Алгоритм синтеза уравнений теплопроводности литийионного аккумулятора для конечных объемов при делении

Современный уровень развития техники и технологий позволяет существенно улучшить возможности бортового оборудования, это же касается и систем резервного электропитания, в которых перспективным представляется применение литийионных аккумуляторных батарей, которые при наличии существенных преимуществ обладают рядом недостатков, которые необходимо учитывать при их использовании. В первую очередь это тепловой разгон, обусловленный внутренними физико-химическими процессами и неправильной эксплуатацией. Для предотвращения теплового разгона предлагается использовать цифровой двойник, основой которого является математическая модель тепловых процессов литийионного аккумулятора, полученная методом математического прототипирования энергетических процессов. Для численной реализации метода математического прототипирования предложено использовать модифицированный метод конечных объемов с реализацией процедуры деления до получения требуемой точности модели. В представленной статье рассматривается процедура формирования уравнений теплопроводности при моделировании динамического распределения теплового поля в литийионном аккумуляторе в трехмерной постановке задачи. Эта процедура необходима при реализации модифицированного метода конечных элементов с помощью метода математического прототипирования энергетических процессов, который предполагает деление конечных объемов для достижения требуемой точности расчетов. Особенностью процедуры деления является изменение объемов, площадей соприкосновения взаимодействующих элементов, изменение элементов, которые являются источниками тепла. В цикле моделирования необходимо заново формировать систему дифференциальных уравнений с учетом тех изменений, которые произошли после деления. Для наглядности в статье рассматриваются процедуры деления объемов на две равные части по одной из координат, также для получения модели рассматривается декартова система координат. Предложенная процедура формирования системы дифференциальных уравнений реализована в среде Python, результаты моделирования показали адекватность модели и работоспособность предлагаемого метода.

1. Schefer H., Mallwitz R., Fauth L. Discussion on electric power supply systems for all electric aircraft [Электронный ресурс] // IEEE Access. 2020. Vol. 8. Pp. 84188–84216. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2991804 (дата обращения: 13.01.2024).

2. Кудряков С.А., Бунас К.В. Анализ состояния и тенденции развития авиационных систем электроснабжения // Молодой ученый. 2019. № 40 (278). С. 19–21.

3. Арзамасцева В.А., Сагитов Д.И. Тенденции и перспективы развития авиационного электрооборудования // Достижения науки и образования. 2024. № 2 (93). С. 4–6.

4. Халютин С.П., Давидов А.О. Оценка удельных свойств энергосистем самолетов на электрической тяге // Электропитание. 2019. № 2. С. 43–54.

5. Соколов О.А., Мелихов И.П. Применение авиационных аккумуляторных батарей // Аллея науки. 2023. Т. 1, № 10 (85). С. 209–219.

6. Шестерикова Д.С., Оброкова Е.И., Григорьева М.Д. Тенденции развития летательных аппаратов на электрической тяге // XXV Туполевские чтения (школа молодых ученых): сборник трудов Международной молодежной научной конференции, посвященной 60-летию со дня осуществления первого полета человека в космическое пространство и 90-летию Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева – КАИ, Казань, 10–11 ноября 2021 года. Казань: Изд-во ИП Сагиева А.Р., 2021. С. 384–390.

7. Zhang H. Battery temperature prediction using an adaptive neuro-fuzzy inference system / H. Zhang, A. Fotouhi, D.J. Auger, M. Lower [Электронный ресурс] // Batteries. 2024. Vol. 10, no. 3. ID: 85. DOI: 10.3390/batteries10030085 (дата обращения: 13.01.2024).

8. Aiello L. Influence of pressure, temperature and discharge rate on the electrical performances of a commercial pouch li-ion battery / L. Aiello, P. Ruchti, S. Vitzhum, F. Coren [Электронный ресурс] // Batteries. 2024. Vol. 10, no. 3. ID: 72 DOI: 10.3390/batteries10030072 (дата обращения: 13.01.2024).

9. Li W. A Novel quick temperature prediction algorithm for battery thermal management systems based on a flat heat pipe / W. Li, Y. Xie, W. Li, Y. Wang, D. Dan, Y. Qian, Y. Zhang [Электронный ресурс] // Batteries. 2024. Vol. 10, no. 1. ID: 19. DOI: 10.3390/batteries10010019 (дата обращения: 13.01.2024).

