Методика оценки остаточного ресурса литий-ионных аккумуляторных батарей тягового подвижного состава тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Борисов Павел Владимирович

• Борисов Павел Владимирович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Борисов Павел Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ДИАГНОСТИКИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

1.1. Применение литий-ионных аккумуляторных батарей и иных накопителей электрической энергии на железной дороге. Типы,

устройство аккумуляторных батарей

1.1.1. Применение аккумуляторных батарей на тяговом

подвижном составе

1.1.2. Типы и устройство аккумуляторных батарей

применяемых на ТПС

1.1.3. Устройство тяговой литий-ионной аккумуляторной батареи

1.2. Причины деградации тяговых литий-ионных аккумуляторных

батарей

1.3. Виды диагностики аккумуляторных батарей, методы и существующие приборы диагностики аккумуляторных батарей на железнодорожном транспорте

Выводы по первой главе:

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ТПС

2.1. Составление цепи замещения литий-ионной аккумуляторной

батареи на ТПС

2.2. Связь измерения внутреннего импеданса от ресурса работы аккумуляторной батареи

2.3. Методы синтеза схемы замещения аккумуляторной

батареи по реакции на внешнее воздействие

Выводы по второй главе:

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ТПС

3.1. Методика проведения исследования статистических

характеристик аккумуляторных батарей на ТПС

3.2. Расчет параметров схемы замещения аккумуляторной батареи, создание цифрового двойника накопителя

3.3. Проверка адекватности полученной модели

Выводы по третьей главе:

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ГОДНОСТИ К ЭКСПЛУАТАЦИИ АККУМУЛЯТОРНОЙ

БАТАРЕИ ТПС

4.1. Разработка методики определения годности к эксплуатации

аккумуляторной батареи

4.2. Разработка ПО и прибора (устройства) для реализации

предлагаемой методики для ТПС

Выводы по четвертой главе:

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ ТЯГОВОЙ

ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ТПС

5.1. Тяговый расчет опытного подвижного состава для

локомотива с тяговой аккумуляторной батареей

5.1.1. Выбор номинальной мощности тягового

двигателя локомотива

5.1.2. Построение тяговой тормозной и токовой

характеристики локомотива

5.1.3. Расчет реальной кривой движения поезда

5.2. Выбор тягового литий-ионного аккумуляторного

накопителя для заданного режима работы локомотива

Выводы по пятой главе:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика оценки остаточного ресурса литий-ионных аккумуляторных батарей тягового подвижного состава»

Актуальность работы.

Использование независимых источников энергии в тяге подвижного состава, таких как литий-ионные аккумуляторные накопители, дает возможность использования как гибридной технологии тяги, способствующей снижению нагрузки во время тяжелых режимов работы дизельного генератора и водородных протонно-мембранных энергетических установок, так и полностью автономной от аккумуляторных батарей.

Применение альтернативных источников энергии, используемых для тягового подвижного состава на сети железных дорог Российской Федерации, только получает свое развитие. Можно констатировать, что задача по внедрению данных типов источников энергии для маневровых, пригородных и прочих локомотивов не решена в полном объеме, так как существует проблема ограниченного ресурса аккумуляторного накопителя. Тяговый подвижной состав, оборудованный тяговым аккумуляторным накопителем в качестве основного или дополнительного источника энергии, требует ограниченных режимов работы.

Повышение энергоэффективности в системе «дизель генератор - накопитель энергии» позволяет увеличить срок службы, а также снизить затраты на преждевременную замену или внеплановый ремонт дизель-генератора является залогом успешной реализации планов по освоению маневровой работы локомотивов серии ТЭМ9Н и ТЭМ5Х, а так же перехода маневровой тяги на автономную за счет использования локомотивов ЭМКА2. Применение данного типа подвижного состава повысит энергоэффективность маневровой работы при возрастающих объемах грузовых перевозок, в том числе на наиболее значимых стратегических сортировочных станциях: Санкт-Петербург-Сортировочный-Московский, Орехово-Зуево, Бекасово-Сортировочное, Свердловск-Сортировочный, Челябинск-Главный, Инская, Лоста и прочие, а так же грузовых станций Лужская, Мурманск, Высоцк, Магнитогорск-Грузовой и прочие грузовые станции с грузооборотом более 1,3 млрд. т брутто/ год.

Степень разработанности. Теоретическая и методологическая основа диссертации в части применения альтернативного источника тяговой энергии, в частности литий-ионных аккумуляторных накопителей, базируется на работах таких ученых как: Анучин А.С., Бессонов Л. А., Борисевич А.В., Букреев В.Г., Демидова Г.Л., Добрего К. В., Евстафьев А. М., Зевеке Г.В., Иньков Ю. М., Космодамианский А. С., Константинов К.В., Раков В. А., Липкин М.С., Липкин В. М., Орлов С.Б., Сапожников В. В., Стжелецки Р., Хандорин М.М., Кукконен С., Федяева Г. А., Шевлюгин М. В. В части совершенствования диагностики ресурса ЛИАБ: Бубнов Ю.И., Гнеденков С.В., Коровин Н.В., Кулова Т.Л., Макдололд Д.Р., Таганова А. А., Плетт Г. Л., Рэндлс Д.Е., Скундин А.М.

Значительный вклад в изучение физических процессов и характеристик литий-ионных аккумуляторных накопителей, разработку методов диагностики ресурса литий-ионного аккумулятора внесли специалисты ВНИИЖТ, ДВГУПС, ИрГУПС, МАИ, ПГУПС, РУТ (МИИТ), РГУПС, СамГУПС, СГУПС, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», УрГУПС. Однако оценка ресурса литий-ионного аккумуляторного накопителя в настоящее время осуществляется в большинстве случаев посредством кулоновского счета. Это в сочетании с технологическими особенностями использования аккумуляторного накопителя не дает полного представления о состоянии аккумулятора в эксплуатации и не позволяет выполнять прогнозную диагностику, что требует совершенствования методологического и аппаратного обеспечения системы контроля ресурса аккумуляторного накопителя.

Объект исследования - литий-ионная аккумуляторная батарея (ЛИАБ) в процессе эксплуатации на тяговом подвижном составе (ТПС).

Область исследования - эксплуатационные характеристики ТПС с ЛИАБ и их диагностические параметры.

Цель исследования улучшение эксплуатационных показателей ЛИАБ ТПС по электрическим параметрам.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ эксплуатационных причин снижения ресурса ЛИАБ ТПС;

2. Исследование характеристик внутреннего сопротивления ЛИАБ ТПС;

3. Разработка математической модели ЛИАБ, позволяющей оценить её остаточный ресурс в тяжелых условиях эксплуатации на ТПС;

4. Определение основных параметров ЛИАБ для заданного режима работы ТПС;

5. Разработка методики определения ресурса ЛИАБ в условиях эксплуатации ТПС;

6. Разработка рекомендаций по применению методики определения ресурса ЛИАБ в условиях эксплуатации ТПС.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Установлены информационные признаки влияния изменения величины полного внутреннего сопротивления Ъ на ресурс ЛИАБ ТПС;

2. Предложена усовершенствованная методика экспериментального исследования ресурса ЛИАБ по средствам пульсации тока в звене постоянного тока при работе с преобразователем энергии;

3. Предложена методика определения остаточного ресурса ЛИАБ, отличающаяся от известных тем, что позволяет определять остаточный ресурс ЛИАБ в условиях эксплуатации при непрерывной работе ТПС совместно с преобразователем энергии.

4. Предложены научно- обоснованные рекомендации по применению методики определения ресурса ЛИАБ в условиях эксплуатации ТПС.

