Разработка интеллектуального устройства анализа состояния и определения остаточного ресурса аккумуляторных батарей на основе контролируемых параметров

Объектом разработки является интеллектуальное диагностическое устройство для непрерывного мониторинга состояния аккумуляторных батарей и прогнозирования остаточного ресурса на основе контролируемых параметров. Целью работы (согласно отчетному периоду) является разработка научно-технических основ создания интеллектуального устройства: проведение исследований, сбор данных и формирование алгоритмов оценки состояния АКБ, проектирование архитектуры системы мониторинга и определение базовых моделей для оценки остаточного ресурса. Методология выполнения работы включает аналитический обзор современных решений на основе анализа научных публикаций; патентный поиск для выявления уровня техники; сбор экспериментальных данных о параметрах свинцово-кислотных батарей; математическое моделирование процессов старения; разработка алгоритмов диагностики; проектирование аппаратно-программной архитектуры устройства с учетом требований отраслевых стандартов (ЕСКД, ГОСТ); формулирование технических требований к прототипу. Область применения результатов: узлы связи, системы бесперебойного электропитания и другие объекты железнодорожной инфраструктуры ОАО «РЖД», а также любые объекты, где используются стационарные аккумуляторные батареи и требуется надежное резервное электропитание. Устройство предназначено для непрерывного автоматизированного контроля технического состояния групп аккумуляторов в реальном времени и может применяться на удаленных объектах, требующих проактивного технического обслуживания. Основные результаты работы и их новизна: – Проведен аналитический обзор, показавший актуальность перехода от планово-предупредительного обслуживания батарей к предиктивной диагностике на основе фактического состояния аккумуляторов. Выявлено, что традиционные системы мониторинга имеют существенные ограничения и не обеспечивают прогнозирование остаточного ресурса в полном объеме. – Проведен патентный поиск: проанализированы существующие решения, включая комплексные системы диагностики АКБ (патент RU 2283504 C1, описывающий бортовую систему контроля с прогнозом ресурса) и методы оценки остаточной емкости (патент RU 2621885 C2, предлагающий вычисление ресурса Li-ion батареи по математической модели без прерывания работы). Установлено, что в настоящее время отсутствуют аналоги, полностью удовлетворяющие требованиям проекта (интеграция в сеть мониторинга РЖД, поддержка различных типов АКБ, интеллектуальный анализ данных). Новизна проекта подтверждается результатами патентных исследований – планируется подача собственной патентной заявки по итогам проекта. – Разработаны алгоритмы диагностики состояния АКБ: предложены методы расчета State of Health (SOH) и остаточного ресурса на основе трендового анализа внутренних параметров батарей (напряжение, внутреннее сопротивление и др.). Алгоритмы включают непрерывный расчет внутреннего сопротивления аккумуляторов методами омических измерений и прогнозирование снижения емкости до пороговых значений (80 % от номинальной – порог конца службы батареи). Данные алгоритмы отличаются повышенной точностью и адаптивностью, что является новым для применений в условиях железнодорожной инфраструктуры. – Спроектирована распределенная трехуровневая архитектура устройства: сенсорная подсистема для сбора данных с отдельных аккумуляторов, локальный контроллер для интеллектуальной обработки и хранения информации, а также средства сетевой интеграции для удаленного доступа и управления. Архитектура учитывает требования к надежности (коэффициент готовности не ниже 99,9 %), промышленной безопасности и кибербезопасности (защищенный доступ, соответствие политике ИБ РЖД). Новизна технического решения – в сочетании встроенного анализа на базе контроллера и интеграции с корпоративной системой мониторинга (ЕСМА ОАО «РЖД») в реальном времени. – Сформулированы технические требования и базовые модели: определены контролируемые параметры (напряжение каждого элемента, ток, температура, внутреннее сопротивление и др.) и их требуемая точность измерения. Разработаны модели зависимости состояния батареи от измеряемых параметров, включая модель деградации емкости со временем и циклами. Эти результаты легли в основу технической спецификации устройства, которая выполнена по стандартам ЕСКД и ГОСТ 7.32-2011. Экономическая эффективность или значимость работы заключается в том, что внедрение разработанного устройства позволит снизить затраты на обслуживание аккумуляторных батарей за счет перехода к обслуживанию по состоянию. Ожидается снижение числа аварийных отказов батарей и связанных простоев оборудования, сокращение расходов на внеплановую замену АКБ. Предиктивная диагностика обеспечит оптимизацию закупок новых батарей (замена по фактическому износу вместо регламентного срока), а также уменьшит количество выездов персонала для плановых проверок (что особенно важно для удаленных объектов). Таким образом, проект имеет высокий потенциал экономической эффективности для предприятий, эксплуатирующих большие парки резервных батарей. Оценка успешности выполнения работы по этапу: все задачи 1 этапа выполнены в полном объеме, что создает прочную основу для дальнейших ОКР. Полученные результаты соответствуют запланированному научно техническому уровню: разработанные алгоритмы и архитектурные решения не уступают современным мировым аналогам в сфере интеллектуальных систем мониторинга аккумуляторов и превосходят существующие отечественные разработки по интеграции и функциональности. Прогнозные предположения о развитии объекта исследования: на следующих этапах проекта предполагается разработка и изготовление опытного образца устройства с реализацией разработанных алгоритмов, проведение его испытаний и опытной эксплуатации. Ожидается, что дальнейшее развитие включает адаптацию алгоритмов с элементами машинного обучения для повышения точности прогноза ресурса, а также расширение функционала устройства (например, поддержка новых типов аккумуляторов). В перспективе устройство может стать стандартным элементом инфраструктуры мониторинга энергетических систем, способствуя повышению надежности и безопасности объектов за счет своевременного предупреждения отказов аккумуляторных батарей.