НИР: Разработка математической модели ячейки тяговой аккумуляторной батареи эмпирическим методом

Тема НИР: Разработка математической модели ячейки тяговой аккумуляторной батареи эмпирическим методом

Цель работы: Разработать математическую модель ячейки тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ) на основе экспериментальных данных.

Задачи работы:

- разработать стенд для исследования характеристик ячейки ТАБ на основе микроконтроллерной платы Arduino,

- провести серию экспериментов по определению характеристик ячейки ТАБ: замыкание ячейки ТАБ на резистивную нагрузку, зарядка постоянным током,

- разработать математическую модель ячейки ТАБ,

- определить параметры математической модели ячейки ТАБ с помощью Simulink Design Optimization.

Отчёт по НИР должен содержать:

1) обзор методов регистрации и логирования токов и напряжений электрических цепей с помощью микроконтроллерной платы,

2) описание разработанного стенда для исследования характеристик ячейки ТАБ: тип батареи, схема подключения, диапазон рабочих температур, токи заряда-разряда,

3) результаты экспериментов по исследованию ТАБ,

4) описание методов построения эмпирической модели: регрессионный анализ, аппроксимация, интерполяция.

5) выбор конкретного метода построения модели и его обоснование,

6) описание полученной математической модели ячейки ТАБ,

Введение

Развитие электротранспорта и соответствующих им систем хранения энергии играет значительную роль в развитии транспортной отрасли, и является приоритетной целью в улучшении экологической чистоты транспорта. Тяговые аккумуляторные батареи (ТАБ) играют ключевую роль в функционировании электромобилей и других электротехнических систем, обеспечивая им высокую мобильность и независимость от внешних источников энергии. Однако, эффективность и долговечность ТАБ напрямую зависят от её параметров и условий эксплуатации, в том числе – от правильного управления циклами зарядки-разрядки.

Создание точной математической модели ТАБ является актуальной задачей, позволяющей оптимизировать процессы проектирования, эксплуатации и управления этими системами. Моделирование позволяет предсказывать поведение ТАБ в различных режимах работы, оптимизировать параметры системы для достижения максимальной эффективности, а также прогнозировать срок службы батареи.

В данной работе предлагается подход к созданию математической модели ТАБ на основе экспериментальных данных. В основе модели лежит анализ зависимостей между входными параметрами (ток, напряжение, температура) и выходными параметрами (емкость, мощность, время заряда/разряда), полученных экспериментально.

Результаты данной работы позволят получить ценные знания о характеристиках ТАБ и разработать эффективные алгоритмы управления для оптимизации работы системы зарядки батарей.

1. Обзор методов регистрации и логирования токов и напряжений электрических цепей

Современные методы регистрации и логирования токов и напряжений электрических цепей играют ключевую роль в анализе и оптимизации работы различных систем, от простых домашних приборов до сложных промышленных установок. Они позволяют получать ценные данные о поведении электрических цепей в реальном времени, проводить диагностику, выявлять проблемы и оптимизировать работу оборудования.

Методы регистрации и логирования можно разделить на следующие категории:

1.1 Аналоговые методы

Аналоговые осциллографы: Классический метод, позволяющий визуально наблюдать за изменением сигнала во времени. Современные аналоговые осциллографы могут иметь высокую частоту дискретизации и точность, но требуют ручного анализа полученных данных.

Аналоговые регистраторы: Записывают данные на ленту или магнитную карту, отличаются высокой скоростью записи и стабильностью, но требуют дополнительных действий для обработки данных.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП): Преобразуют аналоговый сигнал в цифровой, что позволяет использовать компьютер для обработки данных.

1.2 Цифровые методы

Цифровые осциллографы: Позволяют не только визуально наблюдать за сигналом, но и записывать, анализировать и обрабатывать полученные данные. Современные осциллографы имеют широкие возможности по анализу сигналов, включая спектральный анализ, измерение определенных параметров сигнала, вычисление средних значений и т.д.

Логгеры данных: Специализированные устройства, которые записывают данные от сенсоров, включая токи и напряжения, на внутреннюю память или передают их по сети. Логгеры могут иметь различные интерфейсы (USB, Ethernet, Wi-Fi), а также дополнительные функции, такие как запись текущих температуры, влажности и других параметров.

Системы сбора данных (СКД): Комплексные системы, включающие в себя сенсоры, АЦП, обработку данных и хранилище. СКД позволяют собирать данные от большого количества сенсоров, включая датчики тока и напряжения, обрабатывать их в реальном времени и визуализировать результаты, и используются на крупных предприятиях.

1.3 Методы на основе микроконтроллеров

Микроконтроллерные системы: Позволяют создать гибкую и универсальную систему регистрации и логирования токов и напряжений. Микроконтроллер может обрабатывать данные от сенсоров, записывать их на внутреннюю память, передавать по сети и управлять выходными устройствами.

На данный момент использование микроконтроллерных схем для регистрации и логирования токов выглядит наиболее перспективным, так как они имеют достаточную частоту дискретизации сигнала, а так же имеют низкую стоимость в сравнении с высокоточным лабораторным оборудованием, таким как цифровые осциллографы. Однако, для работы с микроконтроллерами необходимо обладать достаточными знаниями в области проектирования, программирования и эксплуатации микроконтроллерных схем. Данная научно-исследовательская работа направлена на разработку лабораторного стенда с использованием микроконтроллерной схемы для регистрации токов в цепи зарядки-разрядки ячейки тяговой аккумуляторной батареи, и дальнейшую работу с полученной схемой.