Оптимизация и терморегулирование системы питания аккумуляторных батарей сельскохозяйственных беспилотных летательных аппаратов

Статья посвящена проблемам внезапного сокращения дальности полета и срока службы литий-ионных аккумуляторов сельскохозяйственных беспилотных летательных аппаратов вследствие резкого подъема температуры в процессе функционирования аппарата с выделением тепла. Предлагается метод оптимизации системы питания аккумуляторных батарей электропривода. В ходе исследования построена математическая модель работы аккумулятора для анализа динамической зависимости между потребляемой мощностью и повышением температуры во время типичных операций охлаждения. Разработана интеллектуальная система терморегулирования, которая сочетает в себе активное воздушное охлаждение и стратегии охлаждения материалов с фазовым переходом (PCM) и инновационным алгоритмом управления динамическим порогом срабатывания. Для существенного повышения производительности системы процесс разряда тока оптимизируется с помощью алгоритма Particle Swarm Optimization (PSO), что позволяет достичь лучшего соотношения между величиной выходной мощности и выделением тепла. Экспериментальные исследования при температуре окружающей среды 35°C показали, что пиковая температура аккумулятора снижается с 58°C до 49°C, что на 15,5 % меньше максимально допустимой рабочей температуры аккумулятора. При натурных испытаниях установлено, что предложенная система терморегулирования позволяет увеличить срок службы аккумуляторов при непрерывной эксплуатации на 14 %, а коэффициент сохранения емкости составляет 92,3 % после 100 циклов зарядки-разрядки по сравнению с 85,1 % существующих систем. Результаты исследований показали, что предложенный метод терморегулирования эффективно решает тепловые проблемы аккумуляторов беспилотных летательных аппаратов путем координации и оптимизации стратегий охлаждения и управления разрядом, обеспечивая практичное и экономичное решение для поддержания работоспособности аккумуляторов в высокотемпературных сельскохозяйственных условиях, одновременно продлевая срок службы и эксплуатационную надежность.

1. Abbasi R, Martinez P, Ahmad R. The digitization of agricultural industry – a systematic literature review on agriculture 4.0. Smart Agricultural Technology. 2022;2:100042. https://doi.org/10.1016/j.atech.2022.100042

2. Wang Z., Wu X., Bai Z., Yang N., Guo G., Banjoko O.S. Enhancing fast charging performance of lithiumion batteries: The role of operating temperature and charging rate. Electrochimica Acta. 2025 Jan;511:145390. http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2024.145390

3. Goshtasbi A., Zhao R., Wang R., Han S., Ma W., Neubauer J. Enhanced equivalent circuit model for high current discharge of lithium-ion batteries with application to electric vertical takeoff and landing aircraft. Journal of Power Sources. 2024 Nov;620:235188. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.235188

4. Guan J., Chen M. An overview of phase change materials on battery application: Modification methods and thermal management systems. Journal of Energy Storage. 2024 Dec;103:114268. http://dx.doi.org/10.1016/j.est.2024.114268

5. Rejeb A., Abdollahi A., Rejeb K., Treiblmaier H. Drones in agriculture: A review and bibliometric analysis. Computers and Electronics in Agriculture. 2022 Jul;198:107017. http://dx.doi.org/10.1016/j.compag.2022.107017

6. Zhang X., Liu Y., Halbig M., Singh M., Almansour A., Zheng Y. Development and optimization of hybrid heat dissipation system for lithiumion battery packs. Applied Thermal Engineering. 2024 Oct;254:123912. http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.123912

7. Yang H., Yang G.-feng, Liu N.-hao, Zhang S.-bo, Gao Q. Investigating the impact of inlet angle on the performance of air-cooling lithium-ion battery pack. Applied Thermal Engineering. 2025 Mar;263:125314. http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.125314

8. Hu X., Zhou T, Wang T., Fang R., Zhang M., Song Q., et al. Validation and transients of a circulating fluidized bed boiler: Load-peaking and response mechanisms. Chemical Engineering Journal. 2025 Jan;506:159873. http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2025.159873

9. Liu Y., Zhou Z., Wu W.-T., Wei L., Lyu J., Li Y., et al. Simulations on hybrid thermal management of minichannel cold plate and PCM for lithiumion batteries under discharging and thermal runaway conditions. Case Studies in Thermal Engineering. 2024 Aug;60:104837. http://dx.doi.org/10.1016/j.csite.2024.104837

10. Roy P.M., Sawant H.H., Shelar P.P., Sarode P.U., Gawande S.H. Battery health management — a perspective of design, optimization, manufacturing, fault detection, and recycling. Energy Storage and Saving. 2024 Sep;3(3):190– 208. http://dx.doi.org/10.1016/j.enss.2024.04.001

