Исследователи из Загребского университета, компании AVL-AST и Южно-Казахстанского университета имени М. Ауэзова разработали усовершенствованную систему зарядки литий-титанатных аккумуляторов, которая позволяет значительно сократить время зарядки без ущерба для надежности и ресурса батарей. При этом для ее внедрения не требуется замена оборудования — достаточно обновить программное обеспечение существующего зарядного устройства.
Литий-титанатные аккумуляторы представляют собой особый тип литий-ионных батарей, в которых анод выполнен из литий-титаната (Li₄Ti₅O₁₂). Эти аккумуляторы отличаются высокой скоростью зарядки, стабильной работой при низких температурах и рекордно долгим сроком службы — они выдерживают более 20 000 циклов зарядки и разрядки. Благодаря этим характеристикам они активно применяются в электротранспорте, включая электробусы и поезда, на морских судах, в авиации, а также в системах накопления энергии, особенно на солнечных и гибридных электростанциях. При этом для продления срока их службы и обеспечения безопасной работы требуется очень точный контроль напряжения и тока в процессе зарядки.
Как правило батареи заряжаются по стандартной схеме: сначала при постоянном токе, а при достижении заданного порога напряжения зарядное устройство переключается в режим постоянного напряжения, при котором ток постепенно снижается. Этот метод называется CCCV (от англ. Constant Current/Constant Voltage — постоянный ток/постоянное напряжение). Он прост и широко применяется, но не учитывает реальное состояние аккумулятора, из-за чего зарядка может занимать больше времени, чем требуется, особенно если батарея была разряжена не полностью.
Чтобы решить эту проблему, ученые предложили усовершенствовать классическую схему зарядки, внедрив адаптивную обратную связь. Разработанная ими система, получившая название CCCV-OCV, использует данные о текущем состоянии аккумулятора, в частности напряжение разомкнутой цепи (OCV), которое напрямую связано с уровнем заряда. В режиме реального времени система отслеживает это напряжение и, опираясь на него, регулирует зарядный ток, обеспечивая более быструю и при этом безопасную зарядку.
В основе технологии лежит математическая модель аккумулятора и специальный адаптивный алгоритм, который оценивает его внутренние параметры по текущим значениям тока и напряжения. Для повышения точности в цепь зарядки добавляется тестовый сигнал, а устойчивость и надежность работы системы даже в условиях помех и неточностей обеспечиваются с помощью критерия Ляпунова — математического метода, гарантирующего стабильность алгоритма в широком диапазоне условий.
Эффективность новой системы была проверена как в ходе компьютерного моделирования, так и на экспериментальной установке. Ученые сравнили традиционный и адаптивный подходы при различных начальных уровнях заряда и разных токах зарядки.
Результаты показали, что разработанная система в среднем сокращает время зарядки на 10–25%, особенно в случаях, когда батарея была разряжена не полностью. При этом конечный уровень заряда практически не отличается от того, что достигается при стандартной зарядке — разница составляет менее 0,25%. Кроме того, уровень тепловых потерь остается неизменным, что подтверждает безопасность предлагаемого метода.
Одним из главных преимуществ новой технологии является ее совместимость с существующими зарядными устройствами: чтобы перейти на усовершенствованный метод зарядки, достаточно обновить программное обеспечение, не прибегая к замене оборудования.
