Υλοποίηση Ηλεκτροχημικού Μοντέλου Μπαταρίας Ιόντων Λιθίου Και Εκτίμηση Της Κατάστασης Φόρτισης Με Χρήση Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων

Abstract

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα μέσα αποθήκευσης ενέργειας. Οι προβλέψεις για αυτά τα συστήματα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας είναι πολύ καλές, όπως υποστηρίζει η επιστημονική κοινότητα και το συμπέρασμα που εξάγεται είναι ότι η αγορά για τις μπαταρίες λιθίου ιόντων έχει τεράστιες δυνατότητες και βρίσκεται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος των ανθρώπων που ασχολούνται με τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. Μια ακόμα ώθηση αποκτά η αγορά αυτών των μπαταριών από τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Τα τελευταία τρία χρόνια κατασκευάστηκαν περίπου 500.000 ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα. Οι προβλέψεις κάνουν μάλιστα λόγο ότι μέχρι το 2030 ένα στα τρία αυτοκίνητα θα είναι ηλεκτροκίνητο. Οι μπαταρίες τύπου ιόντων λιθίου βρίσκουν εφαρμογή και στα «έξυπνα» δίκτυα, στρέφοντας έτσι το ενδιαφέρον ακόμη περισσότερο στην μελέτη για βελτιστοποίηση της απόδοσης τους.Στο πλαίσιο της συγκεκριμένης εργασίας μελετάται ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης της επιτήρησης της κατάστασης φόρτισης (State Of Charge). Το SOC είναι μια σημαντική παράμετρος για την μπαταρία και συνδέεται άμεσα με την χωρητικότητά της και άρα με την απόδοσή της. Έτσι, η σωστή εκτίμηση του μπορεί να αποτρέψει την ανεπανόρθωτη υποβάθμιση ενός κελιού Li-ion από μια υπερφόρτιση ή υπερ-εκφόρτιση, επιμηκύνοντας την διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Πρώτο βήμα για την προσέγγιση του προβλήματος αυτού, είναι η σχεδίαση ενός ηλεκτροχημικού μοντέλου μπαταρίας ιόντων λιθίου και συγκεκριμένα εκείνης που έχει ως υλικό καθόδου το LiFePO_(4.) Οι μπαταρίες με αυτό το υλικό καθόδου είναι πολύ δημοφιλείς σε εφαρμογές ηλεκτρικών αυτοκινήτων λόγω των ομαλών καμπύλων εκφόρτισης και της μεγάλης πυκνότητας ισχύος που διαθέτουν. Το μοντέλο αυτό αφορά ένα κελί μπαταρίας και δέχεται ως είσοδο ένα ρεύμα φόρτισης/εκφόρτισης και παράγει σαν έξοδο το SOC. Η μοντελοποίηση έγινε με χρήση της γλώσσας προγραμματισμού MATLAB.Στη συνέχεια, λαμβάνοντας υπόψιν τη μη γραμμική σχέση μεταξύ του SOC και των δυναμικών χαρακτηριστικών της μπαταρίας, προτείνεται η εκτίμησή του με την μέθοδο των τεχνητών νευρωνικών δικτύων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικοί τύποι νευρωνικών δικτύων με ανάδραση σφάλματος. Έτσι, για τυχαίες φορτίσεις και εκφορτίσεις συγκρίνονται οι έξοδοι του νευρωνικού δικτύου με την έξοδο του μοντέλου μπαταρίας και εξάγονται συμπεράσματα από την εφαρμογή της παραπάνω μεθοδολογίας.