Моделирование процессов деградации литиевого аккумулятора самосвала с электрическим приводом

В работе приведены результаты модельного эксперимента по оценке деградации тяговой аккумуляторной батареи на базе литий-железо-фосфатных ячеек, входящей в состав тягового электропривода полностью электрического карьерного самосвала. Рассмотрены возможные варианты исполнения тягового привода карьерного самосвала, определен тренд применение литиевых ячеек в качестве бортового источника энергии. Приведены основные механизмы и причины уменьшения доступной емкости литиевых источников энергии с их последующим окончанием срока службы. Для оценки величины деградации литиевого аккумулятора и выявления наиболее ресурсосберегающих режимов работы выполнен синтез имитационной модели тягового привода электрического карьерного самосвала с литий-железо-фосфатным аккумулятором. В качестве нагрузочного цикла использовались записи реальных режимов движения карьерного самосвала и дорожного полотна. За испытуемую принята модель ZT118 компании Zoomlion со снаряженной и максимальной массой 37 и 118 т соответственно. Эксплуатация до окончания срока службы аккумулятора моделировалась при различных режимах работы с разной глубиной разряда — 18%, 36% и 72%. Выявлено, что наиболее ресурсосберегающим для литиевого аккумулятора является кратковременный подзаряд после каждого этапа спуска-подъема. По сравнению с длительным использованием и подзарядом при полном разряде или окончании рабочей смены, предложенный режим работы увеличивает дальность пробега до окончания срока службы аккумулятора на 140 тыс. км, что составляет 38%.

Щуров Н. И., Дедов С. И., Штанг А. А., Сяоган У. Моделирование процессов деградации литиевого аккумулятора самосвала с электрическим приводом // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 10-1. — С. 76—90. DOI: 10.2 5018/0236_1493_2023_101_0_76.

Щуров Николай Иванович¹ — докт.техн.наук, профессор, e-mail: shhurov@corp.nstu.ru, ORCID ID: 0000-0002-5459-9544;
Дедов Сергей Игоревич¹ — ассистент, e-mail: dedov@corp.nstu.ru, ORCID ID: 00000003-4750-3927;
Штанг Александр Александрович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: shtang@corp. nstu.ru, ORCID ID: 0000-0001-9772-1784;
Сяоган У.² — докт. техн. наук, профессор, e-mail: xgwu@hrbust.edu.cn, ORCID ID: 0000-0002-1830-0437;
¹ Новосибирский государственный технический университет.
² Харбинский научно-технический университет.

Дедов С. И., e-mail: dedov@corp.nstu.ru.

1. Lindgren L., Grauers A., Ranggård J., Mäki R. Drive-Cycle Simulations of BatteryElectric Large Haul Trucks for Open-Pit Mining with Electric Roads // Energies. — 2022. — Vol. 15, № 4871. — P. 1−19. — DOI: 10.3390/en15134871.

2. Cruzat J. V., Valenzuela M. A. Modeling and evaluation of benefits of trolley assist system for mining trucks // IEEE Trans. Ind. Appl. — 2018, Vol. 54, — P. 3971–3981. — DOI: 10.1109/tia.2018.2823261.

3. Kartashov A., Harutyunyan G., Kosolapov A., Shkarupelov E. Justification of the concept of creating a perspective dump truck // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2020, Vol. 779, — P. 1−10. — DOI: 10.1088/1757−899x/779/1/012028.

4. Дедов C. И., Штанг А. А., Абрамов Е. Ю. Исследование деградации аккумуляторов в составе тяговой установки карьерных самосвалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12. — С. 102−114. DOI: 10.25018/0236_149 3_2022_122_0_102.

5. Журавлев А. Г., Исаков М. В. Экспериментальные исследования работы карьерных автосамосвалов в условиях эксплуатации // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3. — С. 530−542. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31−0530−542.

6. Бигель Н. В. Разработка новых типов карьерной техники на ОАО «БЕЛАЗ» с применением альтернативных источников энергии // Глобус : [сайт]. [2020]. URL: https:// www.vnedra.ru/tehnika/spectekhnika/razrabotka-novyh-tipov-karernoj-tehniki-na-oao-belazs-primeneniem-alternativnyh-istochnikov-energii-10684/ (дата обращения: 10.03.2023).

7. Дубинкин Д. М., Карташов А. Б., Арутюнян Г. А., Бузунов Н. В., Кирилл П. С., Ялышев А. В. Современное состояние техники и технологий в области карьерных самосвалов с накопителями энергии // Горное оборудование и электромеханика. — 2020. — № 6 (152). — С. 31−42. DOI: 10.26730/1816-4528-2020-6-31−42.

8. Edge J. S., O’Kane S., Prosser R., Kirkaldy N. D., Patel A. N., Hales A., Offer G. J. Lithium ion battery degradation: what you need to know // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2021. — № 23 (14). — P. 8200−8221. DOI: 10.1039/d1cp00359c.

9. Shchurov N. I., Dedov S. I., Malozyomov B. V., Shtang A. A., Andriashin S. N. Degradation of Lithium-Ion Batteries in an Electric Transport Complex // Energies. — 2021. — Vol. 14. iss. 23. — Art. 8072. — P. 1−33. DOI: 10.3390/en14238072.

10. Zhao Y., Yin Y. Hu, Choe S. Y. Electrochemical-thermal modeling of lithium plating/ stripping of Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2/ Carbon lithium-ion batteries at subzero ambient temperatures // J. Power Sources. — 2019. — Vol. 418. — P. 61−73. DOI: 10.1016/j. jpowsour.2019.02.001.

11. Zhang Y., Li X., Su L., Li Z., Liaw B. Y., Zhang J. Lithium Plating Detection and Quantification in Li-Ion Cells from Degradation Behaviors // ECS Trans. — 2017. — Vol. 75. — P. 37−50. DOI: 10.1149/07523.0037ecst.

12. Rauhala T., Jalkanen K., Romann T., Lust E., Omar N., Kallio T. Low-temperature aging mechanisms of commercial graphite/LiFePO4 cells cycled with a simulated electric vehicle load profile — A post-mortem study // J. Energy Storage. — 2018. — Vol. 20. — P. 344−356. DOI: 10.1016/j.est.2018.10.007.

13. Jung R., Strobl P., Maglia F., Stinner C., Gasteiger H. A. Temperature Dependence of Oxygen Release from LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 (NMC622) Cathode Materials for Li-Ion Batteries // J. Electrochem. Soc. — 2018. — Vol. 165. — P. 2869−2879. DOI: 10.1149/2.1261811jes.

14. Konishi H., Yuasa T., Yoshikawa M. Thermal stability of Li1-yNixMn (1-x)/2Co(1x)/2O2 layer-structured cathode materials used in Li-Ion batteries // J. Power Sources — 2011. — Vol. 196. — P. 6884−6888. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.01.016.

15. Feng Y., Dong Z., Yang J., Cheng R. Performance modeling and cost-benefit analysis of hybrid electric mining trucks // 12th IEEE/ASME International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications (MESA). — 2016. — P. 1−6. DOI: 10.1109/ MESA.2016.7587102.

16. Terblanche P. J., Kearney M. P., Knights P. F. Potential of on-board energy recovery systems to reduce the costs of diesel–electric mine truck haulage // Mining Technology. — 2018. — P. 1−14. DOI: 10.1080/25726668.2018.1451611.

17. Щуров Н. И., Штанг А. А., Дедов С. И., Латышев Р. Н. Применение комбинированного накопителя энергии для увеличения срока службы аккумулятора электромобиля // Электропитание. — 2022. — № 2. — С. 24−33.