Методи контролю електрохімічних накопичувачів енергії: класифікація та особливості застосування

When an electrochemical energy storage is used as part of an energy system, the influence of external factors significantly changes its basic parameters: its available capacity decreases, while its internal resistance and self-discharge increase, which reduces the lifespan of the storage and disrupt...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2021
Автори:	Plaksin, Sergiy, Zhytnyk, Mykola, Levchenko, Ruslana, Ostapovska, Svitlana
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2021
Теми:	електрохімічний накопичувач енергії імпульсні методи контролю
Онлайн доступ:	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.39
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Technology and design in electronic equipment
Завантажити файл:

Репозитарії

Technology and design in electronic equipment

_version_	1867660269779419136
author	Plaksin, Sergiy Zhytnyk, Mykola Levchenko, Ruslana Ostapovska, Svitlana
author_facet	Plaksin, Sergiy Zhytnyk, Mykola Levchenko, Ruslana Ostapovska, Svitlana
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Sergiy Plaksin", "institution": "Institute of Transport Systems and Technologies of NAS of Ukraine, Dnipro, Ukraine" }, { "author": "Mykola Zhytnyk", "institution": "Institute of Transport Systems and Technologies of NAS of Ukraine, Dnipro, Ukraine" }, { "author": "Ruslana Levchenko", "institution": "Institute of Transport Systems and Technologies of NAS of Ukraine, Dnipro, Ukraine" }, { "author": "Svitlana Ostapovska", "institution": "Institute of Transport Systems and Technologies of NAS of Ukraine, Dnipro, Ukraine" } ]
author_sort	Plaksin, Sergiy
baseUrl_str	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-06-10T12:19:13Z
description	When an electrochemical energy storage is used as part of an energy system, the influence of external factors significantly changes its basic parameters: its available capacity decreases, while its internal resistance and self-discharge increase, which reduces the lifespan of the storage and disrupts the normal functioning of the energy system as a whole. Improving the performance of the energy storage is an urgent challenge, and one way to address it is to efficiently monitor the storage’s status. The purpose of this study was to increase the efficiency of using electrochemical energy storages by choosing a proper control method according to operating conditions of the storage.The conducted analytical overview of the existing methods of monitoring electrochemical energy storages allowed systematizing and classifying them by the controlled parameters. It is shown that if the storage operates in dynamic modes, such as buffer, starter or main energy source mode, when connecting high-power resistors, it is necessary to take into account such parameters as activation resistance and activation capacitance characterizing storage’s resistance capabilities and presenting valuable information for choosing the method of storage control. The paper demonstrates that in dynamic operation modes it is necessary to use impulse methods of storage control, which allow for efficient monitoring taking into account activation parameters. The authors offer practical recommendations on choosing a method of storage control depending on its operation mode. Pulse multistage potentiostatic and single-pulse galvanostatic control methods meet such requirements the most when the storage is operating in dynamic modes.The preference is given to the single-pulse galvanostatic method developed by the authors, it being relatively simple to implement and sufficiently informative for practical purposes, which facilitates the automation of the control process. Experimental results on controlling the electrochemical energy storage operating in dynamic modes obtained using the method developed by the authors confirm its efficiency.
doi_str_mv	10.15222/TKEA2021.1-2.39
first_indexed	2025-09-24T17:30:22Z
format	Article
fulltext	Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2 39ISSN 2309-9992 (Online) МЕТРОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ 1 УДК 621.311.25: 621.311.29 Д. ф.-м. н. С. В. ПЛАКСИН, Н. Е. ЖИТНИК, Р. Ю. ЛЕВЧЕНКО, С. Я. ОСТАПОВСКАЯ Украина, г. Днепр, Институт транспортных систем и технологий НАН Украины E-mail: levchenko.ruslana@westa-inter.com МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ: КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ Важнейшим аспектом эксплуатации систем бес- перебойного гарантированного энергоснабжения является контроль параметров накопителя энер- гии. Независимо от типа электрохимической систе- мы, на основе которой создан накопитель, в процес- се эксплуатации внешние воздействия существен- но изменяют его основные параметры: доступная емкость снижается, внутреннее сопротивление рас- тет, ЭДС может снижаться и выходить за рамки ра- бочего диапа зона, а саморазряд увеличиваться [1]. Нарушение работы накопителя, обусловленное ухуд- шением его эксплуатационных качеств, негативно влияет на эффективность работы всей энергоуста- новки вплоть до полного ее выхода из строя. Одним из путей решения задачи повышения эффективности использования накопителей энергии наряду с повы- шением качества является рациональный выбор ме- тодов контроля их текущего состояния в соответствии с условиями эксплуатации. Настоящая работа направлена на повышение эф- фективности эксплуатации электрохимических нако- пителей энергии путем рационального выбора мето- да контроля их текущего состояния. Выполнена систематизация и классификация электрохимических накопителей энергии по их контролируемым параметрам. Показано, что при работе накопителя в динамических режимах необходимо контролировать ак- тивационное сопротивление и активационную емкость, которые характеризуют нагрузочные способности на- копителя. Обоснована необходимость применения импульсных методов контроля накопителя при его работе в динамических режимах и экспериментально показаны преимущества разработанного авторами одно- импульсного гальваностатического метода. Ключевые слова: электрохимический накопитель энергии, импульсные