Bateriaren karga-egoera (SOC) estimazioa
Baterien eredu arruntak
Potentzia-baterien erreakzio elektrokimiko-prozesua konplexua da, faktore ugari eta zalantzazkoek eragina dute. Prozesu honen eredu matematikoa diziplina anitzeko eta -arlo anitzeko arazoa da, eta beti izan da funtsezko ardatza eta erronka bai akademiarako bai industriarako. Potentzia-bateriaren sarrerako kitzikapena (karga-korrontea) eta irteerako behaketak (tentsioa eta tenperatura) potentzia-bateria kudeatzeko sistemarako neur daitezkeen parametro finituak dira. Modelatze zehatza ezinbestekoa da potentzia-baterien kanpoko ezaugarriak zehatzago deskribatzeko, potentzia-baterien egoera kalkulatzeko algoritmo fidagarriak diseinatzeko eta energia kudeatzeko sistema optimoak garatzeko ibilgailu energetiko berrietarako. Baterien potentzia-eredu arruntak eredu elektrokimikoetan, zirkuitu baliokideen ereduetan eta ikaskuntza automatikoaren ereduetan banatzen dira.
(1) Eredu elektrokimikoa
-1990eko hamarkadaren erdialdean, M. Doyle, TF Fuller eta J. Newman Kaliforniako Berkeleyko Unibertsitateko sasi-bi-dimentsioko (P2D) eredu bat ezarri zuten elektrodo porotsuen eta kontzentratuen teorian oinarrituta, mekanismo elektrokimikoen ereduak garatzeko oinarriak ezarriz. Eredu honek ekuazio diferentzial partzialen eta ekuazio aljebraiko batzuk erabiltzen ditu potentzia bateriaren barruan litio ioien difusioa eta migrazioa, partikula aktiboen gainazaleko erreakzio elektrokimikoak, Ohm-en legea eta karga-kontserbazioa, beste fenomeno elektrokimiko batzuen artean, zehaztasunez deskribatzeko. Orain arte, eredu elektrokimiko gehienak eredu horretatik eratorri eta garatu dira. Eredu elektrokimikoa lehen printzipio-eredu bat da, potentzia-pila baten kanpoko ezaugarriak ez ezik, barne-ezaugarrien banaketa eta aldaketak ere zehaztasunez simula ditzakeena (adibidez, litio-ioien kontzentrazioa elektrodoetan eta elektrolitoan, eta erreakzio-potentzialaren gain-potentziala, neurtzeko zailak direnak). Energia-bateria-eredu batzuekin alderatuta, eredu elektrokimikoek potentzia-bateriaren barneko erreakzio mikroskopikoak sakonago deskriba ditzakete eta esanahi fisiko esplizituagoa izan dezakete.
P2D ereduak polifazetikoak eta eskalagarriak dira, material-sistema desberdinak dituzten bateria-motetan aplikagarriak, eta eremu anitzeko akoplamendu eredu konplexuagoetan garatu eta heda daitezke. Hori dela eta, P2D ereduek paper ordezkaezina betetzen dute bateriaren modelizazioan. Hala ere, ekuazio diferentzial partzialen konplexuak eta parametro elektrokimiko ugari dituzte, bateriak kudeatzeko sistemaren (BMS) gaitasun konputazionalaren eskakizun handiak jarriz. Gaur egun, P2D ereduak ebazteko metodo numerikoak erabiltzen dira batez ere, hala nola, diferentzia finituen metodoa, elementu finituen metodoa eta bolumen finituaren metodoa.