Практическая значимость диссертационной работы:

1. На основе результатов физического эксперимента определены методы диагностики ЛИАБ ТПС в условиях непрерывной эксплуатации.

2. Разработан алгоритм диагностики ЛИАБ.

3. Разработан продукт программного обеспечения для преобразователя энергии, работающего ЛИАБ на ТПС на основании взаимосвязи изменения величины полного внутреннего сопротивления Ъ и ресурса ЛИАБ.

4. Предложены технологические решения по оценке остаточного ресурса ЛИАБ в условиях эксплуатации при непрерывной работе ТПС совместно с преобразователем энергии.

Методология и методы исследования. Исследования выполнялись на основе системного подхода к вопросам анализа функционирования и диагностики ЛИАБ, включая оценку текущего состояния и особенностей снижения ресурса. Теоретической базой проведения исследований послужили положения ряда разделов электротехники и электрохимии. Использовались: программные комплексы Electronics Workbench, Chroma ПО, MexBIOS Development Studio, Microsoft Visual Studio. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях и в условиях производства. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установлены информационные признаки и причины снижения ресурса ЛИАБ на ТПС;

2. Теоретические положения определения остаточного ресурса ЛИАБ на ТПС;

3. Методика экспериментального исследования ЛИАБ на ТПС;

4. Методика определения остаточного ресурса и технического состояния ЛИАБ технического состояния ЛИАБ в условиях эксплуатации при непрерывной работе ТПС совместно с преобразователем энергии.

Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается использованием экспериментальных статистических данных, корректностью постановки экспериментов, сбора и обработки эмпирических данных о состоянии ЛИАБ, полученных в ходе стендовых и эксплуатационных испытаний. Достоверность результатов подтверждена удовлетворимой сходимостью теоретических и экспериментальных данных и обеспечивается корректностью исходных математических положений, а также обоснованностью принятых допущений.

Основные результаты работы были доложены и обсуждались на XI Международном симпозиуме «Eltrans - 2023. Электрификация и электрическая тяга: цифровая трансформация железнодорожного транспорта» (2023), на

международных научно-практических конференциях: «Инновационные идеи молодых исследователей», «Актуальные вопросы современной науки и инноватики», «Актуальные вопросы науки и практики», а также на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» ФГБОУ ВО ПГУПС.

Личный вклад. Все результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно, а именно:

1. Постановка цели и задач, формулировка выводов и рекомендаций;

2. Установлены информационные признаки и причины снижения ресурса ЛИАБ на ТПС;

3. Сформулированы теоретические положения определения остаточного ресурса ЛИАБ на ТПС, в частности разработаны методики определения остаточного ресурса и технического состояния ЛИАБ в условиях эксплуатации при непрерывной работе ТПС совместно с преобразователем энергии;

4. Разработана программа системы управления преобразователем энергии для диагностики ЛИАБ ТПС, авторский вклад подтвержден свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ №2023681901.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 7 научных работах, из них - 2 в изданиях из перечня рецензируемых научных журналов для опубликования основных научных результатов диссертаций, рекомендованных ВАК РФ при Минобрнауки России для публикации результатов диссертаций, получено одно авторское свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2023681901.

Работа выполнялась в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» (ФГБОУ ВО ПГУПС) на кафедре «Электрическая тяга».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационной исследование проведено в соответствии с паспортом ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации 2.9.3 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» по следующим пунктам:

п. 1 Эксплуатационные характеристики и параметры подвижного состава и систем тягового электроснабжения, повышение их эксплуатационной надёжности и работоспособности. Системы электроснабжения железных дорог, промышленного железнодорожного транспорта, рельсового городского транспорта и метрополитенов. Методы и средства снижения энергетических потерь, обеспечения энергетической безопасности тяги поездов и электроснабжения железных дорог, п. 3. Техническая диагностика подвижного состава и систем электроснабжения. Критерии оценки технического состояния подвижного состава и систем электроснабжения железных дорог и метрополитенов. Автоматизация процессов технической диагностики и мониторинга технического состояния этих объектов, бортовые, мобильные и встроенные устройства диагностики.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, включая введение, заключение, библиографический список и приложения. Объем работы составляет 159 стр., в том числе 70 рисунок, 7 таблиц, 4 приложений. Список цитированной литературы содержит 93 источника, в том числе - 7 работ автора с соавторами.

На рисунке 1 приведена структура диссертационной работы.

Рисунок 1 Структурная схема диссертационной работы

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ДИАГНОСТИКИ

АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ

ТРАНСПОРТЕ 1.1. Применение литий-ионных аккумуляторных батарей

и иных накопителей электрической энергии на железной дороге.

Типы, устройство аккумуляторных батарей 1.1.1. Применение аккумуляторных батарей на тяговом подвижном составе

Значительная часть эксплуатационного парка локомотивов РФ занята выполнением маневровой работы, из них 92 % работы выполняется тепловозами. Затраты на их содержание составляют более 25 % от общих эксплуатационных расходов, основной статьей которых при этом составляют затраты на дизельное топливо [1,2].

Согласно протоколу заседания ученого совета ОАО «РЖД» от 13 декабря 2018 года №99 [3], стратегии научно-технологического развития холдинга ОАО «РЖД» на период до 2025 года и на перспективу 2030 года [4], а также транспортной стратегии Российской Федерации до 2030 года с прогнозом на период до 2035 года [5], актуальными задачами развития энергетики на железнодорожном транспорте являются:

• Повышение эффективности использования электрической энергии;

• Внедрение ТПС с накопителями энергии и системами рекуперации;

• Создание инфраструктуры энергоснабжения, в том числе использование энергии рекуперации и увеличение пропускной способности барьерных мест;

• Использование накопителей электроэнергии с преобразователем на подвижном составе (гибридная и водородная тяга).

Использование аккумуляторного транспорта в виде самокатов, машин, судов или подвижного состава становится обычным делом, но электрификация локомотивного парка представляет дополнительные вызовы из-за габаритов и веса.

В качестве альтернативных источников энергии используются накопители энергии для гибридного подвижного состава, такие как аккумуляторные батареи и

суперконденсаторы, позволяющие использовать энергию рекуперации, поддерживать уровень напряжения шины постоянного тока, компенсировать недостаточную пусковую мощность дизель-генератора или протонно-мембранной водородной установки. На рисунке 2 представлен процесс работы тягового накопителя электроэнергии на гибридном транспорте.

Рисунок 2 Обобщенный график потребления мощности для гибридного тягового

подвижного состава На ТПС накопители энергии могут использоваться в качестве основного и дополнительного источника энергии. Примером локомотивов, в которых аккумулятор используется как основной источник энергии, могут быть контактно -аккумуляторные электровозы, использующиеся для маневровой работы на дорогах общего и не общего пользования, а также в сети железных дорог метрополитена [69].

Как в случае с электромобилями, в тяговый накопитель будет возвращаться энергия торможения, что может резко уменьшить размер требуемого аккумуляторного блока. На тепловозах энергия, расходуемая на тягу для привода колес локомотива, вырабатывается дизель-генератором. Когда поезд замедляется или движется на спуск (особенно когда он полностью загружен), применяется

система динамического торможения, которая вырабатывает электроэнергию, которая рассеивается в виде тепла

Однако в контактно-аккумуляторных электровозах или гибридных локомотивах с батарейным накопителем это электричество будет возвращаться обратно в батарею. Количество возращенной и протраченой энергии зависит от профиля пути и условий движения и фиксируется для каждого участка пути. По тягово-энергетическим данным могут закладываться конструктивные особенности подвижного состава, позволяя в полном объёме использовать аккумуляторные накопители. Поэтому использование тягового накопителя актуально для подвижного состава с заранее известными режимами использования батареи [10].