методы контроля. Выбор информативных характеристик электрохимических накопителей энергии Для изучения степени влияния метода контроля на повышение эффективности использования накопите- ля необходимо определиться с параметрами, по кото- рым можно судить о его текущем состоянии. Автор работы [2] выделил совокупность параметров и ха- рактеристик накопителя, которая в наглядном виде приведена на рис. 1. Безусловно, на практике нет необходимости ис- пользовать для контроля все приведенные параметры и характеристики. Выбор необходимых контролируе- мых параметров определяется в каждом конкретном случае, исходя из назначения и условий эксплуата- ции накопителя. В [2] описаны особенности работы накопителя в различных режимах и приведены пе- речни основных контролируемых параметров в за- висимости от режима эксплуатации, которые пред- ставлены в табл. 1. Как видно из табл. 1, практически при всех указан- ных режимах работы накопителей методы контроля основаны на прямом измерении приборными сред- DOI: 10.15222/TKEA2021.1-2.39 Таблица 1 Режимы эксплуатации электрохимических накопителей энергии и соответствующие им контролируемые параметры Режим экс плуатации Буферный Циклический Дежурный Стартерный Основного источника Хранения Контроли- руемые параметры I3 — ток заряда; Ip — ток разряда; γ — глубина раз- — глубина раз- ряда; Q — емкость; U — напряжение I3 — ток заряда; Ip — ток разряда; Qp — разряд- ная емкость; Q3 — заряд- ная емкость Iподз — ток под заряда; Uрц — напря- же ние ра зомк- ну той цепи; Q — емкость; C — заряжен- ность Up — напряже- ние раз ряда; Ip — ток раз- ряда; Qp — разряд- ная емкость; вольт-амперная характеристика Ip — ток разряда; Qp — разряд- ная емкость; Up — напряже- ние раз ряда Uрц — напря- же ние ра зом к- ну той цепи; Q — емкость; C — заряжен- ность Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–240 ISSN 2309-9992 (Online) 2 МЕТРОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ствами таких электрических параметров, как напря- жение, ток и остаточная емкость, которые пригодны для контроля накопителя при его работе в статиче- ском режиме. В то же время, при эксплуатации нако- пителя в сильнотоковых приложениях, характерных для буферного, стартерного и режима основного ис- точника при подключении к нему нагрузки, важны- ми параметрами, кроме остаточной емкости, являют- ся те, что отражают работу накопителя в динамиче- ских режимах [3, с. 63]. Поведение накопителя в та- ких режимах во многом зависит от его активацион- ного сопротивления и активационной емкости, кото- рые определяют длительность переходного процес- са, в течение которого может быть реализован крат- ковременный сильнотоковый режим, и длительность восстановления стационарного режима после его за- вершения. При этом сопротивление по переменному току определяет максимальный ток накопителя при подключении нагрузки. Сопротивление по постоянному току состоит из последовательно включенных сопротивлений по пе- ременному току и активационного сопротивления и определяет максимальный ток накопителя в устано- вившемся режиме. Активационная емкость опреде- ляет длительность переходного процесса в динами- ческих режимах работы. Указанные параметры за- частую со временем изменяются (ухудшаются) бы- стрее, чем номинальная емкость накопителя, и в ре- зультате именно они делают невозможным эксплу- атацию накопителя при больших токах нагрузки и снижают эффективность их использования в дина- мических режимах работы. Классификация методов оперативного контроля параметров накопителей энергии Выполнение требований по повышению эффек- тивности использования накопителей тесно связано с выбором рационального метода контроля их пара- метров. По аналогии с классификацией, предложен- ной автором [3, с. 41], нами разработан расширен- ный и дополненный вариант классификации суще- ствующих методов оперативного контроля параме- тров электрохимических накопителей, представлен- ный на рис. 2. Из приведенной классификации можно сделать вывод, что значения активационных параметров не- возможно получить прямыми измерениями, следо- вательно, поставленную задачу нужно решать прин- ципиально новыми методами интеллектуальной ди- агностики, основанными на физических принципах косвенных измерений и идентификации параметров накопителей. К числу таких методов относятся им- пульсные методы, использующие кратковременные внешние электрические воздействия импульсами тока или напряжения с последующей идентифика- цией параметров накопителя, полученных косвенно в результате анализа информационных параметров сигналов отклика на воздействующий тестовый им- пульс. Значения параметров можно измерить доста- точно быстро без использования приборных средств Рис. 1. Совокупность параметров и характеристик электрохимических накопителей Характеристики и основные параметры электрохимических аккумуляторов Зарядные и разрядные характеристики Емкость аккумулятора Заряженность Ресурс Саморазряд Эффективность заряда и разряда — срок службы; — срок годности; — срок хранения (сохранность); — наработки Сопротивление аккумулятора — омическое сопротивление; — поляризационное сопротивление электрода; — внутреннее сопротивление; — импеданс Электрохимическая система — ЭДС заряженного аккумулятора; — ЭДС разряженного аккумулятора — номинальная емкость; — максимальная емкость; — зарядная емкость; — разрядная емкость Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2 41ISSN 2309-9992 (Online) МЕТРОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ 3 измерений, а также без отключения накопителя от сети потребителей в процессе его работы, что облег- чает автоматизацию процесса контроля. С точки зрения практического использования, в системах оперативного контроля накопителей инте- рес представляют гальваностатический [4—7] и по- тенциостатический [3, 8] методы, в которых сигналы отклика представлены временной зависимостью на- пряжения U(t) или тока І(t) для гальваностатическо- го и потенциостатического методов соответственно. Последовательность операций по определению зна- чений параметров накопителя из значений параме- тров сигнала отклика подробно отражена в [6, 7] и в общем виде представлена на рис. 3. Обработка значений параметров сигнала