10. Kafadarova N. A system for determining the surface temperature of cylindrical lithium-ion batteries using a thermal imaging / N. Kafadarova, S. Sotirov, F. Herbst, A. Stoynova, S. Rizanov [Электронный ресурс] // Batteries. 2023. Vol. 9, no. 10. ID: 519. DOI: 10.3390/batteries9100519 (дата обращения: 13.01.2024).

11. Wang X. Effects of different charging currents and temperatures on the voltage plateau behavior of li-ion batteries / X. Wang, Y. Zhang, Y. Deng, Y. Yuan, F. Zhang, S. Lv, Y. Zhu, H. Ni [Электронный ресурс] // Batteries. 2023. Vol. 9, no. 1. ID: 42. DOI: 10.3390/batteries9010042 (дата обращения: 13.01.2024).

12. Spitthoff L., Burheim O.S., Shearing P.R. Temperature, ageing and thermal management of lithium-ion batteries [Электронный ресурс] // Energies. 2021. Vol. 14, no. 5. ID: 1248. DOI: 10.3390/en14051248 (дата обращения: 13.01.2024).

13. Kong D. Numerical investigation of thermal runaway behavior of lithium-ion batteries with different battery materials and heating conditions / D. Kong, W. Gongquan, P. Ping, J. Wen [Электронный ресурс] // Applied Thermal Engineering. 2021. Vol. 189. ID: 116661. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116661 (дата обращения: 13.01.2024).

14. Смелков Г.И. Проблемы пожарной безопасности режима теплового разгона в литиевых аккумуляторных батареях / Г.И. Смелков, В.А. Пехотиков, Г.В. Боков, А.А. Назаров // Пожарная безопасность. 2022. № 4 (109). С. 73–79. DOI: 10.37657/vniipo.pb.2022.109.4.008

15. Харламенков А.С. Пожарная опасность применения литий-ионных аккумуляторов в России // Пожаровзрывобезопасность. 2022. Т. 31, № 3. С. 96–102.

16. Келлер М.В., Савенко А.Е. Оценка, наблюдение и обеспечение безопасности при термическом нагреве для литий-ионных аккумуляторов // Вестник Керченского государственного морского технологического университета. Серия: Морские технологии. 2023. № 1. С. 23–31.

17. Punt E.A. Modified finite volume method study for numerical calculation of lithium battery temperature / E.A. Punt, S.P. Khalyutin, M.O. Troshin, I.E. Starostin // 2023 IEEE 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). 2023. pp. 1230–1234. DOI: 10.1109/EDM58354.2023.10225111

18. Khalyutin S.P., Starostin I.E., Agafonkina I.V. Generalized method of mathematical prototyping of energy processes for digital Twins development [Электронный ресурс] // Energies. 2023. Vol. 16, no. 4. ID: 1933. DOI: 10.3390/en16041933 (дата обращения: 13.01.2024).

19. Старостин И.Е., Халютин С.П., Париевский В.В. Виды и формы представления основных уравнений метода математического прототипирования энергетических процессов // Электропитание. 2022. № 4. С. 4–14.

20. Старостин И.Е., Халютин С.П. Виды и формы представления основных уравнений метода математического прототипирования энергетических процессов // XVI Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (МКПУ-2023): материалы мультиконференции. В 4-х тт. Т. 3. Волгоград, 11–15 сентября 2023 года. Волгоград: Волгоградский государственный технический университет, 2023. С. 80–82.

21. Brucherseifer E., Fay A. Digital Twins // Automatisierungstechnik. 2021. Vol. 69, no. 12. Pp. 1023–1025. DOI: 10.1515/auto-2021-0155

22. Фимушин А.С., Славинский А.С., Капустин А.В. Цифровые технологии в вопросах контроля и прогнозирования технического состояния авиационной техники // Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации: сборник трудов XII Международной научно-практической конференции, посвященной празднованию 100-летия отечественной гражданской авиации. Иркутск, 12–13 октября 2023 года. Иркутск: МГТУ ГА, 2023. С. 170–175.

23. Punt E.A., Khalyutin S.P. Formation of thermal portraits of electrical devices based on the finite element method // 2021 IEEE 22nd International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). Russia, Souzga, the Altai Republic, 2021. Pp. 310–314. DOI: 10.1109/EDM52169.2021.9507697

24. Халютин С.П. Система распределения электроэнергии воздушных судов – центр диагностирования и прогнозирования состояния авиационного электрооборудования // Электропитание. 2020. № 2. С. 4–14.

25. Пястолов А.П., Сагитов Д.И. Анализ систем контроля авиационного оборудования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 11. С. 697–703. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-697-698