В мировой практике использование накопителей в качестве основного или дополнительного источника питания встречается все чаще. Например, в беспроводных трамваях с индукционным зарядом тяговых аккумуляторных накопителей [11].

Канадская компания Rail Power technologies Corp разработала маневровые локомотивы, в которых используется дизель-генератор мощностью 224 кВт совместно с мощной свинцово-кислотной аккумуляторной батарее с большим ресурсом [12].

Во Франции в рамках проекта Plathee создан гибридный локомотив ВВ63413. Экономия топлива такого тепловоза в режиме холостого хода составила порядка 86%, а при маневровой работе 40 % в сравнении с традиционным тепловозом [13].

Компанией Japan Freight Railway введен в эксплуатацию гибридный маневровый локомотив серии HD300, оборудованный дизелем мощностью 242 кВт и литий-ионной аккумуляторной батареей с номинальной энергоемкостью 67,4 кВт-ч. [13].

Инженеры компании Alstom разработали серию локомотивов НЗ [14]

Примерами гибридного локомотива с накопителями в отечественном локомотивостроении являются маневровые тепловозы ТЭМ5Х и ТЭМ9Н Sinara

Hybrid [15-17], сочетающие в себе дизельную установку вместе с накопителями энергии выполненных в комбинации из литий-ионных аккумуляторов [18].

В настоящее время АО «Трансмашхолдинг» на базе Новочеркасского электровозостроительного завода проектирует новый контактно-аккумуляторный электровоз ЭМКА2 [19] для маневровых работ. Назначение локомотива будет таким же, что и у существующих электровозов: ВЛ26 [20], ЛАМ [21, 22] и 81-580/581/582[23], а именно маневрово-вывозная работа.

В новых поколениях электропоезда 81-775/776/777 «Москва» используется никель-кадмиевый аккумуляторный накопитель, позволяющий осуществлять автономный проезд состава электропоезда, а также аварийный вывоз состава с перегона при пропаже электропитания на контактном рельсе.

Для построения гибридной силовой установки перспективного транспортного средства целесообразна мультиконверторная топология, при которой каждый накопитель энергии подключен к общей шине постоянного тока через индивидуальный двунаправленный DC-DC преобразователь [8, 24, 25].

Основная задача системы управления энергопотреблением гибридной силовой установки - управлять потреблением, генерацией и хранением энергии для обеспечения максимальной эффективности всей системы. Разработка единой системы управления энергопотреблением и мгновенной мощностью представляет собой сложное сочетание нескольких локальных задач, которые можно сформулировать следующим образом: выработка электроэнергии, мониторинг качества и стабильности электроэнергии, координация потоков энергии и мощности [8].

Потребление пульсирующего тока является одной из основных проблем при проектировании силового преобразователя, поскольку это влияет на срок службы многих компонентов [26]. Основной причиной появления пульсаций в звене постоянного тока (ЗПТ) является применение преобразователей, принцип которых основан на высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая предусматривает импульсное потребление тока. В роли таких преобразователей выступают автономные инверторы напряжения и четырёхквадрантные

преобразователи, использующие ЮВТ-транзисторы. Наличие пульсирующего тока так же характерно для ЗПТ тиристорных преобразователей.

Величину пульсаций тока ЗПТ можно уменьшить в процессе проектирования преобразователя за счет включения фильтров [27], так же значительного уменьшения пульсаций можно добиться с помощью правильно выстроенной системы управления преобразователями электрической энергии [28].

Однако полное исключение наличия пульсирующих токов в ЗПТ на данный момент нереализуемо, так как большинство преобразователей работает с несущей частотой ШИМ не более 5 кГц (см. табл. 1). В таблице 1 представлены сведения по оптимальным частотам коммутации в зависимости от технологии и класса по напряжению /С^вГ-модулей [29], выпускаемых ПАО «Электровыпрямитель» и АО «Протон-Электротекс» [30].

Таблица 1

Оптимальные частоты коммутации в зависимости от технологии и класса по напряжению ЮВТ-модулей [29], выпускаемых ПАО «Электровыпрямитель» и АО

«Протон-Электротекс» [30]

Напряжение, В IGBT технология Диапазон оптимальных частот коммутации, кГц

1200 IGBU Trench 2-5

IGBT A Trench 2-8

1700 IGBT3 Trench 1-3

IGBT A Trench 1-5

3300 SPT Low Loss 0,5-1,5

SPT Standard 1-2

4500 SPT Low Loss 0,5-1

SPT Standard 0,5-1,5

6500 SPT Low Loss 0,2-0,5

Пульсирующие токи создают дополнительные потери мощности в батарее, а значит, вызывают повышение ее температуры и сокращение срока службы [31, 32].

Для повышения несущей частоты в преобразователях могут использоваться МОП-транзисторы (.МОЗЕЕТ). Однако они уступают ЮВТ по номинальному току на единичный транзистор. В маломощных преобразователях (мощностью до десятков кВт) МОЗЕЕТ используются давно и успешно. МОП-транзисторы в мощных преобразователях необходимо соединять параллельно, а также решать многие вопросы, в частности, проблему группового охлаждения, что отрицательно сказывается на себестоимости преобразователя. Поэтому в более мощных системах предпочтительны полностью управляемые силовые транзисторы в виде готовых модулей на необходимый ток и напряжение, с этой точки зрения оптимальны именно ЮВТ [33].

чг

рШЯВр|Й МЯП№

ЯШИ || ] 1 ; V : у г.у; гл::;; 1|п ЖтНлЩУ к ¡ийя ШИь|т ::::дщЩШ

.................................1111 Ш\Щ\........................... *1ШШ

Ба- 25.(Ш5а/5

^•■тсип^'тЖтедз":.....:

.........М^-ЗЗЛяст^-..........-.......

-40ДОА , .V ■ Ч | : Л Л *■ 1.11|т ЦVI гчА 1 Ухл^" и :

.............. г........... ......... ? 1 Г 1

.............. 'ШОШ..............

1,Эф9кНг мЫш З.Сф7кНг 4о|бкНг 5>В БкК* йоЙШг ЫэкНг йфкН* йоЙкНг

Рисунок 3 Осциллограмма формы напряжения тока и частотного спектра работы частотного преобразователя напряжения: 1 - Красная кривая (масштаб 100 А/дел) - кривая тока, 2 - Голубая кривая (масштаб 1 кВ/дел) - кривая напряжения, 3 -Оранжевая кривая (масштаб 20 дБ/дел) - спектр частоты работы

преобразователя частоты.

Пример влияния ШИМ преобразователя изображен на рисунке 3, на котором представлена осциллограмма работы преобразователя напряжения, где розовая кривая - тока, а голубая - напряжения. Оранжевая кривая показывает спектр частот работы преобразователя, на которой выделены пик на частоте 2 кГц, являющейся несущей, а также кратные несущей частоты 4 кГц, 6 кГц, 8 кГц и т.д. Форма тока и

напряжения имеет синусоидальный вид, но кривые тока и напряжения искривлены высокочастотными пульсациями.

На основании описания принципа работы ШИМ преобразователей можно считать то, что наличие значений пульсаций тока вне зависимости от принятых мер по их устранению будут присутствовать в ЗПТ.

1.1.2. Типы и устройство аккумуляторных батарей, применяемых на ТПС

В настоящее время наиболее распространенным типом накопителей энергии в сфере железнодорожного транспорта являются электрические аккумуляторные батареи. Данный вид химического источника тока характеризуется возможностью проведения многоразовых зарядно-разрядных мероприятий и подразделяется на следующие основные типы:

• свинцово-кислотный аккумулятор;

• щелочной аккумулятор;

• литий-ионный аккумулятор.

