Исследование влияния форсированных и тяжелых циклических режимов заряда и разряда на физико-химические характеристики функциональных материалов и ресурса литиевых аккумуляторов

Целью проекта является исследование влияния тяжелых режимов заряда и разряда на деградацию катодного и анодного материалов литий-ионных аккумуляторов LFP при использовании соединения LiFePO4 в качестве базового катодного материала и графита в качестве анодного материала. Основные результаты работы: 1. Проведены анализ и классификация факторов, оказывающих наибольшее влияние на процессы деградации аккумуляторной батареи электромобиля. К наиболее значимым факторам следует отнести: величины токовой нагрузки, время нахождения в рабочем состоянии; частоту реверса тока, возникающего при чередовании режимов тяги и рекуперативного торможения (разряд/заряд); глубину уровней разряда; низкую и высокую температуру, в которых происходит эксплуатация электротранспортного средства. К менее значимым факторам, определяющим скорость деградации, относятся механическое напряжение, температура при хранении и др. 2. Разработан исследовательский стенд, включающий аппаратно-программный комплекс (АПК). Созданный стенд позволяет: формировать произвольную токовою нагрузку на аккумуляторные ячейки, устанавливая заданные значения частоты переключения и амплитуды токового сигнала, а также направления протекания тока и др. Аппаратная часть стенда содержит 30 плат-модулей с независимыми каналами для одновременного параллельного тестирования до 30 ячеек и возможностью задания различных программ испытаний для каждой ячейки. Программная часть АПК обеспечивает задание профилей токовых циклограмм, уставок токов заряда/разряда для каждой ячейки отдельно, обратную связь по уровню напряжения, а также защиту аккумуляторов по максимальному и минимальному напряжениям и температуре. Вся совокупность регистрируемых программой сигналов автоматически передается на ЭВМ, записывается, формует базу экспериментальных данных. Созданный АПК позволил провести масштабные эксперименты и поставить полнофакторный эксперимент по определению деградации батареи. 3. С помощью комплекса физико-химических методов на специализированном оборудовании проведено обследование ячеек, прошедших циклирование на исследовательском стенде. По результатам обследования установлено, что форсированные режимы работы аккумулятора приводят к изменению морфологии и химического состава анодного материала, при этом катодный материал не претерпевает видимых изменений. 4. С помощью регрессионного анализа экспериментальных данных получена четырехфакторная математическая модель старения (потери емкости) батареи. Подобный результат имеет исключительную важность для разработки практических рекомендаций, направленных на повышение срока службы аккумуляторной батареи электромобилей. 5. На практике для повышения ресурса тяговой аккумуляторной батареи необходима реализация комплекса мер, направленных на снижение токовой нагрузки на отдельные элементы батареи, ограничение токов в режимах движения, стабилизацию температуры внутри батареи.