Modern Transportation Systems and TechnologiesModern Transportation Systems and TechnologiesИнновационные транспортные системы и технологии2782-3733Eco-Vector69585110.17816/transsyst695851Original studiesОригинальные статьиResearch ArticleResidual life estimation of batteries in DC power systems of traction substationsОценка остаточного ресурса аккумуляторных батарей в системах оперативного постоянного тока тяговых подстанцийhttps://orcid.org/0009-0005-1468-93684075-5430BakanovaElena I.БакановаЕлена Игоревна
Russian Federation

postgraduate student

аспирант

bakanovaei@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0002-9732-4767MorozkinMaxim S.МорозкинМаксим Сергеевич
Russian Federation

engineer

инженер

morozkinms@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1205-19948626-0883NezevakVladislav L.НезевакВладислав Леонидович
Russian Federation

Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Professor of the Department of Electric Power Supply of Railway Transport

д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

ostu_ietpss_articles@mail.ruOmsk State Transport UniversityОмский государственный университет путей сообщения2503202612156750611202529012026Copyright ©; 2026, Bakanova E.I., Morozkin M.S., Nezevak V.L.Copyright ©; 2026, Баканова Е.И., Морозкин М.С., Незевак В.Л.2026Bakanova E.I., Morozkin M.S., Nezevak V.L.Баканова Е.И., Морозкин М.С., Незевак В.Л.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://transsyst.ru/transj/article/view/695851

Designing of intelligent traction substations relies on IT solutions implemented to improve the operational reliability of equipment. One of the ways to improve the reliability of traction substations is to develop condition monitoring systems allowing to detect developing defects and predict the equipment service life. The reliability of traction substations is determined by a number of solutions, including the direct current (DC) power systems with batteries. Today, the residual life of batteries is not determined during maintenance and the condition is assessed during a scheduled maintenance. In addition, the systems that reduce the labor intensity of determining the residual life of batteries are used to increase the reliability of the control current system and traction substations.

AIM: This study aimed to develop a battery model based on the digital twin concept, where the battery's residual life is determined based on the recorded current, voltage, and temperature data with sufficient accuracy for engineering design purposes.

METHODS: The study uses static battery operation observations processed using the experimental design, mathematical statistics, and numerical analysis methods.

RESULTS: We propose a digital twin of a traction substation battery allowing to determine the residual life by monitoring the basic battery performance indicators in various conditions.

CONCLUSION: The findings may be used to develop control and management systems based on a digital battery twin with condition monitoring capabilities implemented in the intelligent traction substations.

Построение высокоавтоматизированных тяговых подстанций опирается на решения в области информатизации, реализация которых позволяет повысить надежность работы оборудования. Одним из направлений повышения надежности тяговых подстанций выступает развитие систем мониторинга технического состояния, работа которых позволяет выявлять развивающиеся дефекты и прогнозировать срок службы оборудования. Уровень надежности тяговых подстанций определяется рядом технических решений, одним из которых являются системы оперативного постоянного тока с входящими в их состав аккумуляторными батареями. На сегодняшний день остаточный ресурс аккумуляторных батарей в ходе технического обслуживания не определяется, а оценка состояния выполняется на основе плановых видов технического обслуживания. Применение систем, позволяющих снизить трудоемкость работ по определению остаточного ресурса аккумуляторных батарей, одновременно с этим направлено на повышение надежности системы оперативного тока и тяговых подстанций.

Цель. Разработка модели аккумуляторной батареи на основе концепции цифрового двойника, в которой определение остаточного ресурса аккумуляторной батареи выполняется на основе данных регистрации показателей тока, напряжения и температуры, с достаточной для инженерных расчетов точностью.

Материалы и методы. Достижение цели исследования базируется на основе статических данных наблюдений при работе аккумуляторной батареи, для обработки которых применялись методы планирования эксперимента, математической статистики, а также численные методы анализа.

Результаты. Предложен цифровой двойник аккумуляторной батареи тяговой подстанции. Такой двойник позволяет определять остаточный ресурс на основе контроля основных показателей работы батареи в различных режимах.

Заключение. Результаты исследования предназначены для построения систем контроля и управления на основе цифрового двойника аккумуляторной батареи, реализующих функции мониторинга технического состояния в составе высокоавтоматизированных тяговых подстанций.