Свинцово-кислотный аккумулятор обладает удельной энергоемкостью 25-40 Вт-ч/кг, терпим к перезарядке, термически стабилен, требует периодический подзаряд. Жизненный цикл свинцово-кислотных аккумуляторных батарей составляет порядка 200-300 циклов. Основным преимуществом таких батарей является высокая токоотдача при холодной температуре, поэтому данный вид аккумуляторов распространен в схемах стартерного зажигания. Также данный аккумулятор имеет небольшую стоимость.

В качестве щелочного аккумулятора распространены никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (NiMH). Данный аккумулятор обладает удельной энергоемкостью 45-80 (NiCd) и 60-120 (NiMH) Вт-ч/кг, термически стабилен, имеет большой процент саморазряда 20-30%, имеет эффект памяти и требует периодического проведения заряд-разрядных мероприятий при неиспользовании накопителя из данных аккумуляторных батарей. Жизненный цикл никель-кадмиевых батарей составляет порядка 1000 циклов, а никель-

металлогидридных 300-500 циклов. Так же, как и свинцово-кислотные батареи обладают низкой стоимостью.

Литий-ионный аккумулятор в зависимости от химического состава подразделяется на: литий-кобальтовые (ICR), литий-марганцевые (IMR), литий-железо-фосфатные (LFP) и литий-титанатные (LTO). Данные накопители обладают следующими свойствами: удельная энергоемкостью до 250 (ICR), 140-150 (IMR), 150 (LFP), 100 (LTO) Вт-ч/кг, обладают не большим саморазрядом около 10%, требовательны к системе управления и термостатирования. Жизненный цикл литий-ионных аккумуляторных батарей составляет 500 (ICR), 1000 (IMR), до 5000 (LFP), более 15000 (LTO) циклов. При всем разнообразии литий-ионных аккумуляторных батарей более широкое распространение получили накопители LFP и LTO за обладание большей плотностью энергии на единицу массы, низкий саморазряд, высокую токоотдачу, а также большой жизненный цикл батареи, не требующей обслуживания в эксплуатации. Благодаря показателям безопасности данный тип ЛИАБ не требует обслуживания в эксплуатации, имеет более высокий КПД и энергоемкость по сравнению с кислотными и щелочными. Стоимость единицы энергии литий-ионных аккумуляторных батарей выше, чем у кислотных и щелочных [34].

В сравнении литий-кобальтовые батареи взрывоопасны, если произойдет повреждение корпуса. Поэтому данный тип аккумуляторов не подходит для использования на железнодорожном подвижном составе, несмотря на свою высокую удельную энергоемкость.

1.1.3. Устройство тяговой литий-ионной аккумуляторной батареи

Литий-ионный аккумуляторный элемент накапливает энергию в электрохимической форме, которая высвобождается в процессе выполнения работы.

Аккумуляторные батареи от разных производителей с одинаковым химическим элементным составом и аналогичной конструкцией могут иметь разные характеристики.

Литий-ионные аккумуляторные элементы состоят из нескольких основных компонентов, таких как: отрицательный электрод, положительный электрод, электролит и сепаратор. Некоторые типы ячеек также имеют токоприемники, которые отличны от самих электродов. На рисунке 3 показана схема устройства литий-ионного элемента. Данное схематичное устройство литий-ионной батареи основано на представлении работы Кирк Штетцеля по оценке электрохимического состояния литий-ионной батареи с помощью физико-математической модели [35].

Заряд

Злектроны ^_

Разряд

Отрицательный электрод (анод) Положительный электрод (Катод!

Нагрузка

Заряд

Положительно заряженные ионы ^ ^ Отрицательно заряженные ионы

Разряд

Рисунок 4 Схематичное изображение литий-ионной батареи [35] Отрицательный электрод в электрохимической ячейке часто представляет собой чистый металл, сплав или водород.

В процессе разряда от внешней цепи электрод окисляется, что включает в себя повышение степени окисления электрода (становится более положительно заряженным). Во время заряда отрицательный электрод принимает электроны из внешней цепи, снижая степень окисления (становится более отрицательно заряженным). Таким образом, химические процессы, происходящие в электрохимической ячейке, иногда называют восстановительно-окислительными или окислительно-восстановительными реакциями.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Борисов Павел Владимирович, 2024 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Кузнецова И. А. Оценка технико-энергетической эффективности работы маневровых тепловозов путем моделирования рабочих процессов оборудования в режимах эксплуатации: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.22.07. - М., 2018. - 25 с.

2. Щуров, Н.И. Анализ режимов работы силовых установок маневровых тепловозов / Н.И. Щуров, Е.Г. Гурова, С.В. Макаров, Д.М. Стрельникова // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 3. - С. 104.

3. Протокол, заседания ученого совета открытого акционерного общества «Российские железные дороги» от 13 декабря 2018г. №99.

4. Стратегия научно-технологического развития холдинга «РЖД» на период до 2025 года и на перспективу до 2030 года (Белая книга): Распоряжение ОАО «РЖД» от 17.04.2018 № 769/р: [сайт]. - URL:http://zszd.rzd. ru-/dbmm/download?vp=17&load=y&col_id=121&id=18071 (дата обращения: 11.03.2019). - Текст: электронный.

5. Транспортная стратегия Российской Федерации до 2030 года с прогнозом на период до 2035 года: Распоряжение Правительства Российской Федерации от 27.11.20218 № 3363: [сайт] /http://static.government.ru/media/files/ -7enYF2uL5kFZl00pQhLl0nUT91RjCbeR.pdf (дата обращения: 07.03.2022).

6. Евстафьев А. М. Повышение энергетической эффективности гибридного локомотива / А. М. Евстафьев // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2015. -№ 2. - С. 6-10.

7. Евстафьев А. М. Об использовании суперконденсаторов / А. М. Евстафьев // Железнодорожный транспорт. - 2010. - № 2. - С. 31 -32.

8. Евстафьев А. М. Применение гибридных технологий в тяговом подвижном составе / А. М. Евстафьев // Бюллетень результатов научных исследований. — 2018. — С. 27-38.

9. Шевлюгин М. В. Энергосбережение на железнодорожном транспорте с помощью сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии / М. В. Шевлюгин // Наука и техника транспорта. - 2008. - № 2. - С. 67-70

10.Decarbonising Australian railway fleets with batteries // The University of Queensland URL : https://mechmining.uq.edu.au/article/2022/02/decarbonising-australian-railway-fleets-batteries (дата обращения: 06.04.2023).

11. Bombardier's Battery Powered Tram Sets Range Record [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.bombardier.com/en/media-/newsList-/details.BT201 -51-103BombardiersBattery-Powered-Tram-Sets-Range-Record-01.bombardier.com

12.BNSF explores locomotive fuel cell // Brotherhood of Locomotive Engineers and Trainmen URL: https://web.archive.org/web/20111007235203/http://www.blet-bnsfmrl.org/index.asp?NewsStory=289 (дата обращения: 23.02.2023).

13. Проекты гибридных локомотивов // Железные дороги мира. - 2015. -№ 4. - С. 56-60.

14. Альтернативные источники энергии для локомотивов // Железные дороги мира. Москва. - 2012. - №12. - С. 32-36

15.Иньков Ю. М. Использование контактно-аккумуляторных электровозов для маневровой работы на станциях / Ю. М. Иньков, А. С. Космодамианский, Г. А. Федяева, В. П. Феоктистов // Наука и техника транспорта. — 2014. — № 4. — С. 9-15.