(2) Zirkuitu eredu baliokidea
Zirkuitu baliokideen ereduak zirkuitu-elementu tradizionalak erabiltzen ditu, hala nola, erresistentzia, kondentsadoreak eta tentsio konstanteko iturriak zirkuitu sare bat osatzeko, potentzia bateriaren kanpoko ezaugarriak deskribatzeko. Eredu honek tentsio-iturri bat erabiltzen du potentzia bateriaren oreka termodinamikoko indar elektroeragilea irudikatzeko, eta RC sare bat potentzia bateriaren ezaugarri dinamikoak deskribatzeko. Zirkuitu baliokidearen ereduak aplikagarritasun ona du potentzia bateriaren funtzionamendu-egoera ezberdinetarako, eta ereduaren egoera-ekuazioak erator daitezke, azterketa eta aplikazioa erraztuz. Zirkuitu baliokideen eredua oso erabilia izan da energia berrien ibilgailuen modelaketa eta simulazio ikerketetan eta-oinarritutako BMS ereduetan. 7-27 irudiak n RC sare-egiturez osatutako potentzia-bateria baten zirkuitu baliokide tipiko eredu bat erakusten du, n-RC eredua deritzona. Eredu honek hiru zati ditu:
1) Tentsio-iturria: potentziako bateriaren zirkuitu irekiko -tentsioa $U_{oc}$-rekin adierazten da.
2) Barne-erresistentzia ohmikoa: potentzia-bateriaren elektrodo materialen, elektrolitoaren, isolamendu-erresistentziaren eta hainbat osagairen kontaktu-erresistentzia $R_o$-k adierazten du.
3) RC sarea: potentzia-bateriaren ezaugarri dinamikoak, polarizazio-ezaugarriak eta difusio-efektuak barne, $R_p$ polarizazio-erresistentziaren eta $C_p$ polarizazio-kapazitatearen bidez deskribatzen dira, non $i=0, ..., n_s$.
7-27 irudian, Up potentzia bateriaren polarizazio-tentsioa adierazten du.
Kirchhoff-en tentsio-legean eta korronte-legean eta kondentsadorearen tentsio-aldaketaren eta korrontearen arteko erlazioan oinarrituta, zirkuitu-ereduaren egoera{0}}espazio-ekuazioa honela adieraz daiteke:
Gehien erabiltzen diren potentzia-bateria-zirkuitu baliokideen ereduak, esate baterako, Rint eredua, Thevenin eredua eta Polarizazio Dualaren (DP) eredua n-RC zirkuitu baliokidearen ereduaren kasu bereziak dira n=0, n=1 eta n=2, hurrenez hurren, eta asko erabili izan dira potentzia-baterien egoeraren estimazio eta kudeaketa-algoritmoetan.
(3) Ikaskuntza automatikoko ereduak
Ikaskuntza automatikoko ereduek ez dute bateriaren barne-konposizioaren eta erreakzio-mekanismo espezifikoen ezagutzarik behar; bateriaren funtzionamendu-datu historikoak soilik lortu behar dituzte (korrontea, tentsioa, tenperatura, etab.). Funtsean, aldagaien arteko mapaketa-funtzio ez-linealak ezartzen dituzte datuen-metodoen bidez. Eredu mota honen abantaila nagusia bateria mota desberdinetarako aplikatzea da, aldakortasun ona eta bateriaren portaeraren ezaugarri ez-linealak guztiz simulatzeko duen gaitasuna.
Potentzia-baterien kudeaketa eta kontrolaren alorrean, erabiltzen diren makinen ikaskuntza-metodoek logika lausoa, neurona-sareak, euskarri-makina bektorialak eta haien algoritmo konbinatuak dira nagusiki. 2016ko martxoan, Lee Sedol Go munduko txapeldunaren aurka AlphaGoren garaipenak bizitasun berria injektatu zuen ikaskuntza sakonean, ikerketa eta aplikazio olatu berri bat eraginez, bateriaren kudeaketan ere aplikatu dena. Entrenatzeko bateriaren datu nahikoa izanik, eredu mota honek aurreikuspen-errendimendu ona lor dezake. Dena den, eredu honek esanahi fisikorik ez du, interpretaezina da, eta bere errendimenduari asko eragiten dio prestakuntza-datuen kantitateak eta kalitateak, eta horrek zaildu egiten du bere fidagarritasuna eta sendotasuna bermatzea bateriak kudeatzeko sistemetan aplikatzen direnean.