отклика для определения по ним значений контролируемых параметров накопителя производится методами мате- матической обработки сигналов по специально разра- ботанным алгоритмам. Примером могут служить под- робно описанные в [9, 10] алгоритмы автоматизиро- ванного контроля текущего состояния электрохими- ческих накопителей энергии различного назначения. Исходя из доступной информации, вкратце опи- шем возможности определения динамических пара- метров накопителя при использовании различных им- пульсных методов контроля. Гальваностатический метод Гальваностатический метод контроля параметров накопителя серией зарядно-разрядных тестовых им- пульсов тока [5], типичные формы тестовых импуль- сов и сигнала отклика которых приведены на рис. 4, позволяет определять параметры накопителя с ис- пользованием модели, приведенной в табл. 2. В ма- тематической модели используется ряд коэффици- ентов, значения которых получены эксперименталь- ным путем для конкретного аккумулятора и приведе- ны в табл. 3 (Uгр — граничное напряжение разряда). Наряду с такими достоинствами гальваностатиче- ского метода, как относительная простота его реали- Рис. 2. Классификация методов контроля параметров накопителей энергии Методы контроля на постоянном токе Контролируемые параметры Нестационарные или релаксационные методы контроля С постоянной нагрузкой Rн = const Гальваностатический I = const, ΔU(I) Импедансный Потенциостатический U = const, ΔI(U) Напряжение под нагрузкой Ток под нагрузкой Активационная емкость Остаточная емкость Разрядная характеристика Степень заряженности (SOC) Внутреннее сопротивление по постоянному току Внутреннее сопротивление по переменному току Активационное сопротивление Гальваностатический Iимп = const, ΔU(t) Потенциостатический Uимп = const, ΔI(t) ● одноимпульсный ● многоимпульсный ● одноимпульсный ● многоимпульсный Выбор параметров, характеризующих состояние накопителя Определение параметров тестового импульса Определение параметров, характеризующих сигнал отклика на тестовый импульс Определение взаимосвязи значений параметров сигнала отклика на тестовый импульс с параметрами накопителя Рис. 3. Последовательность выполнения операций по опре- делению значений параметров накопителя по параметрам сигнала отклика Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–242 ISSN 2309-9992 (Online) 4 МЕТРОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ зации и сравнительно небольшое время оценки пара- метров накопителя, к его недостаткам следует отне- сти сильную зависимость результатов мониторинга от текущего эксплуатационного состояния аккуму- лятора, что требует множества эмпирических коэф- фициентов для каждого типа аккумуляторов. Также сложно использовать этот метод для батарей большой емкости и большого напряжения — необходимость применения при тестировании больших разрядных токов может сказаться на состоянии аккумулятора при его дальнейшей эксплуатации. Метод не позво- ляет четко определить активационные параметры на- копителя при его работе в динамическом режиме, а разрядную емкость можно определить стандартным методом, как это следует из параметров математиче- ской модели. При работе накопителя в сети потреби- телей воздействие на него серией зарядно-разрядных импульсов с возрастающей амплитудой с целью ди- агностики не может не сказаться на режиме энерго- снабжения, поэтому его необходимо отсоединять от сети. Такая возможность, однако, имеется не всегда, например, это неприемлемо для автономных энерго- систем, а также для устройств резервного электро- снабжения, которые используются для предотвраще- ния перебоев с электропитанием. Таблица 2 Математическая модель электрохимического аккумулятора Заряженность аккумулятора 1 5 13 13 1 5 ln β lnβ 1 γ U UU E I I I q              Активное внутреннее сопротивление аккумулятора с учетом поляризации 1 5 1 5 U UR I I    Постоянная составляющая активного внутреннего сопротивления аккумулятора 1α qr R q     Разрядная характеристика аккумулятора 0 0 ( , ) α β eхр γ 1It ItU I t E rI I Q It Q                     Разрядная емкость аккумулятора Qp = Itp при U = Uгр Таблица 3 Значения коэффициентов, входящих в математическую модель для различных типов накопителей Тип аккумулятора/ батареи Номинальная емкость, А·ч ЭДС, В Коэффициенты α, Ом β, В γ НКП-90 90 1,25 0,003518 0,117814 13,6125 НК-28 28 1,3779 0,595 0,3897 18,05 НКГ-160 160 1,3994 0,002171 0,129426 4,93 НКГ-45 45 1,402 0,2489 0,5237 4,6 27НКП-90 90 36,72 0,14 3,89 9,49 6СТ-55 55 12,87 0,03 0,1959 14,45 6СТ-44А 44 12,837 0,031928 0,412415 5,55 Рис. 4. Типичные формы тестовых импульсов (а) и сигна- ла отклика (б) при гальваностатическом методе контроля а) б) t1 t4 t3 t2 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15 t, с t, с A B C D E F G IH J K I15 I11 I7 I3 0 I1 I5 I9 I13 U0 U1 U5 U9U13 0 Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2 43ISSN 2309-9992 (Online) МЕТРОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ 5 Многоступенчатый потенциостатический метод В основе многоступенчатого потенциостатиче- ского метода контроля [3, 8] лежит принцип, позво- ляющий незначительным изменениям величины на- пряжения Uак подаваемых на аккумулятор импульсов вызывать существенные изменения проходящего че- рез него тока Iак, что позволяет облегчить процедуру исследования параметров аккумулятора. Как видно из рис. 5, небольшое изменение напря- жения Uaк приводит к существенному изменению тока Iак, протекающего через накопитель. Значение тока при этом может быть измерено с достаточной точностью, и его информативность, с точки зрения идентификации параметров модели, велика. Пиковое значение на зависимости Iак(t) характеризует величи- ну внутреннего омического сопротивления постоян- ному току. Плавное изменение тока (переходный про- цесс) свидетельствует об инерционности процесса, 1. Формируется последовательность воздействий импульсов напряжения на накопитель в форме, пред- ставленной на рис. 5, при этом каждое воздействие определяется величиной i·ΔU, где i — номер воздей- ствия в последовательности, что позволяет более пол- но кумулятивно, с учетом нестационарности и нели- нейности процесса, оценить контролируемые параме- тры для рабочего диапазона [U0, Umax] напряжений. 