16.Селезнев И.Л., Шафрыгин А.В., Чекмарев А.Е., Хохряков В.А., Ванин И.В., Знакомьтесь: ТЭМ5Х — концепт нового гибридного локомотива., журнал «ЛОКОМОТИВ» № 12, 2019 г.

17.СТМ презентовал первый российский гибридный тепловоз [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://sinaratm.ru/media/media-about-us/stm-prezentovalo-pervyy-rossiyskiy-gibridnyy-teplovoz-interfax-russia-ru.

18.Фалендыш, А.П. Использование гибридных передач на маневровых тепловозах / А.П. Фалендыш, Н.В. Володарец // Локомотив-информ. - 2010. -№ 12. - С. 4-6.

19.Сахин И.В «Экологически чистые и энергоэффективные технологии как драйвер развития локомотивостроения» Центр перспективных технологий ТМХ [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://railwayexpo.ru/images/docs/2021/-presentation/01 экоамбиции/

И Сахин RU.pdf

20. Раков В. А. Контактно-аккумуляторные электровозы серии ВЛ26 // Локомотивы отечественных железных дорог 1956 - 1975. — М.: Транспорт, 1999. — С. 396 - 398. — ISBN 5-277-02012-8.

21.Калугин С.П., Беляев А.С. Тяговые электродвигатели для гибридных и электрохимических локомотивов. Мир транспорта. 2015;13(6):50-61.

22.Сергеев В. Л., Шаркин И. А. Знакомьтесь: маневровый аккумуляторный локомотив ЛАМ-01 // Локомотив. - 2003.—№ 10. - С. 39.

23. КОНТАКТНО-АККУМУЛЯТОРНЫЕ ЭЛЕКТРОВОЗЫ ДЛЯ МЕТРОПОЛИТЕНА // vagon.metro.ru URL: http://vagon.metro.ru/special/81-581.html (дата обращения: 03.05.2023).

24.Евстафьев А. М. Выбор топологии схем тягового привода электрического подвижного состава / А. М. Евстафьев // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. -СПб.: ПГУПС, 2010. - Вып. 3 (24). - С. 89-98.

25.Власьевский С. В. Сравнение энергетической эффективности электровозов переменного тока с коллекторным и асинхронным приводом / С. В. Власьевский, Д. В. Грибенюк, М. С. Алексеева // Вестн. Института тяги и подвижного состава. - 2016. - № 12. - С. 24-27.

26.Анучин А.С., Демидова Г.Л., Стжелецки Р., Яковенко М.С. Моделирование переходных процессов в силовых преобразователях, питающихся от общего звена постоянного тока // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 1. № 1. С. 125-131. doi: 10.17586/22261494-2020-20-1-125-131.

27.Робертс С. Решения проблемы пульсаций и помех DC/DC-преобразователей: входная и выходная фильтрация // Компоненты и технологии №28 2015, с. 74-82, перевод: Рентюк В.

28.Кромм, А.А., Симаков Г.М., Топовский, В.В. Оптимизация пульсаций момента двигателя в электроприводе с прямым управлением // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации - №1 С.41-51 DOI: 10.17212/1727-27692021-1-41-53.

29.IGBT модули // ПАО Электровыпрямитель: сайт. - URL: https://elvpr.ru/ru/-catalog/silovye-poluprovodnikovye-pribory/igbt-i-frd-moduli/ (дата обращения: 26.04.2023).

30.IGBT модули // АО Протон-электротекс: сайт. - URL: https://proton-electrotex-.com/catalog/IGBT (дата обращения: 26.04.2023).

31.Ruddell A. J., Dutton A. G., Wenzl H., Ropeter C., Sauer D. U., Merten J., Orfanogiannis C., Twidell J. W., Vezin P. Analysis of battery current microcycles in autonomous renewable energy systems. Journal of Power Sources 2002, 11/14, Vol. 112, No. 2. ISSN 0378-7753. doi: DOI: 10.1016/S0378-7753(02)00457-3.

32.Кукконен, С. Силовая электроника в гибридном приводе с топливными элементами. Часть 3. Аккумуляторы и супер-конденсаторы // Силовая электроника №5 2015г - С. 25-27, перевод: Карташев Е.

33. Мускатиньев, В., Тогаев, М., Немаев, Д., Некоторые вопросы эксплуатации IGBT-модулей. Часть 2. Еще раз о высокой' частоте и малых токах// Силовая электроника №3 2020г - С. 86-90.

34. Евстафьев, А. М. Повышение энергетической эффективности электрического подвижного состава: автореферат дис. доктора технических наук: - Санкт-Петербург, 2018. - 32 с.

35.Kirk D. Stetzel Electrochemical state and internal variables estimation using a reduced-order physics-based model of a lithium-ion cell and an extended Kalman filter, Kirk D. Stetzel, Lukas L. Aldrich, Michael Scott Trimboli, Gregory L. Plett , Journal of Power Sources, 2015, 278, 490-505.

36.Gao Z, Xie H, Yu H, Ma B, Liu X and Chen S (2022) Study on Lithium-Ion Battery Degradation Caused by Side Reactions in Fast-Charging Process. Front. Energy Res. 10:905710.

37.Fleischhammer, M., Waldmann, T., Bisle, G., Hogg, B.-I., and Wohlfahrt-Mehrens, Lithium Plating: Root Cause, Post-Mortem Characterization, and Key Parameters to Exclude It in Automotive Applications - M. (2015), 468-468.

38.Gregory L. P. Battery Management Systems Volume I Battery Modeling - Artech House Publishers: 2015г. - 343p.

39.Y-H Chen, C-W Wang, G. Liu, X-Y Song, V.S. Battaglia, and A.M. Sastry, "Selection of Conductive Additives in Li-Ion Battery Cathodes, A Numerical Study," Journal of the Electrochemical Society, 154(10), 2007, pp. A978-986

40.Dai, Y., Cai, L., and White, R.E., "Capacity Fade Model for Spinel LiMn2O4 Electrode," Journal of the Electrochemical Society, 160(1), 2013, A182-A190.

41.ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения. - М: Стандарты, 1990.

42. Сапожников, В. В. Основы технической диагностики [Текст] : учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников. - М.: Маршрут, 2004. - 318 c.

43.Химические источники тока: Справочник / под ред. Н.В. Коровина и А.М. Скундина - М.: 10 Издательство МЭИ, 2003, с.24.

44. Константинов К.В., Пакушев И.С. «Диагностика литий-ионных аккумуляторов» информационные технологии XXI века сборник научных трудов. Ответственный за выпуск Е.А. Шеленок. Хабаровск, 2015 Издательство: Тихоокеанский государственный университет (Хабаровск) с. 5561.

45.Борисов П.В., Воробьев А.А., Константинова Е.В. Измерение внутреннего сопротивления литий-ионного накопителя // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. - 2021. - №2. - С. 19-22.

46.Грачев В.В. Оценка технического состояния тепловозного дизеля по данным бортовой микропроцессорной системы управления / В.В. Грачев, М.Ш. Валиев // Известия ПГУПСа / Петербургский государственный университет путей сообщения. - Санкт-Петербург. - 2010. - No1(22). - С. 22 - 32.

47.Валиев М.Ш. Диагностика рабочего процесса тепловозного дизеля в условиях эксплуатации / М.Ш. Валиев // Вестник Транспорта Поволжья / Самарский государственный' университет путей' сообщения. - Самара. - 2011. - No1(25). -С. 35 - 39.

48.Борисов П.В., Воробьев А.А., Константинов К.В. Диагностика литий-ионных аккумуляторных батарей, методы и приборы диагностики аккумуляторных

батарей на тяговом подвижном составе // Сборник научных статей по материалам Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной науки и инноватики» Ч.1 / - Уфа: Изд. НИЦ Вестник науки, 2023. - С. 107-120.

