Odhad stavu nabití baterie (SOC).
Běžné modely baterií
Proces elektrochemické reakce napájecích baterií je složitý, ovlivněný mnoha a nejistými faktory. Matematické modelování tohoto procesu je multidisciplinární a multi{1}}oborový problém a vždy bylo klíčovým tématem a výzvou jak pro akademickou obec, tak pro průmysl. Vstupní buzení (zatěžovací proud) a výstupní pozorování (napětí a teplota) napájecí baterie jsou konečné měřitelné parametry pro systém správy napájecí baterie. Přesné modelování je nezbytné pro přesnější popis vnějších charakteristik napájecích baterií, navrhování spolehlivých algoritmů pro odhad stavu napájecích baterií a vývoj optimálních systémů řízení energie pro nová energetická vozidla. Běžné modely napájecích baterií se dělí hlavně na elektrochemické modely, modely ekvivalentních obvodů a modely strojového učení.
(1) Elektrochemický model
V polovině-90. let 20. století M. Doyle, TF Fuller a J. Newman z Kalifornské univerzity v Berkeley vytvořili pseudo-dvou{11}}rozměrný (P2D) model založený na teorii porézních elektrod a koncentrovaných roztoků, čímž položili základ pro vývoj modelů elektrochemických mechanismů. Tento model využívá řadu parciálních diferenciálních rovnic a algebraických rovnic k přesnému popisu difúze a migrace iontů lithia uvnitř napájecí baterie, elektrochemických reakcí na povrchu aktivních částic, Ohmova zákona a zachování náboje, mezi jinými elektrochemickými jevy. K dnešnímu dni je většina elektrochemických modelů odvozena a vyvinuta z tohoto modelu. Elektrochemický model je model založený na prvních principech, který dokáže přesně simulovat nejen vnější charakteristiky napájecí baterie, ale také distribuci a změny vnitřních charakteristik (jako je koncentrace lithných iontů v elektrodách a elektrolytu a reakční nadpotenciál, které se obtížně měří). Ve srovnání s jinými modely napájecích baterií mohou elektrochemické modely popsat mikroskopické reakce uvnitř napájecí baterie do větší hloubky a mají explicitnější fyzikální význam.
Modely P2D jsou všestranné a škálovatelné, použitelné pro typy baterií s různými materiálovými systémy a lze je vyvinout a rozšířit na složitější modely s více{1}}vazbou polí. Proto P2D modely hrají v bateriovém modelování nezastupitelnou roli. Obsahují však složité parciální diferenciální rovnice a četné elektrochemické parametry, což klade vysoké nároky na výpočetní schopnosti Battery Management System (BMS). V současné době se při řešení P2D modelů využívají především numerické metody, jako je metoda konečných diferencí, metoda konečných prvků a metoda konečných objemů.
(2) Model ekvivalentního obvodu
Ekvivalentní obvodový model využívá tradiční obvodové prvky, jako jsou rezistory, kondenzátory a zdroje konstantního napětí k vytvoření obvodové sítě k popisu vnějších charakteristik napájecí baterie. Tento model využívá zdroj napětí k reprezentaci termodynamické rovnovážné elektromotorické síly napájecí baterie a RC síť k popisu dynamických charakteristik napájecí baterie. Model ekvivalentního obvodu má dobrou použitelnost pro různé provozní stavy napájecí baterie a lze odvodit stavové rovnice modelu, což usnadňuje analýzu a aplikaci. Ekvivalentní obvodový model byl široce používán v oblasti modelování a simulace nových energetických vozidel a BMS založených na-modelech. Obrázek 7-27 ukazuje typický model ekvivalentního obvodu napájecí baterie složený z n RC síťových struktur, označovaných jako n-RC model. Tento model se skládá ze tří částí:
1) Zdroj napětí: Napětí naprázdno-obvodu napájecí baterie je reprezentováno $U_{oc}$.
2) Ohmický vnitřní odpor: Kontaktní odpor materiálů elektrod napájecí baterie, elektrolytu, izolačního odporu a různých součástí je reprezentován $R_o$.
3) RC síť: Dynamické charakteristiky napájecí baterie, včetně polarizačních charakteristik a difúzních efektů, jsou popsány polarizačním odporem $R_p$ a polarizační kapacitou $C_p$, kde $i=0, ..., n_s$.
Na obrázku 7-27 Up představuje polarizační napětí napájecí baterie.
Na základě Kirchhoffova napěťového a proudového zákona a vztahu mezi změnou napětí kondenzátoru a proudem lze stavovou{0}}prostorovou rovnici modelu obvodu vyjádřit takto:
Běžně používané modely ekvivalentních obvodů napájecích baterií, jako je Rintův model, Theveninův model a model s duální polarizací (DP), jsou speciálními případy n-RC modelu ekvivalentního obvodu, když n=0, n{2}} a n=2, v daném pořadí, a byly široce používány v algoritmech odhadu stavu baterie a správy.
(3) Modely strojového učení
Modely strojového učení nevyžadují znalost vnitřního složení baterie a specifických reakčních mechanismů; potřebují pouze získat historická provozní data baterie (proud, napětí, teplota atd.). V podstatě zavádějí funkce nelineárního mapování mezi proměnnými pomocí metod-řízených daty. Hlavní výhodou tohoto typu modelu je jeho použitelnost na různé typy baterií, dobrá univerzálnost a schopnost plně simulovat nelineární charakteristiky chování baterie.
V oblasti správy a řízení napájecích baterií patří mezi používané metody strojového učení především fuzzy logika, neuronové sítě, podpůrné vektorové stroje a jejich kombinované algoritmy. V březnu 2016 vítězství AlphaGo nad mistrem světa Go Lee Sedolem vložilo do hlubokého učení novou vitalitu a spustilo novou vlnu výzkumu a aplikací, které byly také aplikovány na správu baterií. S dostatečnými údaji o baterii pro trénink může tento typ modelu dosáhnout dobrého prediktivního výkonu. Tento model však postrádá fyzický význam, je neinterpretovatelný a jeho výkon je značně ovlivněn množstvím a kvalitou tréninkových dat, takže je obtížné zaručit jeho spolehlivost a robustnost při aplikaci na systémy správy baterií.