11. Najmi A.-U.-H, Wahab A., Prakash R., Schopen O., Esch T., Shabani B. Thermal management of fuel cellbattery electric vehicles: Challenges and solutions. Applied Energy. 2025 Jun;387:125635. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.125635

12. Luo D., Zhao Y., Cao J., Wu Z., Yang X., Chen H. Effective temperature control of a thermoelectric-based battery thermal management system under extreme temperature conditions. Journal of Energy Storage [Internet]. 2024 Dec;103:114344. http://dx.doi.org/10.1016/j.est.2024.114344

13. Wu Z., Chen S., Wang L., Deng Q., Zeng Z., Wang J., et al. Implanting nickel and cobalt phosphide into well-defined carbon nanocages: A synergistic adsorption-electrocatalysis separator mediator for durable high-power Li-S batteries. Energy Storage Materials. 2021 Jun;38:381–388. http://dx.doi.org/10.1016/j.ensm.2021.03.026

14. Tekin M., Karamangil M.İ. Comparative analysis of equivalent circuit battery models for electric vehicle battery management systems. Journal of Energy Storage. 2024 May;86:111327. http://dx.doi.org/10.1016/j.est.2024.111327

15. Ouyang T., Wang C., Xu P., Ye J., Liu B. Prognostics and health management of lithium-ion batteries based on modeling techniques and Bayesian approaches: A review. Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2023 Feb;55:102915. http://dx.doi.org/10.1016/j.seta.2022.102915

16. Dhanasegaran R., Uusitalo A., Honkatukia J., Turunen-Saaresti T. Modeling thermal inertia effects using the thermal resistance network approach on a small-scale high-temperature ORC system. Applied Thermal Engineering. 2025 Jun;269:126018. http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.126018

17. Liu H.R., Hua L.J., Li B.J., Wang C.X., Wang R.Z. Thermal resistance-capacitance network model for fast simulation on the desiccant coated devices used for effective electronic cooling. International Journal of Refrigeration. 2021 Nov;131:78–86. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.07.038

18. Duan Z., Hong X., Li H., Ruan D. Simulating the uneven temperature distributions within large-sized lithium-ion batteries using a thermal resistance network model. Journal of Energy Storage. 2024 Nov;101:113732. http://dx.doi.org/10.1016/j.est.2024.113732

19. Tang M., Wu C., Peng W., Han R., Zhang S., Wang D. Numerical simulation study on the impact of convective heat transfer on lithium battery air cooling thermal model. Applied Thermal Engineering. 2024 Dec;257:124220. http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124220

20. Zhang W., Sun Q., Zhou X., Wu L., Hu Y. Investigation on the thermal behavior of thermal management system for battery pack with heat pipe based on multiphysics coupling model. Energy 2024 Nov;308:133053. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2024.133053

21. Kim S.B., Lee S.H. Battery Balancing Algorithm for an Agricultural Drone Using a State-of-Charge-Based Fuzzy Controller. Applied Sciences. 2020 Jul 30;10(15):5277. http://dx.doi.org/10.3390/app10155277

22. Tsai S.J., Sun T.Y., Liu C.C., Hsieh S.T., Wu W.C., Chiu S.Y. An improved multi-objective particle swarm optimizer for multi-objective problems. Expert Systems with Applications. 2010 Aug;37(8):5872–5886. http://dx.doi.org/10.1016/j.eswa.2010.02.018 (in Chinese).

23. Ji Y.-ju, Qiu S.-lin, Li G. Simulation of second-order RC equivalent circuit model of lithium battery based on variable resistance and capacitance. Journal of Central South University. 2020 Sep;27(9):2606–2613. http://dx.doi.org/10.1007/s11771-020-4485-9 (in Chinese).

24. Zhu J., Zhang H., Wu G., Zhu S., Liu W. Thermal performance of cylindrical battery module with both axial and radial thermal paths: Numerical simulation and thermal resistance network analysis. Journal of Energy Storage. 2022 May;49:104197. http://dx.doi.org/10.1016/j.est.2022.104197 (in Chinese).

25. Xie Y., Yang P., Qian Y., Zhang Y., Li K., Zhou Y. A two-layered eco-cooling control strategy for electric car air conditioning systems with integration of dynamic programming and fuzzy PID. Applied Thermal Engineering. 2022 Jul;211:118488. http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118488 (in Chinese).

26. Wang Z., Zhang Z., Jia L., Yang L. Paraffin and paraffin/aluminum foam composite phase change material heat storage experimental study based on thermal management of Li-ion battery. Applied Thermal Engineering. 2015 Mar;78:428–36. http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.01.009 (in Chinese).