Tensione, resistenza interna, produzione di calore e temperatura formano un anello chiuso in una cella NiMH in carica: corrente e resistenza generano calore, il calore cambia resistenza e potenziali di elettrodo, questi cambiamenti alterano tensione e accettazione di carica, e l'accettazione modificata cambia quanta corrente diventa calore. Un modello che tratta elettricità e calore separatamente perde la retroazione che più conta nella carica rapida. Questo articolo costruisce un modello elettro-termico accoppiato – un circuito equivalente dipendente dalla temperatura per la tensione, una rete termica concentrata per la temperatura e l'accoppiamento bidirezionale tra loro – e mostra come predice le traiettorie di carica, dimensiona il raffreddamento e la corrente, e quantifica il margine rispetto ai limiti termici prima che un solo prototipo sia maltrattato.
Il sottomodello elettrico è un circuito equivalente: una resistenza ohmica e uno o due blocchi di polarizzazione RC in serie con una tensione di equilibrio dipendente dal SOC e dalla temperatura. I parametri identificati da prove a impulsi su una griglia di SOC e temperatura – i metodi dell'articolo 17 – sono memorizzati come superfici di consultazione, così il modello riproduce come una cella fredda mostri maggiore resistenza e un picco di tensione più alto, e una cella calda il contrario. Fondamentale, i parametri portano dipendenza dalla temperatura, che è ciò che accoppia la metà elettrica alla metà termica.
Anche un modello a un solo RC cattura la maggior parte della tensione dinamica; un secondo RC migliora il comportamento a scala di diffusione, rilevante per impulsi lunghi e per stimare quando avverrà l'inizio dell'ossigeno a una data corrente.
Il sottomodello termico applica il bilancio energetico dell'articolo 4: la produzione di calore è la somma del calore I-quadrato-R e di polarizzazione (ora calcolato dalle resistenze e correnti dell'ECM), del termine entropico reversibile tabulato rispetto al SOC, e del calore di ricombinazione che si attiva oltre il ginocchio di inizio ossigeno. Una capacità concentrata e una resistenza termica verso l'ambiente (o una rete multi-nodo per un pack) propagano la temperatura; i parametri vengono dalla massa della cella, dal calore specifico e da una curva di raffreddamento misurata.
Rappresentare il calore di ricombinazione come termine controllato dal SOC è la scelta di modellazione chiave per il NiMH, perché riproduce l'inflessione termica di fine carica che un modello puramente resistivo non può – la stessa inflessione che sorveglia il terminatore dT/dt.
L'accoppiamento va in entrambe le direzioni: le perdite resistive e di ricombinazione del modello elettrico alimentano il modello termico come sorgenti, mentre la temperatura del modello termico ritorna nelle superfici di parametri dell'ECM e nel modello di accettazione/efficienza di carica. Risolvere i due insieme a ogni passo temporale riproduce fenomeni osservati che i modelli disaccoppiati perdono – il picco di tensione che si restringe nella cella calda, la temperatura di fine carica che accelera, e la retroazione positiva che fa divergere una cella intrappolata termicamente.
Espone anche il margine di stabilità: un profilo di carica è termicamente sicuro solo se l'equilibrio del sistema accoppiato alla corrente proposta si trova sotto il limite assoluto di temperatura con margine; se la produzione di calore aumenta con la temperatura più velocemente di quanto il raffreddamento possa rimuovere, il modello predice la divergenza prima di rischiare l'hardware.
Un controllore predittivo inverte il modello: dato un tempo di carica bersaglio e una temperatura massima della cella, cerca la più ampia traiettoria di corrente la cui temperatura simulata, indicatore di pressione e tensione restino entro i limiti – producendo un profilo multi-fase basato su modello del tipo sostenuto dalla ricerca di carica ottimale (sviluppato nel gruppo di frontiera). Rispetto a una tabella di declassamento fissa, la pianificazione basata su modello carica più veloce quando la cella è fresca e forte, e arretra con precisione quando il modello accoppiato predice l'inflessione termica.
Lo stesso modello supporta la progettazione dei pack: le reti termiche multi-nodo rivelano la cella interna più calda e il flusso d'aria o conduzione necessari per mantenerla entro i limiti, alimentando direttamente gli articoli di gestione termica nel gruppo pack.
L'identificazione procede tramite prove di impulsi e termiche controllate sullo spazio SOC-temperatura-corrente, adattando parametri ECM, capacità termica e resistenza termica, poi convalidando contro cariche complete indipendenti in condizioni tenute da parte – il modello deve predire una carica inedita a 0,7C da parametri identificati ad altre velocità. Le rassegne di modellazione termica con apprendimento automatico integrano sempre più il modello fisico con correzione residua basata sui dati, ma il nucleo fisico è ciò che permette al modello di estrapolare in sicurezza oltre i suoi dati di addestramento.
La prima figura diagramma la struttura accoppiata bidirezionale; la seconda confronta le traiettorie tensione/temperatura misurate e predette, le prove di validazione richieste prima che al modello sia permesso impostare la corrente.
Un modello elettro-termico utile fornisce superfici di parametri, l'attivazione di inizio ossigeno/calore di ricombinazione, la temperatura di caso peggiore predetta per ogni profilo candidato, e limiti di confidenza che riflettono l'incertezza dei parametri. I suoi limiti sono onesti: predice il comportamento medio della cella piuttosto che punti caldi locali, e la pressione è rappresentata indirettamente a meno che non sia aggiunto un sottomodello di bilancio del gas (articolo 3). Usato entro questi limiti, converte la progettazione di carica rapida da prove-ed-errori in ingegneria guidata dalla simulazione.
Weijiang supporta i partner basati su modello con i dati di impulsi, termici e di accettazione necessari per l'identificazione dei parametri. Il prossimo articolo chiede quanto dettaglio fisico un modello di carica necessiti veramente, confrontando approcci di modellazione a circuito equivalente ed elettrochimici.
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