49.D. Doerffel, S.A. Sharkh, A critical review of using the Peukert equation for determiningthe remaining capacity of lead-acid and lithium-ion batteries, Journal of Power Sources 155 (2) (2006) 395-400.

50.Lasia. Electrochemical impedance spectroscopy and its applications. In: Modern Aspects of Electrochemistry. Volume 32. Kluwer Academic/Plenum Pub. 1999, Ch.2, p. 143.

51.Липкин М.С., Корбова Е.В., Луковкин М.В., Липкина Т.В., Семенкова А.В. Диагностика литий-ионных аккумуляторов методами электрохимического импеданса // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2023. № 1. С. 43-48.

52.J.R. Macdonald, Impedance spectroscopy, Ann Biomed Eng 20 (3) (1992) 289-305.

53.E. Barsoukov, J.R. Macdonald, Impedance spectroscopy: Theory, experiment, and applications, Wiley-Interscience, a John Wiley & Sons, Inc., publication, Hoboken, New Jersey, 2005.

54.T. Osaka, D. Mukoyama, H. Nara, Review — Development of Diagnostic Process for Commercially Available Batteries, Especially Lithium Ion Battery, by Electrochemical Impedance Spectroscopy, J. Electrochem. Soc. 162 (14) (2015) A2529-A2537.

55.Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источники тока: Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации (Справочник).

56.J. Kowal, Spatially-resolved impedance of nonlinear inhomogeneous devices: using the example of lead-acid batteries, Shaker, Aachen, 2010.

57.A. Jossen, Fundamentals of battery dynamics, Journal of Power Sources 154 (2) (2006) 530- 538.

58.M. Gaberscek, J. Moskon, B. Erjavec, R. Dominko, J. Jamnik, The Importance of Interphase Contacts in Li Ion Electrodes: The Meaning of the High-Frequency Impedance Arc, Electrochem. Solid-State Lett. 11 (10) (2008) A170-A174.

59.A.-K. Hjelm, G. Lindbergh, Experimental and theoretical analysis of LiMn2O4 cathodes for use in rechargeable lithium batteries by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), Electrochemical Acta 47 (11) (2002) 1747-1759.

60.J. Illig, J.P. Schmidt, M. Weiss, A. Weber, E. Ivers-Tiffee, Understanding the impedance spectrum of 18650 LiFePO4-cells, Journal of Power Sources 239 (2013) 670-679.

61.M. Levi, K. Gamolsky, D. Aurbach, U. Heider, R. Oesten, On electrochemical impedance measurements of LixCo0.2Ni0.8O2 and LixNiO2 intercalation electrodes, Electrochemical Acta 45 (11) (2000) 1781-1789.

62.J. Huang, Z. Li, J. Zhang, S. Song, Z. Lou, N. Wu, An Analytical Three-Scale Impedance Model for Porous Electrode with Agglomerates in Lithium-Ion Batteries, Journal of the Electrochemical Society 162 (4) (2015) A585-A595.

63.Химические источники тока: Справочник / под ред. Н.В. Коровина и А.М. Скундина - М.: 10 Издательство МЭИ, 2003, с.24

64.Vetter et al., "Ageing mechanisms in lithium-ion batteries," Journal of Power Sources, 147, 2005, 269-281.

65.Хандорин, М.М, Букреев, В. Г. Оценка остаточной ёмкости литий-ионного аккумулятора в режиме реального времени. Электрохимическая энергетика Т.14, №2. 2014. - 78-84 с.

66. Бессонов, Л. А., Теоретические основы электротехники. Электрические цепи 8-е изд., перераб, и доп. - М.: Высшая школа, 1984. — 559 с.

67.Добрего, К. В. Моделирование аккумуляторных батарей и их сборок с учетом деградации параметров / К. В. Добрего, Ю. В. Бладыко // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 1. С. 27-39. https://doi.org/10. 21122/1029-7448-2021-64-1 -27-39.

68.Randles, J.E.B., «Kinetics of rapid electrode reactions», Discussions of the Faraday Society, 1, 1947, pp. 11-19.

69.Грегори Л. Плетт. Системы контроля аккумуляторной батареи // 2015. №. 1. С. 61-63.

70.Гнеденков, С.В., Синебрюхов, С.Л. Импедансная спектроскопия в исследовании процессов переноса заряда - Вестник ДВО РАН. 2006. № 5 -6-16с.

71.Борисевич А.В. Моделирование литий-ионных аккумуляторов для систем управления батареями: обзор текущего состояния // Современная техника и технологии. 2014. № 5 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2014/05/3542.

72.Зевеке, Г.В., Ионкин, П. А., Нетушил, А.В., Страхов, С.В., Основы теории цепей. Учебник для вузов. 4-е переработанное. М., «Энергия», 1975. - 752с.

73.ГОСТ Р МЭК 61960-2007. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи литиевые для портативного применения. - Москва, Стандартинформ 2008 г. - 11 с.

74.Шестеркин, А.Н. Система моделирования и исследования радиоэлектронных устройств Multisim 10 / А.Н. Шестеркин. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 943 с.

75.Products // sinopolybattery сайт. - URL: http://sinopolybattery.com/user-files-/files/LFP%20125AH.pdf (дата обращения: 26.04.2023).

76.ГОСТ 19.701-90 Единая система программной документацию, СХЕМЫ АЛГОРИТМОВ, ПРОГРАММ, ДАННЫХ И СИСТЕМ, Обозначения условные и правила выполнения - М: Стандарт, 1992.

77. Борисов 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. — СПб.: ПГУПС, 2023. — Т. 20. — Вып. 2. — С. 471-477. DOI: 10.20295/1815-588X-2023-2-471 -477.

78.Борисов, П. В., Воробьев, А. А., Константинов, К. В., Самаркина, И. К. Исследование характеристик литий-ионной' аккумуляторной батареи // Известия Петербургского университета путей сообщения. — СПб.: ПГУПС,

2023. — Т. 20. — Вып. 1. — С. 207-221. DOI: 10.20295/1815-588X-2023-1-207-221.

79.Борисов П.В., Воробьев А.А., Константинов К.В. Исследование цепи замещения литий-ионной аккумуляторной батареи // Сборник научных статей по материалам Международной научно-практической конференции «Инновационные идеи молодых исследователей» Ч.1 / - Уфа: Изд. НИЦ Вестник науки, 2023. - С. 116-125.

80.Борисов П.В., Воробьев А.А., Константинова Е.В. Экспериментальное исследование характеристик литий-ионной аккумуляторной батарей для тягового подвижного состава // Материалы второй международной научно-технической конференции "Железнодорожный подвижной состав: проблемы, решения, перспективы" - Т: ТГТУ, 2023. - С. 44-53.

81.Сяоган, У Определение уровня заряда литий-ионного аккумулятора на основе алгоритма расширенного фильтра калмана / У Сяоган, Сюефэн Ли, Н.И. Щуров, А.А. Штанг, М.В. Ярославцев, С.И. Дедов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2020. 13(4). С. 420-437. DOI: 10.17516/1999-494X-0242.

82.Zhang, J. and Lee, J., A review on prognostics and health monitoring of Li-ion battery.

83.Plett, G.L., Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs. Journal of Power Sources, 2004.

84.Yuan, S., H. Wu and C. Yin, State of Charge Estimation Using the Extended Kalman Filter for Battery Management Systems Based on the ARX Battery Model. Energies, 2013. 6(1): p. 444-470.

85.Wei, He; Nicholas Williard; Chaochao Chen; Michael Pecht (2013 "State of charge estimation for electric vehicle batteries using unscented kalman filtering". Microelectronics Reliability. 53 (6): 840-847 doi:10.1016/j.microrel.2012.11.010.