2. Величина i·ΔU для каждого воздействия опре- деляется тем, насколько существенным и достаточ- ным по амплитуде будет изменение возникающего при этом отклика накопителя Iа, определяющего раз- решающую способность устройства. 3. Число воздействий N, а также их очередность определяются требуемой погрешностью измерения конкретных контролируемых параметров. В [9, с. 1137] также приведена адаптивная мате- матическая модель, настраиваемая в зависимости от типа контролируемого аккумулятора по обучающей выборке и представленная в форме алгоритма реали- зации активного импульсно-релаксационного прин- ципа контроля. В общем виде алгоритм включает в себя выполнение следующих операций: — расчет общих характеристик оперативного кон- троля и измерения параметров накопителя (смеще- ния напряжения воздействия Uсм, количество воз- действий (ступеней) N, шаг дискретизации измере- ний ΔU, количество n точек измерения тока отклика); — измерение начального уровня напряжения U0 на накопителе, относительно которого формируется потенциостатическое воздействие i·ΔU; — реализация потенциостатического воздействия и измерение токовой реакции Iа(t) с заранее заданны- ми параметрами; — редукция полученных результатов измере- ний путем преобразования полученной выборки    1,а 1, j j M l n I l   токовых реакций в образы адаптивного ортогонального признакового пространства на осно- ве ковариационной матрицы измерений; — построение модели нелинейной регрессии по- ниженной размерности связи редуцированных об- разов Dj с контролируемыми параметрами и опре- деление коэффициентов (в частности, для остаточ- ной емкости); — преобразование текущих токовых реакций в редуцированные значения параметров накопителя в соответствии с моделью. Предложенный авторами [3, 8] активный импульс- но-релаксационный метод контроля позволяет опре- делять динамические параметры накопителя, такие как остаточная емкость, активационное сопротивле- ние и активационная емкость. К достоинствам мето- да следует отнести незначительные энергетические затраты при его реализации и сравнительно высокую точность определения значений параметров, которая Рис. 5. Типичные формы тестовых импульсов (а) и сигна- ла отклика (б) при потенциостатическом методе контроля а) б) Uакк, В U2 U1 0 t1 t2 t, с Iакк, А 0 t1 t2 t, с I11 I12 I13 I14 I54 напрямую связанного с остаточной емкостью накопи- теля и активационными параметрами, которые опре- деляют поведение накопителя в переходных режимах при включении большой нагрузки. Широкий диапа- зон изменения тока существенно облегчает получе- ние достоверной информации о состоянии накопите- ля при небольших энергетических затратах. Импульсно-релаксационный метод Однократное импульсное воздействие не позво- ляет получить устойчивые и достоверные значения электрических параметров накопителя, и поэтому предлагается применять многоступенчатый актив- ный импульсно-релаксационный метод контроля, принципы которого заключаются в следующем [9]. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–244 ISSN 2309-9992 (Online) 6 МЕТРОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ достигается использованием многоступенчатого воз- действия. В то же время, для обработки сигнала от- клика на многоступенчатое воздействие и идентифи- кации параметров накопителя используется сложный математический аппарат, что может служить причи- ной сдерживания его практической реализации. Гальваностатический метод контроля единичным импульсом Гальваностатический метод контроля единичным тестовым прямоугольным импульсом тока и алгоритм его реализации подробно описаны в [6, 10]. Суть ме- тода заключается в подаче на контролируемый акку- мулятор тестового импульса тока, величина которо- го в амперах равна 0,1Сак, где Сак — емкость акку- мулятора в ампер-часах, а длительность соизмери- ма со временем протекания в накопителе переходно- го процесса. Типичная форма сигнала отклика с обо- значениями параметров протекающего в накопителе электрохимического процесса приведена на рис. 6. Значения параметров накопителя получены путем обработки формы сигнала отклика математически- ми методами [4]. Одной из основных задач при математической об- работке формы сигнала отклика с целью определения динамических параметров накопителя является опре- деление участков, обозначающих стадии протекаю- щего в нем электрохимического процесса, а именно стадии поляризации при подаче тестового импульса и стадии деполяризации после его снятия. Стадии поляризации и деполяризации отражают время про- текания переходного процесса в накопителе, которое определяет значения активационного сопротивления и активационной емкости. Путем идентификации зна- чений параметров сигнала отклика определены сле- дующие параметры накопителя [6]: • значение активного омического сопротивления: Rом = ΔUа1/ I, (1) где ΔUа1 — падение напряжения на активном сопротив- лении; I — величина тока тестового импульса; • значение активационного сопротивления, вы- званного напряжением поляризации: Rп = ΔUп / I, (2) где ΔUп — напряжение поляризации; • значение активационной емкости: Са = τI / ΔUп, (3) где τ — постоянная времени переходного процес- са, τ = tcп / k; tсп — время спада напряжения после снятия тестово- го импульса тока; k — коэффициент, учитывающий скорость измене- ния функции ΔUп(tсп), k = 4 для случаев, когда значение функции изменяется от нулевого зна- чения до 0,982Uсп; • скорость протекания электрохимической реак- ции, которая характеризуется параметром kэ = Uэ / tэ, (4) где Uэ — напряжение электрохимической поляризации; • скорость протекания процесса саморазряда ак- тивных масс на электролит в неработающем состо- янии накопителя или скорость разрядного процесса при работе накопителя на нагрузку, которые харак- теризуются параметром kдп = Uдп / tдп, (5) где Uдп — величина напряжения деполяризации. Рис. 6. Типичная форма сигнала отклика накопителя на единич- ный тестовый импульс тока 16,0 15,5 15,0 14,5 14,0 13,5 13,0 12,5 0 4 8 12 16 20 24 28 t,с Ua2 Uспк U, В Uп Uпк Uэ Ua1 Uрц tэ 1 2 3 tспtи Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2 45ISSN 2309-9992 (Online) МЕТРОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ 7 Рис. 7. Сигнал отклика и его параметры