Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Anishchenko V. S., Ebeling W., Hass E., Plath P., Shimansky-Geier L., Strelkova G. I. Modeling battery systems – problems of nonlinearity, efficiency, aging, coupling, and network setup [Анищенко В. С., Эбелинг В., Хасс Э., Плат П., Шиманский-Гайер Л., Стрелкова Г. И. Моделирование батарейных систем – проблемы нелинейности, эффективности, старения, связи и устройства сети] // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2022. Т. 22, вып. 4. С. 288-309. DOI: 10.18500/1817-3020-2022-22-4-288-309, EDN: GLCHRL


Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.11.2022
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 111)
Язык публикации: 
английский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
621.354.36
EDN: 
GLCHRL

Modeling battery systems – problems of nonlinearity, efficiency, aging, coupling, and network setup
[Моделирование батарейных систем – проблемы нелинейности, эффективности, старения, связи и устройства сети]

Авторы: 
Анищенко Вадим Семенович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Эбелинг Вернер, Университет им. А. Гумбольдта
Хасс Эрнст-Кристоф, Университет г. Бремена
Плат Питер, Институт Фрица-Хабера Общества Макса Планка
Шиманский-Гайер Лутц, Университет им. А. Гумбольдта
Стрелкова Галина Ивановна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

В настоящей статье обсуждаются некоторые проблемы батарейных систем и топливных элементов с точки зрения нелинейной динамики, и приводится обзор ряда ранних работ по моделированию этого класса систем, а также новые разработки. Батареи и топливные элементы рассматриваются как активные нелинейные электрохимические цепи, свойства которых зависят от многих факторов, таких как нагрузка, старение, история нагрузки и т. д. Показывается, что наиболее удовлетворительные режимы работы батарей достигаются путем соединения нечетного числа цепей в противоположных фазах. Особыми моментами обсуждения являются виды динамических режимов и эффективность преобразования химической энергии в электрическую в зависимости от рабочей нагрузки, жизненных циклов батарей, включая установку, работу под нагрузкой, старение и распад. Далее в статье обсуждаются особенности управления батарейными сетями, в частности, цикл замены старых батарей на новые, включая оптимизацию этого цикла. В заключительной части данной работы приводится список открытых задач и проблем, которые необходимо проработать. 