86.Aylor, J. H., Thieme, A., & Johnso, B. W. (1992). A battery state-of-charge indicator for electric wheelchairs. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 39(5), 398-409. doi: 10.1109/41.161471.

87.МИКРОСХЕМЫ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ К1921ВК01Т, К1921ВК02Т Руководство пользователя // НИИЭТ URL: https://niiet.ru/wp-content/uploads/2022/06/Pn-К192№К01Т_К1921ВК02Т^ (дата обращения: 03.05.2023).

88.STM32F4 Series // ST URL: https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32f4-series.html (дата обращения: 03.05.2023).

89.Свид. 2023681901 Российская Федерация. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программа системы управления преобразователем энергии для диагностики литий-ионной аккумуляторной батареи тягового подвижного состава / А.А. Воробьев, П.В. Борисов, К.В. Константинов, М.О. Чумохвалов; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО ПГУПС (RU). - №2023680572; заявл. 05.10.23; опубл. 19.10.23.

90.Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985. 287 с.

91.В.Е.Розенфельд, И.П.Исаев, Н.Н.Сидоров Теория электрической тяги М.: Транспорт, 2005. 436 c.

92.Теория электрической тяги: учеб. пособие / В.О.Иващенко. - С.Пб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2013. - 126 с.

93. Маневровый тепловоз ТЭМ18ДМ // ТМХ URL: https://tmholding.ru/products/promyshlennye-manevrovye/manevrovye-teplovozy/ (дата обращения: 21.05.2023).

Рисунок 60 Изменение напряжения ЛИАБ в процессе разряда.

3.8

3.6

3.4

со

oí

s 3.2

i

01

X

к

Q. С (б X

2.8

2.6

2.4

/ ii i lili

———r^SSSi?^ 11

28дек 09янв 16янв 23янв 31янв 7 фев 14 февр 22 март

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

с

0

0.00

-10.00

-20.00

-30.00

-40.00

I— 0.00

-60.00

-70.00

-80.00

-90.00

-100.00

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7

[

7000

28 дек 9 янв 16 янв 23 янв 31 янв 7 февр 14 февр 22 март

с

о

100.00

90.00

80.00

70.00

60.00

50.00

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00

28 дек 09 янв 16 янв 23 янв 31 янв 7 февр 14 февр 22 март

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

с

0

о

100.00

90.00

80.00

70.00

60.00

50.00

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00

11

1

1 1

Щ

\А\

_^ 'У

\4Sfc.

28 дек 09 янв 16 янв 23 янв 31 янв 7 февр 14 февр 22 март

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

с

0

100.00

90.00

80.00

70.00

60.00

о

50.00

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00

28 дек 09 янв 16 янв 23 янв 31 янв 7 февр 14 февр 22 март

5800

6000

6200

6400

6600

6800

7000

7200

7400

с

0.00

-20.00

-40.00

т <

.0 н

10.00

-80.00

-100.00

-120.00

-140.00

0 10 00 2000 3000 4000 5000 6000 701

28 дек 9 янв 16 янв 23 янв 31 янв 7 февр 14 февр 22 март

с

135

115

95

т <

о

5> 75

55

35

15

-5 0

28 дек 9 янв 16 янв 23 янв 31 янв 7 февр 14 февр 22 март

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

с

-120.00

6300

-122.00

-124.00

т <

О -126.00

-128.00

-130.00

-132.00

6400

6500

6600

6700

6800

6900

7000

28 дек 9 янв 16 янв 23 янв 31 янв 7 февр 14 февр 22 март

с

//

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

#include <iostream> using namespace std;

float TableCycles[2][20] = {{1.4352f, 1.84782f, 2.48268f, 3.37929f, 4.53933f, 5.96333f, 7.65151f, 9.60401f, 11.82089f, 14.30222f, 17.04802f, 20.05832f, 23.33313f, 26.87247f, 30.67635f, 34.74478f, 39.07776f, 43.6753f, 48.5374f, 53.9148f},{1.0f, 210.0f, 420.0f, 630.0f, 840.0f, 1050.0f, 1260.0f, 1470.0f, 1680.0f, 1890.0f, 2100.0f, 2310.0f, 2520.0f, 2730.0f, 2940.0f, 3150.0f, 3360.0f, 3570.0f, 3780.0f, 4000.0f}};

float TableCapacityF [2][20] = {{1.0f, 210.0f, 420.0f, 630.0f, 840.0f, 1050.0f, 1260.0f, 1470.0f, 1680.0f, 1890.0f, 2100.0f, 2310.0f, 2520.0f, 2730.0f, 2940.0f, 3150.0f, 3360.0f, 3570.0f, 3780.0f, 4000.0f}, {12924.0f, 10547.57519531f, 10273.3828125f, 10116.30761719f, 10006.31835937f, 9921.82910156f, 9853.32617187f, 9795.77734375f, 9746.19726562f, 9702.67285156f, 9663.90429687f, 9628.96679687f, 9597.18164062f, 9568.03515625f, 9541.12890625f, 9516.14746094f, 9492.83789062f, 9470.99414062f, 9450.4453125f, 9430.15136719f}};

float TableR0[2][20]= {{1.0f, 210.0f, 420.0f, 630.0f, 840.0f, 1050.0f, 1260.0f, 1470.0f, 1680.0f, 1890.0f, 2100.0f, 2310.0f, 2520.0f, 2730.0f, 2940.0f, 3150.0f, 3360.0f, 3570.0f, 3780.0f, 4000.0f}, {0.42860001f, 0.47902f, 0.48598f, 0.49009001f, 0.49303001f, 0.49533001f, 0.49721f, 0.49880999f, 0.50019002f, 0.50142002f, 0.50252002f, 0.50352001f, 0.50443f, 0.50527f, 0.50604999f, 0.50678003f, 0.50746f, 0.50809997f, 0.50870001f, 0.50929999f}};

float linInterp2D (float x, float Table [2][20])

{

//cout ««Входное значение для линейной интерполяции = " <<x <<endl; float y = 0;

if (x <= Table [0][0])

{

y = Table [0][1]; return y;

}

if (x >= Table [0][19])

{

y = Table [1][19]; return y;

}

unsigned int i = 0;

for (i = 0; i<20; i++) {

/*cout << "i = " << i << endl;

cout << "x(i) = " << Table[0][i] << ", y(i) = " << Table[1][i] << endl;

cout << "x(i+1) = " << Table [0] [i + 1] << ", y(i+1) = " << Table [1] [i + 1] << endl; */

if (x < Table [0] [i + 1]) break;

}

y = (x - Table[0][i]) * ((Table [1] [i + 1] - Table[1][i]) / (Table [0] [i + 1] -Table[0][i])) + Table[1][i];

return y;

}

int main ()

{

setlocale (LC_ALL, "RUS"); float U; float I;

float NCyclesAlarm; float NCyclesWarn;

cout ««Введите измеренное значение напряжения: ";// <<endl; cin >> U;

cout ««Введите измеренное значение тока: ";// << endl;

cin>> I;

cout ««Введите границу значения циклов для аварии: ";// << endl; cin>> NCyclesAlarm;

cout ««Введите границу значения циклов для предупреждения: ";// << endl; cin >> NCyclesWarn;

if (I == 0.0f)

{

I = 0.00000001f;