для накопителя с высокими (а) и с низкими (б) энергетическими показателями при подключении к ним одинаковой по величине нагрузки а) б) 0 4 8 12 16 20 24 28 32 t, с 15,2 15,0 14,8 14,6 14,4 14,2 0 4 8 12 16 20 24 28 32 t, с С иг на л от кл ик а, В 15,8 15,4 15,0 14,6 14,2 С иг на л от кл ик а, В Н ап ря ж ен ие п ол яр из ац ии , В 2,0 1,5 1,0 0,5 0 0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 t, с 1,75 1,25 0,75 0,25 –0,25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 t, с Н ап ря ж ен ие п ол яр из ац ии , В Та нг ен с у гл а н ак ло на н а с па де 0,75 0,50 0,25 0 0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 t, с 0,75 0,50 0,25 0 –0,25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 t, сТа нг ен с у гл а н ак ло на н а с па де Н ап ря ж ен ие с па да , В 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 t, с 1,75 1,25 0,75 0,25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 t, с Н ап ря ж ен ие с па да , В Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–246 ISSN 2309-9992 (Online) 8 МЕТРОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ Параметр kэ отображается на сигнале отклика углом наклона линии электрохимической поляриза- ции к оси ординат и характеризует степень исполь- зования зарядного тока в режиме зарядки накопи- теля. Следовательно, чем меньше величина kэ, тем выше скорость реакции и, соответственно, выше ко- эффициент использования зарядного тока. Параметр kдп на сигнале отклика отображается углом наклона линии спада напряжения к оси ординат после сня- тия тестового импульса на стадии деполяризации. По величине коэффициента kдп производится оцен- ка степени саморазряда (разряда) накопителя — чем меньше величина kдп, тем выше скорость его само- разряда (разряда). В соответствии с законом Фарадея, емкость хи- мического источника тока в ампер-часах определя- ется удельным расходом активных материалов, ко- торый используется в качестве обобщенного энер- гетического показателя — коэффициента использо- вания активных масс. Величина этого коэффициен- та находится в прямой зависимости от площади ре- агирующей поверхности порового пространства ак- тивных масс и, соответственно, от величины актива- ционной емкости. Таким образом, с определенными допущениями можно утверждать, что величина ак- тивационной емкости Cа пропорциональна площа- ди реагирующей поверхности активных масс и кор- релирует с величиной площади фигуры под линией спада напряжения на сигнале отклика после снятия тестового импульса. Приведенный перечень параметров накопителя, полученных путем их согласования с параметрами сигнала отклика, подтверждает возможность осу- ществления автоматизированного контроля текуще- го состояния накопителя в динамическом режиме его работы импульсным гальваностатическим методом. В качестве примера на рис. 7 приведены исход ные сигналы отклика и фрагменты процесса контроля ак- тивационных параметров двух однотипных накопи- телей энергии, выполненных на базе полностью за- ряженных стартерных свинцово-кислотных акку- муляторов 6СТ75А3 с различными энергетически- ми показателями, работающих в буферном режиме. Приведенные графики отражают динамику пове- дения каждого накопителя при подключении к ним одинаковой по величине нагрузки. Значения параме- тров накопителей измерялись в автоматическом ре- жиме с интервалом 15 минут, на графиках они обо- значены точками. Сравнительный анализ приведенных на рис. 7 ре- зультатов эксперимента показывает существенные различия в поведении накопителей. При подключе- нии нагрузки к накопителю с высокими энергетиче- скими показателями (рис. 7, а) значения таких его параметров, как угол наклона на спаде и напряже- ние спада, снижаются сравнительно медленно, что соответствует медленной отдаче энергии накопи- теля нагрузке. При этом величина поляризации по- сле медленного спада сохраняет стабильное значе- ние на протяжении всего времени разряда, что под- тверждает достаточную нагрузочную способность накопителя. Иной характер поведения при подклю- чении нагрузки наблюдается у накопителя с низки- ми энергетическими показателями (рис. 7, б). Здесь четко виден момент резкого падения значений всех активационных параметров, в результате чего про- изошло срабатывание системы защиты, отключение нагрузки от накопителя и самовосстановление нако- пителя с одновременным его подзарядом от внеш- него источника. Приведенный пример подтверждает значимость контроля активационных параметров накопите- ля при его работе в динамических режимах. При этом значения таких параметров сигнала отклика, как величина поляризации ΔUп, напряжение спада ΔUсп и угол наклона на спаде (коэффициент kдп), могут быть использованы в качестве дополнитель- ного критерия прогнозирования работоспособно- сти накопителя. Выводы Проведенные исследования показали необходи- мость выбора метода контроля текущего состояния накопителя, соответствующего режиму его работы. Было экспериментально подтверждено, что для по- вышения эффективности использования электрохи- мических накопителей энергии, особенно при рабо- те в таких динамических режимах, как буферный, стартерный и режим основного источника, необхо- димо использовать методы контроля, предусматри- вающие контроль активационных параметров. Для практических приложений к таким методам мож- но отнести импульсные методы различной моди- фикации, преимущественно импульсные гальвано- статические и потенциостатические методы, кото- рые сравнительно просты в реализации, достаточ- но информативны и позволяют осуществлять опе- ративный контроль накопителей без отключения от сети потребителей. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ 1. Возмилов А. Г., Калмаков В. А., Андреев А. А. Влияние условий работы накопителя энергии на основе химических источников тока в составе автономных энергосистем на его срок службы. Наука ЮУрГУ: Материалы 67-й научной кон- ференции. Секция технических наук. Россия, Челябинск, 2015, с. 52–58. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2 47ISSN 2309-9992 (Online) МЕТРОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ 9 2. Давидов А. О. Основные эксплуатационные параметры и классификация режимов работы электрохимических аккуму- ляторов. Авиационно-космическая техника и технология, 2011, № 7(84), c. 120–125. 