traction power systemtraction substationdirect current power systembatterycyclic and calendar capacity degradationcapacitycontributorsrecorded indicatorsсистема тягового электроснабжениятяговая подстанциясистема оперативного постоянного токааккумуляторная батареяциклическая и календарная деградацияемкостьвлияющие факторырегистрируемые показателиKhaleel M, Yusupov Z, Kilic H, et al. Battery technologies in electrical power systems: pioneering secure energy transitions. J Power Sources. 2025;653:237709. doi: 10.1016/j.jpowsour.2025.237709 EDN: MFQXJOKhaleel M., Yusupov Z., Kilic H. et al. Battery technologies In electrical power Systems: Pioneering secure energy transitions // Journal of Power Sources. 2025. Vol. 653, № 237709. doi: 10.1016/j.jpowsour.2025.237709 EDN: MFQXJOKhalid MT, Yousif M, Kazmi SAA, et al. Coordinated scheduling and multi-energy storage planning for electric train operations. Results Eng. 2025;27:106751. doi: 10.1016/j.rineng.2025.106751 EDN: KQTXVIKhalid M.T., Yousif M., Kazmi S.A.A. et al. Coordinated scheduling and multi-energy storage planning for electric train operations // Results in Engineering. 2025. Vol. 27, № 106751. doi: 10.1016/j.rineng.2025.106751 EDN: KQTXVIRazif ASM, Aziz NFA, Kadir MZAA, et al. Accelerating energy transition through battery energy storage systems deployment: a review on current status, potential and challenges in Malaysia. Energy Strategy Rev. 2024;52:101346. doi: 10.1016/j.esr.2024.101346Razif A.S.M., Aziz N.F.A., Kadir M.Z.A.A. et al. Accelerating energy transition through battery energy storage systems deployment: A review on current status, potential and challenges in Malaysia // Energy Strategy Reviews. 2024. Vol. 52, № 101346. doi: 10.1016/j.esr.2024.101346Liu B, Qin S, Lyu Z, et al. On-line estimation for impedance of lithium-ion battery in DC-DC charger converter with step-response data and morlet wavelet. Measurement. 2026;257(Pt B):118677. doi: 10.1016/j.measurement.2025.118677B. Liu, S. Qin, Z. Lyu et al. On-line estimation for impedance of lithium-ion battery in DC-DC charger converter with step-response data and morlet wavelet // Measurement. 2026. Vol. 257, Part B, № 118677. /. doi: 10.1016/j.measurement.2025.118677 EDN: UVLIYRTrovò A, Zamboni W, Marini G, et al. A flow battery cell testing facility for versatile active material characterization: features and operations. J Power Sources. 2025;625:235679. doi: 10.1016/j.jpowsour.2024.235679 EDN: QVJUXCTrovò A., Zamboni W., Marini G. et al. A flow battery cell testing facility for versatile active material characterization: Features and operations // Journal of Power Sources. 2025. Vol. 625, № 235679. doi: 10.1016/j.jpowsour.2024.235679 EDN: QVJUXCAmsterdam S, Chang W. Design of a low-cost ultrasonic testing instrument for battery metrology. Electrochim Acta. 2025;524:146012. doi: 10.1016/j.electacta.2025.146012 EDN: JODVUVAmsterdam S., Chang W. Design of a low-cost ultrasonic testing instrument for battery metrology // Electrochimica Acta. 2025. Vol. 524, № 146012. doi: 10.1016/j.electacta.2025.146012 EDN: JODVUVXu W, Liu L, Li M, et al. Comprehensive review on capacity degradation mechanisms and state-of-health estimation of sodium-ion batteries. J Energy Storage. 2025;132(Pt B):117725. doi: 10.1016/j.est.2025.117725 EDN: TDHCDDXu W., Liu L., Li M. et al. Comprehensive review on capacity degradation mechanisms and state-of-health estimation of sodium-ion batteries // Journal of Energy Storage. 2025. Vol. 132, Part B, № 117725. doi: 10.1016/j.est.2025.117725 EDN: TDHCDDAlic A, Zordan S, Paola A, et al. Optimal scheduling and revamping plan of a battery storage subject to capacity degradation. Sustain Energy Grids Netw. 2025;43:101823. doi: 10.1016/j.segan.2025.101823 EDN: YXXYAQAlic A., Zordan S., Paola A. et al. Optimal scheduling and revamping plan of a battery storage subject to capacity degradation // Sustainable Energy, Grids and Networks. 2025. Vol. 43, № 101823. doi: 10.1016/j.segan.2025.101823 EDN: YXXYAQNi Y, Pei L, Jiang W, et al. Accurate estimation of residual capacity for large-scale retired-LFP batteries with multiple aging pathways. J Energy Storage. 2025;127:117111. doi: 10.1016/j.est.2025.117111 EDN: DGNKGKNi Y., Pei L., Jiang W. et al. Accurate estimation of residual capacity for large-scale retired-LFP batteries with multiple aging pathways // Journal of Energy Storage. 2025. Vol. 127, № 117111. doi: 10.1016/j.est.2025.117111 EDN: DGNKGKBorisov PV, Vorob’ev AA. Review of software algorithm for diagnosing the residual life of lithium-ion traction battery packs for rolling stock. Izvestiia Peterburgskogo Universiteta Putei Soobshcheniia. 