Pil Şarj Durumu (SOC) Tahmini
Yaygın Akü Modelleri
Güç pillerinin elektrokimyasal reaksiyon süreci karmaşıktır ve çok sayıda ve belirsiz faktörden etkilenir. Bu sürecin matematiksel modellenmesi, çok disiplinli ve çok{1}}alanlı bir sorundur ve hem akademi hem de endüstri için her zaman temel bir odak noktası ve zorluk olmuştur. Bir güç pilinin giriş uyarımı (yük akımı) ve çıkış gözlemleri (voltaj ve sıcaklık), güç pili yönetim sistemi için sonlu ölçülebilir parametrelerdir. Güç pillerinin dış özelliklerini daha doğru bir şekilde tanımlamak, güvenilir güç pil durumu tahmin algoritmaları tasarlamak ve yeni enerji araçları için en uygun enerji yönetim sistemlerini geliştirmek için doğru modelleme önemlidir. Yaygın güç pili modelleri esas olarak elektrokimyasal modellere, eşdeğer devre modellerine ve makine öğrenme modellerine ayrılır.
(1) Elektrokimyasal Model
1990'ların ortasında, Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'nden M. Doyle, TF Fuller ve J. Newman, gözenekli elektrotlar ve konsantre çözeltiler teorisine dayanan sözde-iki-boyutlu (P2D) bir model oluşturdular ve elektrokimyasal mekanizma modellerinin geliştirilmesinin temelini attılar. Bu model, diğer elektrokimyasal olayların yanı sıra, güç pili içindeki lityum iyonlarının difüzyonunu ve göçünü, aktif parçacıkların yüzeyindeki elektrokimyasal reaksiyonları, Ohm yasasını ve yük korunumunu doğru bir şekilde tanımlamak için bir dizi kısmi diferansiyel denklem ve cebirsel denklem kullanır. Bugüne kadar çoğu elektrokimyasal model bu modelden türetilmiş ve geliştirilmiştir. Elektrokimyasal model, yalnızca bir güç pilinin dış özelliklerini değil aynı zamanda iç özelliklerin (elektrotlar ve elektrolitteki lityum iyonlarının konsantrasyonu ve ölçülmesi zor olan reaksiyon aşırı potansiyeli gibi) dağılımını ve değişikliklerini de doğru bir şekilde simüle edebilen bir ilk prensip modelidir. Diğer güç pili modelleriyle karşılaştırıldığında elektrokimyasal modeller, güç pilinin içindeki mikroskobik reaksiyonları daha derinlemesine tanımlayabilir ve daha açık fiziksel anlamlara sahip olabilir.
P2D modelleri çok yönlü ve ölçeklenebilirdir, farklı malzeme sistemlerine sahip pil türlerine uygulanabilir ve daha karmaşık çok-alanlı bağlantı modellerine geliştirilip genişletilebilir. Bu nedenle P2D modelleri pil modellemede yeri doldurulamaz bir rol oynamaktadır. Bununla birlikte, karmaşık kısmi diferansiyel denklemler ve çok sayıda elektrokimyasal parametre içerirler ve bu da Pil Yönetim Sisteminin (BMS) hesaplama yeteneklerine yüksek talepler getirir. Şu anda, P2D modellerinin çözümünde öncelikle sonlu farklar yöntemi, sonlu elemanlar yöntemi ve sonlu hacim yöntemi gibi sayısal yöntemler kullanılmaktadır.
(2) Eşdeğer Devre Modeli
Eşdeğer devre modeli, güç pilinin harici özelliklerini tanımlamak için bir devre ağı oluşturmak üzere dirençler, kapasitörler ve sabit voltaj kaynakları gibi geleneksel devre elemanlarını kullanır. Bu model, güç pilinin termodinamik denge elektromotor kuvvetini temsil etmek için bir voltaj kaynağı ve güç pilinin dinamik özelliklerini tanımlamak için bir RC ağı kullanır. Eşdeğer devre modeli, güç pilinin çeşitli çalışma durumlarına iyi uygulanabilirliğe sahiptir ve modelin durum denklemleri türetilebilir, bu da analiz ve uygulamayı kolaylaştırır. Eşdeğer devre modeli, yeni enerji taşıt modelleme ve simülasyon araştırmalarında ve model-tabanlı BMS'de yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 7-27, n-RC modeli olarak adlandırılan, n adet RC ağ yapısından oluşan bir güç pilinin tipik bir eşdeğer devre modelini göstermektedir. Bu model üç bölümden oluşmaktadır:
1) Gerilim Kaynağı: Güç pilinin açık-devre voltajı $U_{oc}$ ile temsil edilir.
2) Ohmik İç Direnç: Güç aküsü elektrot malzemelerinin, elektrolitin, izolasyon direncinin ve çeşitli bileşenlerin temas direnci $R_o$ ile temsil edilir.
3) RC Ağı: Polarizasyon özellikleri ve difüzyon etkileri de dahil olmak üzere güç pilinin dinamik özellikleri, $R_p$ polarizasyon direnci ve $C_p$ polarizasyon kapasitansı ile tanımlanır, burada $i=0, ..., n_s$.
Şekil 7-27'de Yukarı, güç pilinin polarizasyon voltajını temsil eder.
Kirchhoff'un voltaj yasasına, akım yasasına ve kapasitör voltaj değişimi ile akım arasındaki ilişkiye dayanarak devre modelinin durum-uzay denklemi şu şekilde ifade edilebilir:
Rint modeli, Thevenin modeli ve Çift Polarizasyon (DP) modeli gibi yaygın olarak kullanılan güç pili eşdeğer devre modelleri, sırasıyla n=0, n=1 ve n=2 olduğunda n-RC eşdeğer devre modelinin özel durumlarıdır ve güç pili durumu tahmininde ve yönetim algoritmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
(3) Makine Öğrenimi Modelleri
Makine öğrenimi modelleri, pilin dahili bileşimi ve belirli reaksiyon mekanizmaları hakkında bilgi sahibi olmayı gerektirmez; yalnızca pilin geçmiş çalışma verilerini (akım, voltaj, sıcaklık vb.) elde etmeleri gerekir. Temel olarak, veriye dayalı yöntemlerle değişkenler arasında doğrusal olmayan eşleme işlevleri kurarlar-. Bu tip modelin ana avantajı, farklı pil türlerine uygulanabilirliği, çok yönlülüğü ve pil davranışının doğrusal olmayan özelliklerini tam olarak simüle edebilme yeteneğidir.
Güç pili yönetimi ve kontrolü alanında kullanılan makine öğrenme yöntemleri temel olarak bulanık mantık, sinir ağları, destek vektör makineleri ve bunların birleştirilmiş algoritmalarını içerir. Mart 2016'da AlphaGo'nun Go dünya şampiyonu Lee Sedol'e karşı kazandığı zafer, derin öğrenmeye yeni bir canlılık kazandırdı ve pil yönetimine de uygulanan yeni bir araştırma ve uygulama dalgasını tetikledi. Eğitim için yeterli pil verisi ile bu tür bir model iyi bir tahmin performansı elde edebilir. Ancak bu modelin fiziksel anlamı yoktur, yorumlanamaz ve performansı, eğitim verilerinin miktarı ve kalitesinden büyük ölçüde etkilenir; bu da pil yönetim sistemlerine uygulandığında güvenilirliğini ve sağlamlığını garanti etmeyi zorlaştırır.