}

float Z = U / I;

float NCycles = linInterp2D (Z, TableCycles);

float CapacityAh = NCycles * NCycles * (-0.000002f) + NCycles * 0.0011f + 130.3f; float CapacityF = linInterp2D (NCycles, TableCapacityF); float R0 = linInterp2D (NCycles, TableR0);

float R1 = NCycles * NCycles * 0.000003f + NCycles * 0.0011f + 1.0055f;

cout ««Полное сопротивление Z[mOm] = " <<Z <<endl;

cout ««Сопротивление RO[mOm] = " <<R0 <<endl;

cout ««Сопротивление R1[mOm] = " <<R1 <<endl;

cout << "Емкость C[A*4] = " << CapacityAh << endl;

cout << "Емкость C^] = " << CapacityF << endl;

cout ««Расчетное количество циклов: " <<NCycles <<endl;

cout ««Оставшееся кол-во циклов: " «NCyclesAlarm - NCycles <<endl;

if (NCycles>=NCyclesAlarm) {

cout <<«АКБ находится в аварийном состоянии!!!" << endl;

}

else if (NCyclesWarn >= NCyclesWarn) {

cout ««Предупреждение о состоянии АКБ!" << endl;

System ("pause"); return О;

119

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рисунок 70 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Таблица №7

№ эл Режим Fк или Вк, кН Уы, км//ч А У, км/ч Ук, км/ч или 'Л'ох, Н/кН АГ, с Г, мин I, А АА, Вт-с А, кВт- ч Анэ, кВт-ч

тяга 319,9 0,0 0,7 0,7 2,08 2,06 0,03 262,1 398698 0,11 0

тяга 316,2 0,7 0,7 1,3 2,08 2,08 0,07 308,0 473291 0,37 0

тяга 312,5 1,3 0,7 2,0 2,08 2,10 0,10 353,5 548689 0,68 0

тяга 308,9 2,0 0,7 2,7 2,08 2,12 0,14 398,5 624918 1,03 0

тяга 305,4 2,7 0,6 3,3 2,08 2,14 0,17 443,0 702003 1,42 0

тяга 301,8 3,3 0,6 4,0 2,08 2,16 0,21 487,1 779973 1,85 0

тяга 298,4 4,0 0,6 4,6 2,08 2,19 0,25 530,7 858854 2,33 0

тяга 294,9 4,6 0,6 5,2 2,08 2,21 0,28 573,9 938677 2,85 0

1 тяга 291,5 5,2 0,6 5,8 2,08 2,23 0,32 616,6 1019472 3,41 0

тяга 288,1 5,8 0,6 6,5 2,08 2,26 0,36 658,8 1101271 4,03 0

тяга 285,4 6,5 0,6 7,1 2,08 2,28 0,39 700,7 1181610 4,68 0

тяга 273,7 7,1 0,6 7,6 2,08 2,37 0,43 741,5 1301981 5,41 0

выбег 0,0 7,6 -0,7 7,0 2,86 2,05 0,47 0,0 0 5,41 0

тяга 275,5 7,0 0,6 7,6 2,08 2,36 0,51 735,3 1283143 6,12 0

выбег 0,0 7,6 -0,7 6,9 2,86 2,05 0,54 0,0 0 6,12 0

тяга 277,2 6,9 0,6 7,5 2,08 2,34 0,58 729,5 1265329 6,82 0

выбег 0,0 7,5 -0,7 6,8 2,86 2,05 0,62 0,0 0 6,82 0

№ эл Режим Fк или Вк, кН Уы, км//ч А У, км/ч Ук, км/ч или 'Л'ох, Н/кН АГ, с Г, мин /, А АЛ, Вт-с Л, кВт-ч Лнэ, кВт-ч

тяга 278,8 6,8 0,6 7,4 2,08 2,33 0,65 723,8 1248465 7,52 0

выбег 0,0 7,4 -0,7 6,7 2,86 2,05 0,69 0,0 0 7,52 0

тяга 280,3 6,7 0,6 7,3 2,08 2,32 0,72 718,4 1232486 8,20 0

выбег 0,0 7,3 -0,7 6,6 2,86 2,05 0,76 0,0 0 8,20 0

тяга 281,8 6,6 0,6 7,2 2,08 2,31 0,80 713,2 1217331 8,88 0

выбег 0,0 7,2 -0,7 6,6 2,86 2,05 0,84 0,0 0 8,88 0

тяга 283,3 6,6 0,6 7,2 2,08 2,30 0,87 708,2 1202945 9,54 0

выбег 0,0 7,2 -0,7 6,5 2,86 2,05 0,91 0,0 0 9,54 0

1 тяга 284,6 6,5 0,6 7,1 2,08 2,28 0,94 703,4 1189279 10,21 0

выбег 0,0 7,1 -0,7 6,4 2,86 2,05 0,98 0,0 0 10,21 0

тяга 286,0 6,4 0,6 7,0 2,08 2,27 1,02 698,8 1176286 10,86 0

выбег 0,0 7,0 -0,7 6,4 2,86 2,05 1,05 0,0 0 10,86 0

тяга 287,2 6,4 0,6 7,0 2,08 2,27 1,09 694,3 1163925 11,51 0

выбег 0,0 7,0 -0,7 6,3 2,86 2,05 1,12 0,0 0 11,51 0

тяга 288,4 6,3 0,6 6,9 2,08 2,26 1,16 690,0 1152158 12,15 0

тяга 276,7 6,9 0,6 7,5 2,08 2,35 1,20 731,3 1270798 12,85 0

выбег 0,0 7,5 -0,7 6,8 2,86 2,05 1,24 0,0 0 12,85 0

тяга 278,3 6,8 0,6 7,4 2,08 2,33 1,27 725,6 1253644 13,55 0

№ эл Режим Fк или Вк, кН Ун, км//ч А У, км/ч Ук, км/ч или 'Л'ох, Н/кН АГ, с Г, мин I, А АА, Вт- с А, кВт- ч Анэ, кВт-ч

выбег 0,0 7,4 -0,7 6,7 2,86 2,05 1,31 0,0 0 13,55 0

тяга 279,9 6,7 0,6 7,3 2,08 2,32 1,34 720,1 1237395 14,24 0

выбег 0,0 7,3 -0,7 6,7 2,86 2,05 1,38 0,0 0 14,24 0

тяга 281,4 6,7 0,6 7,3 2,08 2,31 1,42 714,8 1221988 14,91 0

выбег 0,0 7,3 -0,7 6,6 2,86 2,05 1,45 0,0 0 14,91 0

тяга 282,8 6,6 0,6 7,2 2,08 2,30 1,49 709,7 1207367 15,58 0

выбег 0,0 7,2 -0,7 6,5 2,86 2,05 1,53 0,0 0 15,58 0

тяга 284,2 6,5 0,6 7,1 2,08 2,29 1,56 704,9 1193481 16,25 0

1 выбег 0,0 7,1 -0,7 6,4 2,86 2,05 1,60 0,0 0 16,25 0

тяга 285,5 6,4 0,6 7,1 2,08 2,28 1,63 700,2 1180282 16,90 0

выбег 0,0 7,1 -0,7 6,4 2,86 2,05 1,67 0,0 0 16,90 0

тяга 286,8 6,4 0,6 7,0 2,08 2,27 1,71 695,7 1167728 17,55 0

выбег 0,0 7,0 -0,7 6,3 2,86 2,05 1,74 0,0 0 17,55 0

тяга 288,1 6,3 0,6 6,9 2,08 2,26 1,78 691,4 1155779 18,19 0

тяга 276,3 6,9 0,6 7,5 2,08 2,35 1,82 732,5 1274630 18,90 0

выбег 0,0 7,5 -0,7 6,8 2,86 2,05 1,85 0,0 0 18,90 0

тяга 277,9 6,8 0,6 7,4 2,08 2,34 1,89 726,8 1257272 19,60 0