Харатін Д.О., Боцьва Н.П., Тихомиров О.Є.

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара

ДОСЛІДЖЕННЯ СТАНУ LІ-ІОN АКУМУЛЯТОРА

МЕТОДОМ ІМІТАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

У житті сучасного суспільства хімічні джерела струму стали незамінними для енергопостачання різноманітних автономних об’єктів, зокрема електронних портативних приладів. Найбільш перспективними і поширеними зараз є Li-ion акумулятори, у яких суттєво поліпшені такі важливі параметри, як питома енергія, термін роботи та збереження, температурний діапазон роботи.

На жаль, внутрішній стан Li-ion акумулятора у будь-який час дізнатися практичними методами неможливо. Основними факторами, що впливають на стан цієї нелінійної системи, є характеристики заряду/розряду, залежність від температури зовнішнього середовища, режим використання, конструкція та технологія виготовлення акумулятора, атмосферний тиск та ін. Якщо з’ясувати певні залежності між відомими основними зовнішніми електрохімічними параметрами акумулятора, то досить достовірно можна передбачити їх взаємодію і стан у часі, а отже – внутрішній стан акумулятора.

Існують певні розробки приладів – аналізаторів для Li-ion акумуляторів (зокрема фірми Cadex Electronics Inc), але для їх налаштування необхідне навчання протягом декількох хвилин на трьох невикористаних акумуляторах одного типорозміру, що складно здійснити, оскільки важко знайти декілька невикористаних акумуляторів, при цьому параметри навіть одного типорозміру акумуляторів можуть розрізнятись. Непривабливою є й висока ціна приладу – близько 100 $. Спеціалізовані програмні засоби, що розповсюджуються вільно, відсутні, а застосування стандартних програмних засобів (Modelica, Scilab) обмежено.

Дана робота присвячена дослідженню стану Lі-іоn акумулятора як реальної нелінійної системи методом імітаційного комп’ютерного моделювання. за допомогою оригінального програмного забезпечення, розробленого мовою Java у середовищі NetBeans. Програма аналізу стану акумулятора для різних вхідних даних для будь-якого часу здатна визначити шляхом моделювання основні параметри Li-ion акумулятора обраного користувачем типу та дозволяє вносити дані про нові типи акумуляторів до власної бази даних. Програма має зручний візуальний інтерфейс, не потребує значних ресурсів, що дозволяє її виконувати на будь-яких комп’ютерах, для яких створена віртуальна машина Java.

Проведені дослідження динамічних зарядно/розрядних характеристик Li-ion акумулятора та їх залежності від зовнішніх і внутрішніх параметрів системи (температури навколишнього середовища, струму заряду/розряду, зовнішнього тиску, внутрішнього опору та ін.), дослідження на безпеку та параметри «зношуваності» акумуляторів. Результати моделювання стану для різних типів Li-ion акумуляторів отримані у вигляді різноманітних експлуатаційних характеристик (графічні характеристики заряду/розряду, характеристики зміни параметрів під впливом температури та ін.).

А Б

Рис.1. Характеристика напруги під час заряду акумулятора:

А - дані довідника, Б - результат моделювання програмою

Головною відмінністю експлуатаційних характеристик, отриманих у результаті імітаційного моделювання (рис.1), є їх певна неоднорідність за товщиною. Характеристика насправді є не кривою, а певним неоднозначним діапазоном. Це пояснюється випадковою складовою, що виникає як результат помилок експерименту та випадкової зміни зовнішніх параметрів впродовж експерименту.

Порівняння результатів моделювання стану Li-ion акумуляторів із даними довідників дозволяють зробити висновок, що в більшості випадків результати моделювання співпадають з практичними значеннями. Звісно, передбачити поведінку даної системи при всій різноманітності Li-ion акумуляторів та наявності великої кількості зовнішніх чинників достовірно практично неможливо, але розроблена програма дозволяє досить точно передбачити стан системи Li-ion акумулятора на початковій стадії для більшості типів акумуляторів. До того ж, програма містить відкритий код та зручну математичну модель, що дозволяє легко її доповнювати.

Результати моделювання використані для аналізу Li-ion акумуляторів портативних пристроїв. Порівняння характеристик різних типів акумуляторів, проведене за результатами моделювання, дозволяє легко вирахувати для них показники оптимальних співвідношень ціни та якості. Розроблене програмне забезпечення корисне можливістю надання інформації не тільки про технічні характеристики, але й про термін експлуатації Li-ion джерела струму.

Література

1. Арнольд К., Гослинг Д. Язык программирования Java. - СПб.: Питер, 2002.

2. Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источники тока. – СПб.: Химиздат, 2005.

3. Химические источники тока: Справочник / Под ред. Н.В.Коровина и А.М. Скундина. – М.: Изд. МЭИ, 2003.

4. Steinmann, W.D., Buschle, J. Analysis of thermal storage systems using Modelica. – Proceedings of the 4th International Modelica Conference, Hamburg, 2005, March 7-8. – Р. 331-337.