energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2021-64-5-381-392energy-2097Research ArticleЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКАELECTRICAL POWER ENGINEERINGМоделирование сборок аккумуляторных батарей в электронной лабораторииModeling Battery Connections in the Electronic LabДобрегоК. B.DobregoK. V.

Адрес для переписки: Добрего Кирилл Викторович – Высшая аттестационная комиссия Республики Беларусь, просп. Независимости, 66, 220072, г. Минск, Республика Беларусь. Тел.: +375 17 368-11-57 dobrego@vak.gov.by

Address for correspondence: Dobrego Kirill V. – Higher Attestation Commission of the Republic of Belarus, 66, Nezavisimosty Ave., 220072, Minsk, Republic of Belarusю Тel.: +375 17 368-11-57 dobrego@vak.gov.by

dobrego@vak.gov.byБладыкоЮ. В.BladykoYu. V.

г. Минск

Minsk

Высшая аттестационная комиссия Республики БеларусьБеларусьHigher Attestation Commission of the Republic of BelarusBelarusБелорусский национальный технический университетБеларусьBelаrusian National Technical UniversityBelarus202108102021645381392Copyright © Добрего К.B., Бладыко Ю.В., 20212021Добрего К.B., Бладыко Ю.В.Dobrego K.V., Bladyko Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2097

В исследовании представлено моделирование процессов заряда-разряда сборок аккумуляторных батарей с учетом их деградации. Приведены результаты симулирования циклической работы сборок батарей в электронной лаборатории Electronics Workbench и возможные схемы соединения. Рассмотрены варианты перекоммутации аккумуляторных батарей во время работы, подключения дополнительных элементов для продления срока службы сборки. При моделировании учитывалось наличие в сборке одной дефектной батареи. Проведено сравнение работы сборок с дефектной батареей и эталонной. В результате сравнения способов соединения батарей предпочтительным признан параллельно-последовательный способ. Для такой сборки временные параметры работы остались практически неизменными, однако напряжения в дефектной и других батареях изменились более чем в два раза по сравнению с последовательно-параллельным соединением. Проанализированы изменения заряда, напряжения и тока сборок с деградировавшей батареей и эталонной. Показаны временные диаграммы для батарей, подключенных параллельно и последовательно с дефектной. Потери мощности в дефектной батарее снижаются при выборе параллельно-последовательной сборки, а переключение сборки с последовательно-параллельным соединением в параллельно-последовательное не приводит к компенсации деградации параметров батареи. Изменение временных интервалов переключения в широком диапазоне не способствует увеличению емкости дефектной батареи. Деградация параметров батареи вызывает более резкие скачки напряжения, заряда и тока. Дополнительная же подпитка энергией дефектной батареи поддерживает работоспособность всей сборки. Подпитка может быть выполнена подключением параллельно с дефектной дополнительной батареи или конденсатора, что равносильно замене деградировавшей батареи на новую.

The paper deals with the modeling of the processes of charge-discharge of battery assemblies taking into account their degradation. The results of simulating the cyclic operation of battery assemblies in the Electronics Workbench electronic laboratory are presented, possible schemes of inclusion are given, and options for re-switching batteries during operation are considered as well as connecting additional elements to extend the life of the connection. The simulation took into account the presence of one defective battery in the assembly. The operation of the assembly with a defective battery and a reference battery was compared. As a result of the analysis of parallel-serial and serial-parallel battery connections, the first one is considered preferable. For an assembly with a parallel-serial connection, the time parameters of operation remained almost unchanged, but the differences in the voltages of the defective and other batteries changed more than twice as compared with a serial-parallel connection. The changes in charge, voltage and current of assemblies with a degraded battery and a reference battery are analyzed. Timing diagrams are shown for batteries connected in parallel and in series with defective batteries. Power losses in a defective battery are reduced by choosing a parallel-series assembly, while switching a connection from a serial-parallel connection to a parallel-series one does not lead to compensation for the degradation of battery parameters. Changing the switching time intervals in a wide range does not contribute to increasing the capacity of a defective battery. Degradation of battery parameters leads to sharper surges in voltage, charge and current. The additional power recharge of the defective battery maintains the performance of the entire assembly. Recharge can be performed by connecting in parallel a defective additional battery or a capacitor, which is equivalent to replacing a degraded battery with a new one.