3. Онышко Д. А. Методы и устройства экспресс-контроля никель-кадмиевых аккумуляторов для систем управления их производством и эксплуатацией. Дис. … канд. техн. наук. Ново- черкасск, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М. И. Платова, 2016, 188 с. 4. Дзензерский В. А., Беда М. А., Житник Н. Е. и др. Автоматизированная диагностика химических источников тока. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2011, № 1–2, с. 6–9. 5. Безручко К. В., Давидов А. О. Метод экспресс-диагностики электрохимических накопителей энергии энергоустановок ракетно-космических объектов. Космическая техника. Ракетное вооружение, 2012, вып. 1, с.140–148. 6. Дзензерский В. А., Житник Н. Е., Плаксин С. В., Лисунова В. В. Импульсный метод автоматизированного контроля электро- химических накопителей энергии. Гірнича електромеханіка та автоматика, 2016, вып. 96, с. 31–36. 7. Давидов А. О. Жмуров Б. В. Метод диагностики авиа- ционных электрохимических аккумуляторных батарей. Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». Россия, Пенза, 2016, т. 2, c. 78–80. 8. Седов А. В., Онышко Д. А., Липкин С. М., Липкин М. С. Активный импульсно-релаксационный принцип диагностики для оперативного контроля параметров аккумуляторов в техни- ческих системах. Материалы VII Международной конференции «Наука в современном информационном обществе», USA, North Charleston, 2015, Т. 2, с. 161–165. 9. Седов А. В., Онышко Д. А., Липкин М. С. Физико- математические принципы построения средств интеллектуаль- ного контроля автономных аккумуляторных источников пита- ния. Фундаментальные исследования, 2015, № 12-6, c. 1134–1138. 10. Дзензерский В. А., Житник Н. Е., Плаксин С. В., Лисунова В. В. Разработка алгоритма автоматизированного контроля элек- трохимических накопителей энергии. Электротехника и элек- троэнергетика, 2017, № 1, c. 39–47. Дата поступления рукописи в редакцию 01.11 2020 г. С. В. ПЛАКСІН, М. Я. ЖИТНИК, Р. Ю. ЛЕВЧЕНКО, С. Я. ОСТАПОВСЬКА Україна, м. Дніпро, Інститут транспортних систем та технологій НАН України E-mail: levchenko.ruslana@westa-inter.com МЕТОДИ КОНТРОЛЮ ЕЛЕКТРОХІМІЧНИХ НАКОПИЧУВАЧІВ ЕНЕРГІЇ: КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ В процесі експлуатації електрохімічного накопичувача енергії у складі енергосистем вплив зовнішніх чинників суттєво змінює його основні параметри: доступна ємність знижується, внутрішній опір зростає, а саморозряд збільшується, що призводить до скорочення терміну експлуатації накопичувача та порушення штатного режиму функціонування енергосистеми в цілому. Підвищення ефективності використання накопичувачів є актуальною за- дачею, і одним зі способів її вирішення є оперативний контроль стану накопичувача. Дана робота спрямована на підвищення ефективності експлуатації електрохімічних накопичувачів енергії шляхом раціонального вибору методу контролю їхнього поточного стану. За результатами проведеного аналітичного огляду існуючих методів контролю електрохімічних накопичувачів енергії виконано їхню систематизацію та класифікацію за контрольованими параметрами. Показано, що при роботі нако- пичувача в динамічних режимах, таких як, наприклад, буферний, стартерний та режим основного джерела енергії, при підключенні потужного опору необхідно враховувати такі параметри, як активаційний опір та активаційну ємність, які характеризують опорові можливості накопичувача та мають важливу інформаційну цінність при вирішенні питання вибору методу контролю накопичувача. Показано, що в динамічних режимах роботи накопичува- ча необхідно застосовувати імпульсні методи контролю, які дозволяють забезпечити оперативний контроль з ура- хуванням активаційних параметрів. Запропоновано практичні рекомендації щодо вибору методу контролю накопи- чувача залежно від режиму його роботи. В найбільшій мірі таким вимогам відповідають імпульсний багатоступене- вий потенціостатичний та одноімпульсний гальваностатичний методи оперативного контролю накопичувачів при їхній роботі в динамічних режимах. При цьому перевага надається розробленому авторами одноімпульсному гальва- ностатичному методу через його відносно просту реалізацію та достатню для практичних цілей інформативність, що полегшує автоматизацію процесу контролю. Експериментальні результати контролю електрохімічного нако- пичувача енергії при роботі в динамічних режимах, отримані при застосуванні розробленого авторами метода, підтверджують його ефективність. Ключові слова: електрохімічний накопичувач енергії, імпульсні методи контролю. DOI: 10.15222/TKEA2021.1-2.39 УДК 621.311.25: 621.311.29 Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–248 ISSN 2309-9992 (Online) 10 МЕТРОЛОГИЯ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ S. V. PLAKSIN, M. Ya. ZHYTNYK, R. Yu. LEVCHENKO, S. Yа. OSTAPOVSKA Ukraine, Dnipro, Institute of Transport Systems and Technologies of NAS of Ukraine E-mail: levchenko.ruslana@westa-inter.com METHODS OF ELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE CONTROL: CLASSIFICATION AND ASPECTS OF IMPLEMENTING When an electrochemical energy storage is used as part of an energy system, the influence of external factors significantly changes its basic parameters: its available capacity decreases, while its internal resistance and self-discharge increase, which reduces the lifespan of the storage and disrupts the normal functioning of the energy system as a whole. Improving the performance of the energy storage is an urgent challenge, and one way to address it is to efficiently monitor the storage’s status. The purpose of this study was to increase the efficiency of using electrochemical energy storages by choosing a proper control method according to operating conditions of the storage. The conducted analytical overview of the existing methods of monitoring electrochemical energy storages allowed systematizing and classifying them by the controlled parameters. It is shown that if the storage operates in dynamic modes, such as buffer, starter or main energy source mode, when connecting high-power resistors, it is necessary to take into account such parameters as activation resistance and activation capacitance