Благодарности: 
Авторы благодарят У. Эрдманна, Р. Фейстеля, Б. Линднера, П. Романчука и Ф. Швейцера за основную совместную работу по активным динамическим системам и Э. Хильдебрандта, а также И. Соколова за обсуждение дробных динамических моделей и предоставление соответствующих ссылок.
Список источников: 
  1. Hass E.-C., Knicker K., Sydow U., Schulz M., Plath P.-J. Battery – determination and forecast via Synergetics. In: Müller S. C., Plath P. J., Radons G., Fuchs A., eds. Complexity and Synergetics. Springer International Publishing AG, 2018, pp. 139–153. https://doi.org/10.1007/978-3-319-64334-2_12
  2. Arena P., Caponetto R., Fortuna L., Porto D. Nonlinear Noninteger Order Circuits and Systems – An Introduction. World Scientific, Singapore, 2000. 212 p. https://doi.org/10.1142/4507
  3. Anishchenko V. S., Astakhov V., Vadivasova T., Neiman A., Schimansky-Geier L. Nonlinear Dynamics of Chaotic and Stochastic Systems. Springer, 2007. 449 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-38168-6
  4. Newman J. S. Electrochemical Systems. 2nd edition. Englewood Cliffs, Prentice Hall, NJ, 1991. 560 p.; Newman J. S., Thomas-Alyea K. E. Electrochemical Systems. 3rd edition. Englewood Cliffs, Prentice Hall, NJ, 2004. 648 p.
  5. Chaturvedi N., Klein R., Christensen J., Ahmed J., Kojic A. Algorithms for advanced battery management systems. IEEE Control Systems Magazine, 2010, vol. 30, no. 3, pp. 49–68. https://doi.org/10.1109/MCS.2010.936293
  6. Romanczuk P. Bär M., Ebeling W., Lindner B., Schimansky-Geier L. Active Brownian Particles. From Individual to Collective Stochastic Dynamics. Eur. Phys. J. Special Topics, 2012, vol. 202, no. 1, pp. 1–162. https://doi.org/10.1140/epjst/e2012-01529-y
  7. Bachmann J. E. Fuel Cells. https://wiki.uiowa.edu/display/greenergy/Fuel+Cells
  8. Rychcik M., Skyllas-Kazacos M. Characteristics of a new all-vanadium redox flow battery, J. of Power Sources, 1988, vol. 22, iss. 1, pp. 59–67. https://doi.org/10.1016/0378-7753(88)80005-3
  9. Ebeling W., Feistel R. Energy conversion in isothermal nonlinear irreversible processes – struggling for higher efficiency. Eur. Phys. J. Special Topics, 2017, vol. 226, no. 9, pp. 2015–2030. https://doi.org/10.1140/epjst/e2017-70014-2
  10. Joeriseen L., Garche J., Fabjan Ch., Tamozic G. Possible use of vanadium redox-flow batteries for energy storage in small grids and stand-alone photovoltaic systems. J. of Power Sources, 2004, vol. 127, iss. 1, pp. 98–104. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2003.09.066
  11. Gupta S., Lim T. M., Mushrif S. H. Insights into the solvation of vanadium ions in the vanadium redox flow battery electrolyte using molecular dynamics and metadynamics. Electrochimica Acta, 2018, vol. 270, pp. 471–479. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.03.008
  12. Afif A., Radenahmad N., Cheok Q., Shams S., Kim J. H. Ammonia-fed fuel cells: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, vol. 60, iss. C, pp. 822–835. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.01.120
  13. Wang S., Fernandez C., Chunmei Y., Yongcun F., Wen C., Stroe D.-I., Chen Z. Battery System Modeling. Elsevier, 2021. 347 p. https://doi.org/10.1016/C2020-0-03232-9
  14. Eckert M. Modellbasierte Identifikation fraktionaler Systeme und Ihre Anwendung auf die Lithium-Ionen-Zelle. KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, 2017. 258 S. https://doi.org/10.5445/KSP/1000071542
  15. Wang B., Liu Z., Li S. E., Moura S. J., Peng H. State-of-Charge estimation for Lithium-Ion batteries based on a nonlinear fractional model. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2017, vol. 25, iss. 1, pp. 3–11. https://doi.org/10.1109/TCST.2016.2557221
  16. Ebeling W., Schweitzer F., Tilch B. Active Brownian motion with energy depots modeling animal mobility. Biosystems, 1999, vol. 49, no. 1, pp. 17–29. https://doi.org/10.1016/s0303-2647(98)00027-6
  17. Tilch B., Schweitzer F., Ebeling W. Directed motion of Brownian particles with internal energy depot. Physica A, 1999, vol. 273, iss. 3–4, pp. 293–314. https://doi.org/10.1016/S0378-4371(99)00247-2
  18. Li D., Sun Y., Yang Z., Gu L., Chen Y., Zhou H. Electrochemical oscillation in Li-ion batteries. Joule (Cell Press), 2018, vol. 2, pp. 1265–1277. https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.03.014
