Odhad stavu nabitia batérie (SOC).
Bežné modely batérií
Proces elektrochemickej reakcie napájacích batérií je zložitý, ovplyvňovaný mnohými a neistými faktormi. Matematické modelovanie tohto procesu je multidisciplinárny a multi{1}}oborový problém a vždy bol kľúčovým zameraním a výzvou pre akademickú obec aj priemysel. Vstupné budenie (zaťažovací prúd) a výstupné pozorovania (napätie a teplota) napájacej batérie sú konečné merateľné parametre pre systém správy batérie. Presné modelovanie je nevyhnutné pre presnejšie opísanie vonkajších charakteristík napájacích batérií, navrhovanie spoľahlivých algoritmov odhadu stavu napájacích batérií a vývoj optimálnych systémov riadenia energie pre nové energetické vozidlá. Bežné modely napájacích batérií sa delia hlavne na elektrochemické modely, modely ekvivalentných obvodov a modely strojového učenia.
(1) Elektrochemický model
V polovici-90. rokov 20. storočia M. Doyle, TF Fuller a J. Newman z Kalifornskej univerzity v Berkeley vytvorili pseudo-dvoj{11}}dimenzionálny (P2D) model založený na teórii poréznych elektród a koncentrovaných roztokov, čím položili základ pre vývoj modelov elektrochemických mechanizmov. Tento model využíva sériu parciálnych diferenciálnych rovníc a algebraických rovníc na presný opis difúzie a migrácie lítiových iónov vo vnútri napájacej batérie, elektrochemických reakcií na povrchu aktívnych častíc, Ohmov zákon a zachovanie náboja, okrem iných elektrochemických javov. K dnešnému dňu je väčšina elektrochemických modelov odvodená a vyvinutá z tohto modelu. Elektrochemický model je model založený na prvých princípoch, ktorý dokáže presne simulovať nielen vonkajšie charakteristiky napájacej batérie, ale aj distribúciu a zmeny vnútorných charakteristík (ako je koncentrácia lítiových iónov v elektródach a elektrolyte a reakčný nadmerný potenciál, ktoré sa ťažko merajú). V porovnaní s inými modelmi napájacích batérií môžu elektrochemické modely opísať mikroskopické reakcie vo vnútri batérie do väčšej hĺbky a majú jednoznačnejší fyzikálny význam.
Modely P2D sú všestranné a škálovateľné, použiteľné pre typy batérií s rôznymi materiálovými systémami a možno ich vyvinúť a rozšíriť na zložitejšie modely multi{1}}poľnej väzby. Preto P2D modely zohrávajú pri modelovaní batérií nezastupiteľnú úlohu. Obsahujú však zložité parciálne diferenciálne rovnice a početné elektrochemické parametre, ktoré kladú vysoké nároky na výpočtové schopnosti Battery Management System (BMS). V súčasnosti sa pri riešení P2D modelov využívajú predovšetkým numerické metódy, ako je metóda konečných rozdielov, metóda konečných prvkov a metóda konečných objemov.
(2) Model ekvivalentného obvodu
Ekvivalentný obvodový model využíva tradičné obvodové prvky, ako sú odpory, kondenzátory a zdroje konštantného napätia na vytvorenie obvodovej siete na opis vonkajších charakteristík napájacej batérie. Tento model využíva zdroj napätia na reprezentáciu termodynamickej rovnovážnej elektromotorickej sily napájacej batérie a RC sieť na opis dynamických charakteristík napájacej batérie. Model ekvivalentného obvodu má dobrú použiteľnosť na rôzne prevádzkové stavy napájacej batérie a možno odvodiť stavové rovnice modelu, čo uľahčuje analýzu a aplikáciu. Ekvivalentný model obvodu sa široko používa pri modelovaní a simulácii nových energetických vozidiel a BMS založenom na modeloch. Obrázok 7-27 zobrazuje typický model ekvivalentného obvodu napájacej batérie zloženej z n RC sieťových štruktúr, označovaných ako n-RC model. Tento model sa skladá z troch častí:
1) Zdroj napätia: Napätie otvoreného-obvodu napájacej batérie predstavuje $U_{oc}$.
2) Ohmický vnútorný odpor: Kontaktný odpor materiálov elektród napájacej batérie, elektrolytu, izolačného odporu a rôznych komponentov je reprezentovaný $R_o$.
3) RC sieť: Dynamické charakteristiky napájacej batérie, vrátane polarizačných charakteristík a difúznych efektov, sú opísané polarizačným odporom $R_p$ a polarizačnou kapacitou $C_p$, kde $i=0, ..., n_s$.
Na obrázku 7-27, Up predstavuje polarizačné napätie napájacej batérie.
Na základe Kirchhoffovho zákona o napätí a prúde a vzťahu medzi zmenou napätia kondenzátora a prúdom možno stavovú{0}}priestorovú rovnicu modelu obvodu vyjadriť ako:
Bežne používané modely ekvivalentných obvodov napájacej batérie, ako napríklad Rintov model, Theveninov model a model s dvojitou polarizáciou (DP), sú špeciálnymi prípadmi n-modelu ekvivalentného obvodu RC, keď n=0, n{2}} a n=2, a sú široko používané v algoritmoch odhadovania stavu napájacej batérie a riadenia.
(3) Modely strojového učenia
Modely strojového učenia nevyžadujú znalosť vnútorného zloženia batérie a špecifických reakčných mechanizmov; potrebujú získať iba historické prevádzkové údaje batérie (prúd, napätie, teplota atď.). V podstate vytvárajú funkcie nelineárneho mapovania medzi premennými pomocou metód-riadených údajmi. Hlavnou výhodou tohto typu modelu je jeho použiteľnosť na rôzne typy batérií, dobrá univerzálnosť a schopnosť plne simulovať nelineárne charakteristiky správania batérie.
V oblasti správy a riadenia napájacích batérií patria medzi používané metódy strojového učenia najmä fuzzy logika, neurónové siete, podporné vektorové stroje a ich kombinované algoritmy. V marci 2016 víťazstvo AlphaGo nad majstrom sveta Go Lee Sedolom vnieslo novú vitalitu do hlbokého učenia a spustilo novú vlnu výskumu a aplikácií, ktoré boli aplikované aj na správu batérie. S dostatočnými údajmi o batérii na tréning môže tento typ modelu dosiahnuť dobrý prediktívny výkon. Tento model však nemá fyzický význam, je neinterpretovateľný a jeho výkon je značne ovplyvnený množstvom a kvalitou tréningových dát, čo sťažuje zaručenie jeho spoľahlivosti a robustnosti pri aplikácii na systémy správy batérie.