characterizing storage’s resistance capabilities and presenting valuable information for choosing the method of storage control. The paper demonstrates that in dynamic operation modes it is necessary to use impulse methods of storage control, which allow for efficient monitoring taking into account activation parameters. The authors offer practical recommendations on choosing a method of storage control depending on its operation mode. Pulse multistage potentiostatic and single-pulse galvanostatic control methods meet such requirements the most when the storage is operating in dynamic modes. The preference is given to the single-pulse galvanostatic method developed by the authors, it being relatively simple to implement and sufficiently informative for practical purposes, which facilitates the automation of the control process. Experimental results on controlling the electrochemical energy storage operating in dynamic modes obtained using the method developed by the authors confirm its efficiency. Keywords: electrochemical energy storage, pulse control methods. DOI: 10.15222/TKEA2021.1-2.39 UDC 621.311.25: 621.311.29 REFERENCES 1. Vozmilov A. G., Kalmakov V. A., Andreyev A. A. [Influence of the operating conditions of an energy storage device based on chemical current sources as part of autonomous power systems on its service life]. Science of SUSU: Proceedings of the 67th Scientific Conference. Section of technical sciences. Russia, Chelyabinsk, 2015, pp. 52–58. (Rus) 2. Davidov A. O. [The basic operational parameters and classification of operating modes of electrochemical accumulators]. Aviacionno-kosmicheskaja tehnika i tehnologija, 2011, no 7(84), pp. 120–125. (Rus) 3. Onyshko D. A. Metody i ustroystva ekspress-kontrolya nikel'-kadmiyevykh akkumulyatorov dlya sistem upravleniya ikh proizvodstvom i ekspluatatsiyey [Methods and devices for express control of nickel-cadmium batteries for control systems of their production and operation]. PhD diss., Novocherkassk, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), 2016, 188 p. (Rus) 4. Dzenzerskiy V. A., Beda M. A., Zhitnik N. E. et al. [Automated diagnostics of chemical current sources]. Tekhnologiya i Konstrui- rovanie v Elektronnoi Apparature, 2011, no. 1–2, рр. 6–9. (Rus) 5. Bezruchko K. V., Davidov A. O. [Method of express diagnostics of electrochemical energy storage devices of power plants of rocket and space objects]. Kosmicheskaja tehnika. Raketnoe vooruzhenie, 2012, іss. 1, pp.140–148. (Rus) 6. Dzenzersky V. A., Zhitnik N. E., Plaksin S. V., Lisunova V. V. [Pulse method of automated control of electrochemical energy storage devices]. Girnycha elektromehanika ta avtomatyka, 2016, iss. 96, pp. 31–36. (Rus) 7. Davidov A. O. Zhmurov B. V. [Method for diagnostics of aircraft electrochemical batteries]. Proceedings of the International Symposium "Reliability and Quality". Russia, Penza, 2016, vol. 2, pp. 78–80. (Rus) 8. Sedov A. V., Onyshko D. A., Lipkin S. M., Lipkin M. S. [Active pulse-relaxation principle of diagnostics for on-line monitoring of battery parameters in technical systems]. Science in the modern information society VII: Proceedings of the Conference, USA, North Charleston, 2015, vol. 2, pp. 161–165. (Rus) 9. Sedov A. V., Onyshko D. A., Lipkin M. S. [Physical and mathematical principles of construction of devices for intelligent control of autonomous rechargeable power source]. Fundamental'nye issledovanija, 2015, no 12-6, pp. 1134–1138. (Rus) 10. Dzenzersky V. A., Zhitnik N. E., Plaksin S. V., Lisunova V. V. [Development of the algorithm of automated control of electrochemical energy storage devices]. Elektrotehnika ta elektroenergetika, 2017, no 1, pp. 39–47. (Rus) . Описание статьи для цитирования: Плаксин С. В., Житник Н. Е., Левченко Р. Ю., Остаповская С. Я. Методы контроля электрохимических накопителей энер- гии: классификация и особенности применения. Техно логия и конструи рование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2, с. 39–48. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2021.1-2.39 Cite the article as: Plaksin S. V., Zhytnyk M. Ya., Levchenko R. Yu., Ostapovska S. Ya. Methods of electrochemical energy storage control: classification and aspects of implementing. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2021, no. 1–2, pp. 39–48. http://dx.doi. org/10.15222/TKEA2021.1-2.39
id	oai:tkea.com.ua:article-85
institution	Technology and design in electronic equipment
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-06-11T01:00:31Z
publishDate	2021
publisher	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
record_format	ojs
resource_txt_mv	wwwtkeacomua/12/4b9c7eff4addc048f613e2a1f67cb912.pdf
spelling	oai:tkea.com.ua:article-852026-06-10T12:19:13Z Methods of electrochemical energy storage control: classification and aspects of implementing Методи контролю електрохімічних накопичувачів енергії: класифікація та особливості застосування Plaksin, Sergiy Zhytnyk, Mykola Levchenko, Ruslana Ostapovska, Svitlana electrochemical energy storage pulse control methods електрохімічний накопичувач енергії імпульсні методи контролю When an electrochemical energy storage is used as part of an energy system, the influence of external factors significantly changes its basic parameters: its available capacity decreases, while its internal resistance and self-discharge increase, which reduces the lifespan of the storage and disrupts the normal functioning of the energy system as a whole. Improving the performance of the energy storage is an urgent challenge, and one way to address it is to efficiently monitor the storage’s status. The purpose of this study was to increase the efficiency of using electrochemical energy storages by choosing a proper control method according to operating conditions of the storage.The conducted analytical overview of the existing methods of monitoring electrochemical energy storages allowed systematizing and classifying them by the controlled parameters. It is shown that if the storage operates in dynamic modes, such as buffer, starter or main energy source mode, when connecting high-power resistors, it is necessary to take into