  19. Schweitzer P., Ebeling W., Tilch B. Complex Motion of Brownian Particles with Energy Depots. Phys. Rev. Lett., 1998, vol. 80, pp. 5044. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.80.5044
  20. Erdmann U., Ebeling W., Schimansky-Geier L., Schweitzer F. Brownian particles far from equilibrium. Eur. Phys. J. B, 2000, vol. 15, pp. 105–113. https://doi.org/10.1007/s100510051104
  21. Romanovsky Yu. M., Kargovsky A., Ebeling W. Models of Active Brownian Motors Based on Internal Oscillations. Eur. Phys. J. Special Topics, 2013, vol. 222, pp. 2465–2479. https://doi.org/10.1140/epjst/e2013-02030-y
  22. Kolomeisky A. B., Fisher M. E. Molecular Motors: A Theorist’s Perspective. Annual Rev. of Phys. Chem., 2007, vol. 58, pp. 675–695. https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.58.032806.104532
  23. Ebeling W., Gudowska-Nowak E., Fiasaconaro A. Statistical distribution for Hamiltonian systems coupled to energy reservoirs and applications to molecular energy conversion. Acta Phys. Pol. B, 2008, vol. 39, no. 5, pp. 1251–1272.
  24. Toyabe S., Muneyuki E. Experimental thermodynamics of single molecular motor. Biophysics, 2013, vol. 9, pp. 91–98. https://doi.org/10.2142/biophysics.9.91
  25. Nishiyama M., Higuchi H., Yanagida T. Chemomechanical coupling of the forward and backward steps of single kinesin molecules. Nature Cell Biol., 2002, vol. 4, pp. 790–797. https://doi.org/10.1038/ncb857
  26. Harada T. Phenomenological energetics for molecular motors. Europhys. Lett., 2005, vol. 70, no. 1, pp. 49–55. https://doi.org/10.1209/epl/i2004-10456-2
  27. Richter P. H., Ross J. The efficiency of engines operating around a steady state at finite frequencies. J. Chem. Phys., 1978, vol. 69, pp. 5521–5531. https://doi.org/10.1063/1.436546
  28. Lipowsky R. Universal aspects of the chemomechanical coupling for molecular motors. Phys. Rev. Lett., 2000, vol. 85, pp. 4401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.4401
  29. Feistel R., Ebeling W. Physics of self-organization and evolution. Wiley-VCH, Weinheim, 2011. 517 p. https://doi.org/10.1002/9783527636792
  30. Schweitzer F. Brownian agents and active particles. Springer, 2003. 420 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-73845-9
  31. Balmer R. T. Modern Engineering Thermodynamics. Academic Press, Elsevier, 2011. 827 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-20199-1
  32. Barbosa R. S., Tenreiro Machado J. A., Vinagre B. M., Calderon A. J. Analysis of the van der Pol oscillator containing derivatives of fractional order. J. of Vibration and Control, 2007, vol. 13, iss. 9–10, pp. 1291–1301. https://doi.org/10.1177/1077546307077463
  33. Ebeling W., Engel A., Feistel R. Physik der Evolution-sprozesse. Akademie-Verlag, Berlin, 1990. 371 S.
  34. Ebeling W., Feistel R. Studies on Manfred Eigen’s Model for the Self-Organization of Information processing. Eur. Biophys. J., 2018, vol. 47, pp. 395–401. https://doi.org/10.1007/s00249-018-1287-1
  35. Ebeling W., Schimansky-Geier L., Poeschel T., Asselmeyer T., Beule D., Buchholtz V., Erdmann U., Kappler C., Lieske R., Militzer B., Neiman A., Rose H. Rosenkranz D., Schautz F., Tilch B., Zamparelli M. Evolutionary algorithms, EVOAL G. Foundations and applications of evolutionary algorithms. Final report, BMBF 01IB403B. https://hdl.handle.net/10068/153803(1998)
  36. Ebeling W., Rechenberg I., Schwefel H.-P., Voigt H.-M., eds. Parallel Problem Solving from Nature. PPSN IV, vol. 1141. Springer, 1996. 1076 p.
  37. Bäck T., Heistermann T., Kappler C., Zamparelli M. Evolutionary Algorithms Support Refueling of Pressurized Water Reactors. Conference Paper, Research Gate, 1996. https://doi.org/10.1109/ICEC.1996.542342
  38. Grolleau S., Delaille A., Gualous A. Lithium-ion battery aging. 27th Int. Electric Vehicle Symp. Barcelona, 2013.
  39. Romanovsky Yu. M., Stepanova N. V., Chernavsky D. Mathematical Biophysics. Moscow, Nauka Publ.,1984. 304 p. (in Russian).
  40. Ebeling W., Engel A., Mazenko V. G. Modeling of selection processes with age-dependent birth and death rates. Biosystems, 1986, vol. 19, iss. 3, pp. 213–221. https://doi.org/10.1016/0303-2647(86)90040-7
Поступила в редакцию: 
10.07.2022
Принята к публикации: 
12.09.2022
Опубликована: 
30.11.2022