2023;20(2):471–477. (In Russ.) doi: 10.20295/1815-588X-2023-2-471-477 EDN: MYXELLБорисов П.В., Воробьев А.А. Обзор алгоритма программного обеспечения для диагностики остаточного ресурса литий-ионных аккумуляторных батарей тягового подвижного состава // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2023. Т. 20, № 2. С. 471–477. doi: 10.20295/1815-588X-2023-2-471-477 EDN: MYXELLStarodubtseva IV. Methodology for diagnosing the residual service life of a traction battery of a hybrid vehicle. Avtomobil’naia Promyshlennost’. 2015;(2):27–28. (In Russ.) EDN: TQTGGDСтародубцева И.В. Методика диагностики остаточного эксплуатационного ресурса тяговой аккумуляторной батареи гибридного автомобиля // Автомобильная промышленность. 2015. № 2. С. 27–28. EDN: TQTGGDMen’shikov IaA. Lithium-ion battery resource monitoring system. Vestnik Moskovskogo Energeticheskogo Instituta. 2022;(3):105–110. (In Russ.) doi: 10.24160/1993-6982-2022-3-105-110 EDN: UPIWTOМеньшиков Я.А. Система мониторинга ресурса литий-ионных аккумуляторных батарей // Вестник Московского энергетического института. 2022. № 3. С. 105–110. doi: 10.24160/1993-6982-2022-3-105-110 EDN: UPIWTOKhandorin MM, Bukreev VG. Estimation of the residual capacity of a lithium-ion battery based on a reference model. Vestnik Sibirskogo Gosudarstvennogo Aerokosmicheskogo Universiteta im. Akademika M.F. Reshetneva. 2014;1(53):94–97. (In Russ.) EDN: SBPCANХандорин М.М. Букреев В.Г. Оценка остаточной емкости литий-ионного аккумулятора на основе эталонной модели // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2014. № 1(53). С. 94–97. EDN: SBPCANSufyan MR, Nasrudin AM, Munir AT, et al. Charge coordination and battery lifecycle analysis of electric vehicles with V2G implementation. Electr Power Syst Res. 2020;184:106307. doi: 10.1016/j.epsr.2020.106307 EDN: JAYPYYSufyan M.R., Nasrudin A.M., Munir A.T. et al. Charge coordination and battery lifecycle analysis of electric vehicles with V2G implementation // Electric Power Systems Research. 2020. Т. 184. № 106307. doi: 10.1016/j.epsr.2020.106307 EDN: JAYPYYSui X, Swierczynski M, Teodorescu R, et al. The degradation behavior of LiFePO4/C batteries during long-term calendar aging. Energies. 2021;14(6):1732. doi: 10.3390/en14061732 EDN: EVAXWPSui X., Swierczynski M., Teodorescu R. et al. The degradation behavior of LiFePO4/C batteries during long-term calendar aging // Energies. 2021. Т. 14. №. 6. P. 1732. doi: 10.3390/en14061732 EDN: EVAXWPBakanova EI, Morozkin MS, Nezevak VL. Application of monitoring system registration data for assessing the technical condition of substation battery packs. In: Proceedings of the VI All-Russian Scientific and Technical Conference with International Participation; 2025; Omsk. Omsk: Omskii gos. un-t putei soobshch.; 2025:196–204. (In Russ.) EDN: FEIUXSБаканова Е.И., Морозкин М.С., Незевак В.Л. Применение данных регистрации систем мониторинга для оценки технического состояния аккумуляторных батарей подстанций // Материалы VI всеросс. науч.-техн. конф. с межд. участием. Омск: Омский гос. ун-т путей сообщ. 2025. С. 196–204. EDN: FEIUXSWang W, Wang J, Tian J, et al. Application of Digital Twin in Smart Battery Management Systems. Chin J Mech Eng. 2021;34:57. doi: 10.1186/s10033-021-00577-0Wang, W., Wang, J., Tian, J. et al. Application of Digital Twin in Smart Battery Management Systems // Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2021. Vol. 34, № 57. doi: 10.1186/s10033-021-00577-0 EDN: HENKESBakanova EI, Kremlev IA, Nezevak VL. Algorithm for determining the residual life of battery packs for monitoring subsystems of digital traction substations. Izvestiia Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Elektromekhanika. 2025;68(1):20–29. (In Russ.) doi: 10.17213/0136-3360-2025-1-20-29 EDN: GXNGEYБаканова Е.И., Кремлев И.А., Незевак В.Л. Алгоритм определения остаточного ресурса аккумуляторных батарей для подсистем мониторинга цифровых тяговых подстанций // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2025. Т. 68, № 1. С. 20–29. doi: 10.17213/0136-3360-2025-1-20-29 EDN: GXNGEYCertificate of State Registration of a Computer Program RUS No. 2025661966 / 14.05.2025. Russian Federation Nezevak VL, Kremlev IA, Bakanova EI. Calculation of the residual life of a traction substation battery pack. (In Russ.) EDN: ZWQQBRСвидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ РФ № 2025661966 / 14.05.2025. Незевак В.Л., Кремлев И.А., Баканова Е.И. Расчет остаточного ресурса аккумуляторной батареи тяговой подстанции. EDN: ZWQQBR