account such parameters as activation resistance and activation capacitance characterizing storage’s resistance capabilities and presenting valuable information for choosing the method of storage control. The paper demonstrates that in dynamic operation modes it is necessary to use impulse methods of storage control, which allow for efficient monitoring taking into account activation parameters. The authors offer practical recommendations on choosing a method of storage control depending on its operation mode. Pulse multistage potentiostatic and single-pulse galvanostatic control methods meet such requirements the most when the storage is operating in dynamic modes.The preference is given to the single-pulse galvanostatic method developed by the authors, it being relatively simple to implement and sufficiently informative for practical purposes, which facilitates the automation of the control process. Experimental results on controlling the electrochemical energy storage operating in dynamic modes obtained using the method developed by the authors confirm its efficiency. В процесі експлуатації електрохімічного накопичувача енергії у складі енергосистем вплив зовнішніх чинників суттєво змінює його основні параметри: доступна ємність знижується, внутрішній опір зростає, а саморозряд збільшується, що призводить до скорочення терміну експлуатації накопичувача та порушення штатного режиму функціонування енергосистеми в цілому. Підвищення ефективності використання накопичувачів є актуальною задачею, і одним зі способів її вирішення є оперативний контроль стану накопичувача. Дана робота спрямована на підвищення ефективності експлуатації електрохімічних накопичувачів енергії шляхом раціонального вибору методу контролю їхнього поточного стану.За результатами проведеного аналітичного огляду існуючих методів контролю електрохімічних накопичувачів енергії виконано їхню систематизацію та класифікацію за контрольованими параметрами. Показано, що при роботі накопичувача в динамічних режимах, таких як, наприклад, буферний, стартерний та режим основного джерела енергії, при підключенні потужного опору необхідно враховувати такі параметри, як активаційний опір та активаційну ємність, які характеризують опорові можливості накопичувача та мають важливу інформаційну цінність при вирішенні питання вибору методу контролю накопичувача. Показано, що в динамічних режимах роботи накопичувача необхідно застосовувати імпульсні методи контролю, які дозволяють забезпечити оперативний контроль з урахуванням активаційних параметрів. Запропоновано практичні рекомендації щодо вибору методу контролю накопичувача залежно від режиму його роботи. В найбільшій мірі таким вимогам відповідають імпульсний багатоступеневий потенціостатичний та одноімпульсний гальваностатичний методи оперативного контролю накопичувачів при їхній роботі в динамічних режимах. При цьому перевага надається розробленому авторами одноімпульсному гальваностатичному методу через його відносно просту реалізацію та достатню для практичних цілей інформативність, що полегшує автоматизацію процесу контролю. Експериментальні результати контролю електрохімічного накопичувача енергії при роботі в динамічних режимах, отримані при застосуванні розробленого авторами метода, підтверджують його ефективність. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2021-03-23 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.39 10.15222/TKEA2021.1-2.39 Technology and design in electronic equipment; No. 1–2 (2021): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 39-48 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1–2 (2021): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 39-48 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2021.1-2 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.39/78 Copyright (c) 2021 Sergiy Plaksin, Mykola Zhytnyk, Ruslana Levchenko, Svitlana Ostapovska http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
spellingShingle	електрохімічний накопичувач енергії імпульсні методи контролю Plaksin, Sergiy Zhytnyk, Mykola Levchenko, Ruslana Ostapovska, Svitlana Методи контролю електрохімічних накопичувачів енергії: класифікація та особливості застосування
title	Методи контролю електрохімічних накопичувачів енергії: класифікація та особливості застосування
title_alt	Methods of electrochemical energy storage control: classification and aspects of implementing
title_full	Методи контролю електрохімічних накопичувачів енергії: класифікація та особливості застосування
title_fullStr	Методи контролю електрохімічних накопичувачів енергії: класифікація та особливості застосування
title_full_unstemmed	Методи контролю електрохімічних накопичувачів енергії: класифікація та особливості застосування
title_short	Методи контролю електрохімічних накопичувачів енергії: класифікація та особливості застосування
title_sort	методи контролю електрохімічних накопичувачів енергії: класифікація та особливості застосування
topic	електрохімічний накопичувач енергії імпульсні методи контролю
topic_facet	electrochemical energy storage pulse control methods електрохімічний накопичувач енергії імпульсні методи контролю
url	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.39
work_keys_str_mv	AT plaksinsergiy methodsofelectrochemicalenergystoragecontrolclassificationandaspectsofimplementing AT zhytnykmykola methodsofelectrochemicalenergystoragecontrolclassificationandaspectsofimplementing AT levchenkoruslana methodsofelectrochemicalenergystoragecontrolclassificationandaspectsofimplementing AT ostapovskasvitlana methodsofelectrochemicalenergystoragecontrolclassificationandaspectsofimplementing AT plaksinsergiy metodikontrolûelektrohímíčnihnakopičuvačívenergííklasifíkacíâtaosoblivostízastosuvannâ AT zhytnykmykola metodikontrolûelektrohímíčnihnakopičuvačívenergííklasifíkacíâtaosoblivostízastosuvannâ AT levchenkoruslana metodikontrolûelektrohímíčnihnakopičuvačívenergííklasifíkacíâtaosoblivostízastosuvannâ AT ostapovskasvitlana metodikontrolûelektrohímíčnihnakopičuvačívenergííklasifíkacíâtaosoblivostízastosuvannâ

Методи контролю електрохімічних накопичувачів енергії: класифікація та особливості застосування

Репозитарії

Схожі ресурси