сопоставляя полученные характеристики зависимостей количества циклов заряда-разряда батареи и пройденного пути от степени заряда батареи SOC (Рис. 4), можно получить инструмент для определения срока службы тяговой аккумуляторной батареи выбранного типа. На графике (Рис. 4) сплошной линией обозначена зависимость длины участка без контактной сети, который АЭПС может пройти в режиме автономного хода, от остаточного заряда батареи (SOC), пунктирной линией показана зависимость количества циклов заряда-разряда батареи (в тысячах циклов) от показателя SOC.

 

Рис. 4. Комбинированная диаграмма определения срока службы ТАБ

Fig. 4. Combined diagram for determining the service life of a traction battery

 

Задаваясь протяженностью участка движения в режиме автономного хода с использованием данной диаграммы, зная число циклов заряда-разряда (n_цАХ), число участков движения в режиме автономного хода в рамках маршрута (N) и предполагаемое число рабочих смен АЭПС в год (N_{смен/год}), расчетный срок службы тяговой аккумуляторной батареи (Т_сс) можно определить по формуле:

$T_{cc}=\frac{N}{N_{смен/год}\cdot n_{цАХ}}$

По данному выражению можно построить зависимость срока службы батареи от протяженности участков движения без контактной сети на маршруте (Рис. 5).

 

Рис. 5. Зависимость расчетного срока службы тяговой аккумуляторной батареи от протяженности участков движения без контактной сети

Fig. 5. Dependence of the estimated service life of the traction battery on the length of sections of movement without a contact network

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подвижной состав городского электротранспорта с автономным ходом обладает рядом существенных преимуществ, которые улучшают транспортное обслуживание населения: позволяет расширить маршрутную сеть за счет включения в нее неэлектрифицированных участков и продолжать перевозки при неисправностях контактной сети. Тяговые аккумуляторные батареи являются одним из важнейших элементов такого подвижного состава, поэтому оценка ресурса (срока службы) батареи представляет собой актуальную задачу.

На основе компьютерного моделирования режимов работы подвижного состава с автономным ходом выполнен анализ основных эксплуатационных показателей тяговых аккумуляторных батарей: степени заряда (SOC), напряжения, пути, пройденного в режиме автономного хода.

По данным обработки результатов моделирования получено выражение для оценки срока службы тяговой аккумуляторной батареи в зависимости от числа и протяженности участков автономного хода и числа рабочих смен в год. Результаты исследования могут быть использованы транспортными предприятиями и разработчиками энергетических систем подвижного состава городского электрического транспорта для оптимизации выбора и эксплуатации тяговых аккумуляторных батарей.

Авторы заявляют что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Vladimir A. Sharyakov

Scientific and Production Enterprise “EPRO”; Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Author for correspondence.
Email: v_a_shar@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2943-676X
SPIN-code: 7762-0173

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Executive Director of SPE “EPRO”, Associate Professor of the Department of Electric Traction

Russian Federation, St. Petersburg; St. Petersburg

Victor V. Nikitin

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: pgups.emks@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5699-0424
SPIN-code: 6864-5678

Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Professor of the Theoretical Foundations of Electrical Engineering and Power Engineering Department, Professor of the Electric Traction Department

Russian Federation, St. Petersburg

Kirill V. Markov

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: markov@pgups.ru
ORCID iD: 0009-0002-2701-0084
SPIN-code: 4993-0510

Senior Lecturer at the Department of Electric Traction

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files