Сравнительный анализ способов заряда и моделирование системы заряда NiMH-аккумуляторов в различных режимах

В данной исследовательской работе представлена разработка измененного
алгоритма заряда NiMH аккумуляторов, реализованного на платформе Arduino
UNO.
В последние годы все острее встает вопрос усовершенствования
мобильных источников энергии, этот вопрос как глобальный, так и
повседневный.
С каждым годом увеличивается использование аккумуляторных батарей
больших емкостей. На сегодняшний день эксплуатируется более 2 миллионов
электромобилей. По расчётам Международного энергетического агентства, если
человечество пойдёт по пути выполнения решений Парижского соглашения по
климату, к 2030 году на земле будет уже 140 млн электрических машин. Такой
рост приведёт к тому, что до того же 2030 года электромобили «произведут» 11
млн тонн отходов в форме использованных литий-ионных батарей [1].
К сожалению, все аккумуляторы со временем выходят из строя. В Европе
на сегодняшний день перерабатывается всего лишь 5% таких батарей [1]. Это
приводит к высоким рискам загрязнения окружающей среды. При повреждении
аккумуляторов выделяются токсичные элементы и газы, а также существуют
другие экологические проблемы, связанные с утилизацией аккумуляторов.
Следовательно, человечество должно более эффективно использовать
аккумуляторы. А это означает увеличивать срок их службы.
Данная работа направлена на изучение исследование уже существующих
способов заряда и их модификацию. В данной работе будет разработан и
реализован исследовательский стенд, а также специальные программы,
позволяющие работать с ним.
Разработка программных средств для исследования процессов на уровне
контроллеров требует значительного времени от разработчика. Подключение
контроллера к среде высокого уровня позволяет может сократить время
проектирования алгоритма для контроллера. MatLab является удачным
примером мощной специализированной среды для работы с сигналами.
Особенностью канала «Arduino UNO – MatLab» является то, что такты
реального времени задаются не MatLab, а контроллером. Такое построение не
требует компиляции Simulink модели с библиотекой реального времени
(rtwin.tlc), за счет этого становится возможным использовать в модели
практически любые блоки библиотеки Simulink [2].
В этой работе используется среда Simulink для приёма, отображения и
обработки данных контроллера Arduino.
Simulink – это интерактивная среда и язык программирования для
имитационного моделирования, позволяющая при помощи блок-диаграмм
строить динамические модели процессов. Simulink интегрирована в среду
MatLAB. Интеграция позволяет использовать уже готовые библиотеки блоков,
встроенные математические алгоритмы, мощные средства обработки и
графического отображения данных для решения всего спектра задач от
разработки концепции модели до тестирования, проверки, генерации кода и
аппаратной реализации.
Для исследования процессов, проходящих при заряде при помощи Simulink,
в данной работе используются надстройки Embedded Coder позволяющий
генерировать код на языке C и Simulink Support Package for Arduino создавать и
запускать модели Simulink платах Arduino. Пакет поддержки включает
библиотеку блоков Simulink для настройки. Он также позволяет вам
интерактивно отслеживать и настраивать алгоритмы, разработанные в Simulink,
когда они работают на Arduino.
Цель работы: проектирование и разработка устройства для исследования
методов заряда аккумуляторов.
Обзор литературы
При написании данной работы были использованы научная и учебно-
методическая литература, статьи в периодических изданиях, нормативно-
законодательные акты.
Актуальность данной темы раскрывается в статье J. Gardiner приводятся
доводы в пользу важности проблемы производства, эксплуатации и утилизации
аккумуляторов. Так, например, автор утверждает, что при повреждении
аккумуляторов выделяются токсичные элементы и газы, а также существуют
другие экологические проблемы, связанные с утилизацией аккумуляторов.
Следовательно, человечество должно более эффективно использовать
аккумуляторы. А это означает увеличивать срок их службы [1].
Основными источниками, раскрывающими теоретические устройства
аккумуляторов и методы их заряда, явились работы Isidor Buchmann, Д. П.
Чупин, Ходасевич А.Г., Лаврус В., Хрусталев Д. А. Грачев В. Ю. А. Кашкаров,
в данных источниках подробно рассмотрено внутреннее устройство
аккумуляторов, способы их заряда и их различия, а также представлены еще не
решенные проблемы специфичные для данной темы. Isidor Buchmann в своей
работе заявляет, что NiMH аккумуляторы имеют специфические проблемы с
зарядом. Универсальные способы определения степени заряда устройства не
подходят к данному типу аккумуляторов. Поэтому была поставлена цель
раскрыть данную проблему и постараться найти методы ее решения [3, 4, 5, 6,
7].
Из работ I. Buchmann и Л.И. Ридико был сделан вывод о сокращении срока
службы аккумуляторов при использовании капельного заряда. Так, например,
I. Buchmann утверждает, что медленный заряд не применяется, потому что
аккумулятор не терпит перезаряда. Что является дополнительным поводом
найти новый способ определения уровня заряда NiMh аккумуляторов [3, 8].
На основе этих работ и диссертации автора Сюй Синь были составлены
математические модели разных систем заряда аккумуляторов и проведен их
анализ [9].
При помощи публикаций A. Kurniawan, а также инструкциями для
используемого оборудования, был создан исследовательский стенд, который
позволил проверить адекватность математических моделей на реальном
аккумуляторе [10, 11, 2].
Данная область достаточно освещена представленными авторами,
материалы которых успешно использовались при проведении данного
исследования.
Объект и методы исследования
Объектом исследования данной выпускной работы является процесс заряда
NiMh аккумулятора. Данный процесс характеризуется изменениями значений
тока и напряжения. Процесс заряда происходит по заранее заданному алгоритму
при помощи управляющих устройств.