аккумуляторная батареязарядразрядемкостьдеградациясоединениепереключениеподпиткаbatterychargedischargecapacitydegradationconnectionswitchingrechargeReferencesShepherd, C. M. Design of Primary and Secondary Cells. Part 2. An Equation Describing Battery Discharge / C. M. Shepherd // Journal of Electrochemical Society. 1965. Vol. 112, Iss. 7. P. 657–664. https://doi.org/10.1149/1.2423659.Shepherd C. M. (1965) Design of Primary and Secondary Cells. Part 2. An Equation Describing Battery Discharge. Journal of Electrochemical Society, 112 (7), 657–664. https://doi.org/10.1149/1.2423659.Tremblay, O. Experimental Validation of a Battery Dynamic Model for EV Applications / O. Tremblay, L.-A. Dessaint // World Electric Vehicle Journal. 2009. Vol. 3, Iss. 2. P. 289–298. https://doi.org/10.3390/wevj3020289.Tremblay O., Dessaint L.-A. (2009) Experimental Validation of a Battery Dynamic Model for EV Applications. World Electric Vehicle Journal, 3 (2), 289–298. https://doi.org/10. 3390/wevj3020289.Krasucki, J. Projektowanie Hybrydowych Elektro-Hydraulicznych Układów Napędowych / J. Krasucki, A. Rostowski. Radom, 2010.Krasucki J., Rostowski A. (2010) Projektowanie Hybrydowych Elektro-Hydraulicznych Układów Napędowych. Radom.Фоменко, Н. С. Особенности моделирования свинцово-кислотного аккумулятора / Н. С. Фоменко, А. С. Григорьев, А. С. Динисилов // Электрохимическая энергетика. 2019. Т. 19, № 2. С. 81–89. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2019-19-2-81-89.Fomenko N. S., Grigoriev A. S., Dinisilov A. S. (2019) Specific Features of Lead-Acid Battery Modelling. Electrokhimicheskaya Energetika = Electrochemical Energetics, 19 (2), 81–89. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2019-19-2-81-89 (in Russian).Пост, С. С. Имитационная электроэнергетическая модель литий-ионной аккумуляторной батареи [Электронный ресурс] / С. С. Пост, В. И. Иванчура // Молодежь и наука: сб. материалов IХ Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с междунар. участием, посвященной 385-летию со дня основания г. Красноярска. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2013. Режим доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2013/thesis/s044/s044-040.pdf. Дата доступа: 10.07.2019.Post S. S., Ivanchura V. I. (2013) Simulation Electric Power Model of a Lithium-Ion Battery. Molodezh' i Nauka: Sb. Materialov IX Vseros. Nauch.-Tekhn. Konf. Studentov, Aspirantov i Molodykh Uchenykh s Mezhdunar. Uchastiem, Posvyashchennoi 385-letiyu so Dnya Osnovaniya g. Krasnoyarska [Youth and Science: a Collection of Materials of the IX All-Russian Scientific and Technical Conference of Students, Graduate Students and Young Scientists with International Participation Dedicated to the 385th Anniversary of the Founding of the City of Krasnoyarsk]. Krasnoyarsk: Siberian Federal University Publ. Available at: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2013/thesis/s044/s044-040.pdf (Аccessed 10 July 2019) (in Russian).Борисевич, А. В. Моделирование литий-ионных аккумуляторов для систем управления батареями: обзор текущего состояния [Электронный ресурс] / А. В. Борисевич // Современная техника и технологии. 2014. № 5. Режим доступа: http://technology.snauka.ru/2014/05/3542. Дата доступа: 12.04.2020.Borisevich A. V. (2014) Modeling of Lithium-Ion Batteries for Battery Management Systems: the Survey of Current State. Sovremennaya Tekhnika i Tekhnologii = Modern Techniques and Technologies, (5). Available at: http://technology.snauka.ru/2014/05/3542 (Аccessed 12 April 2020) (in Russian).Сазанов, А. Б. Математическое моделирование режимов работы аккумуляторных батарей / А. Б. Сазанов // Техника машиностроения. 2007. № 2. С. 27–30.Sazanov A. B. (2007) Mathematical Modeling of Battery Operating Conditions. Tekhnika Mashinostroeniya [Mechanical Engineering Technologies], (2), 27–30 (in Russian).Мартьянов, А. С. Моделирование алгоритмов заряда аккумуляторной батареи [Электронный ресурс] / А. С. Мартьянов // Наука ЮУрГУ: материалы 67-й науч. конф. Секция техн. наук. 2015. С. 1165–1171. Режим доступа: https://dspace.susu.ru/xmlui/bitstream/handle/0001.74/6376/44.pdf?sequence=1. Дата доступа: 12.04.2020.Mart'yanov A. S. (2015) Modeling of Rechargeable Battery Charge Algorithms. Nauka YuUrGU: Materialy 67-i Nauch. Konf. Sektsii Tekhnicheskikh Nauk [SUSU Science: Proceedings of the 67th Scientific Conference. Section of Technical Sciences], 1165–1171. Available at: https://dspace.susu.ru/xmlui/bitstream/handle/0001.74/6376/44.pdf?sequence=1 (Аccessed 12 April 2020) (in Russian).Гринчик, Н. Н. Oб измерении электрического сопротивления жидких электролитов аккумуляторных батарей / Н. Н. Гринчик, К. В. Добрего, М. А. Чумаченко // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 6. С. 494–507. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-6-494-507.Grinchik N. N., Dobrego K. V., Chumachenko M. A. (2018) On the Measurement of Electric Resistance of Liquid Electrolytes of Accumulator Battery. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 61 (6), 494–507. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-6-494-507 (in Russian).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.Dobrego K. V., Bladyko Y. V. (2021) Modeling of Batteries and their Assemblies Taking into Account the Degradation of Parameters. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 64 (1), 27–39. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-1-27-39 (in Russian).Карлащук, В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторный практикум на базе Electronics Workbench и MatLab / В. И. Карлащук. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 800 с.Karlashchuk V. I. (2004) IBM PC-Based Electronic Laboratory. Laboratory Workshop Based on Electronics Workbench and MatLab. Mosсow, SOLON-Press Publ. 800 (in Russian).Бладыко, Ю. В. Электроника / Ю. В. Бладыко. Минск: ИВЦ Минфина, 2016. 190 с.Bladyko Y. V. (2016) Electronics. Minsk, ICC of the Ministry of Finance Publ. 190 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.