شماره مدرك
21125
شماره راهنما
2494 دكتري
پديد آورنده
محمدرضايي، ريحانه
عنوان
تخمين داده محور پارامترهاي نشان دهنده وضعيت شارژ و سلامت بسته باتري
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
كنترل
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
ده، 96ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
سيستم تست باتري , وضعيت شارژ باتري , دماي هسته سل باتري , سل نماينده , وضعيت سلامت باتري
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/25
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي برق
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/03/26
كد ايرانداك
23222371
چكيده فارسي
در سالهاي اخير، استفاده گسترده از سامانههاي ذخيرهسازي انرژي مبتني بر باتري در كاربردهايي نظير خودروهاي الكتريكي، ريزشبكهها و سامانههاي ذخيرهسازي انرژي تجديدپذير اهميت روزافزوني يافته است. عملكرد ايمن، پايدار و قابل اعتماد اين سامانهها به توانايي پايش و مديريت دقيق وضعيت باتري وابسته است. در اين ميان، تخمين دقيق وضعيت شارژ و وضعيت سلامت به عنوان دو پارامتر كليدي در سيستمهاي مديريت باتري، نقش مهمي در افزايش بازده، بهبود ايمني، جلوگيري از شارژ و دشارژ بيش از حد، و افزايش طول عمر بستههاي باتري ايفا ميكند. با اين حال، تخمين اين پارامترها در سطح بسته باتري، به دليل وجود ناسازگاري ميان سلها، تفاوتهاي حرارتي، تغييرات ناشي از پيرشدگي و ساختارهاي پيچيده سري–موازي، همچنان يكي از چالشهاي اصلي اين حوزه محسوب ميشود. در اين پژوهش، رويكردي دادهمحور و مبتني بر يادگيري ماشين براي تخمين وضعيت شارژ و وضعيت سلامت بستههاي باتري ليتيوميون با آرايش سري–موازي ارائه شده است. به منظور فراهمسازي دادههاي موردنياز پژوهش، ابتدا يك سامانه آزمايش و جمعآوري داده براي بسته باتري طراحي و پيادهسازي شد. اين بستر آزمايشگاهي امكان ثبت دادههايي نظير ولتاژ ترمينال سلها، جريان بسته و دماي سطح سلها را در طول چرخههاي متعدد شارژ و دشارژ فراهم ميكند. همچنين به منظور تحليل رفتار حرارتي سلها، تغييرات دماي هسته و سطح برخي سلها در شرايط عملياتي مورد بررسي قرار گرفت. در ادامه، مدلي مبتني بر روش رگرسيون بردار پشتيبان براي تخمين دماي هسته سلها بر اساس دماي سطح توسعه داده شد. دماي هسته تخمينزدهشده به عنوان يكي از وروديهاي كليدي در الگوريتمهاي تخمين وضعيت شارژ و وضعيت سلامت مورد استفاده قرار گرفت. نتايج نشان داد كه اضافه شدن اطلاعات مرتبط با دماي هسته، موجب بهبود دقت تخمين وضعيت شارژ نسبت به استفاده صرف از دادههاي سطحي ميشود. براي تخمين وضعيت شارژ در سطح بسته باتري، روشي مبتني بر انتخاب سلهاي نماينده پيشنهاد شده است. در اين روش، با تعريف معياري براي ارزيابي شباهت عملكرد سلها، از هر شاخه موازي تنها يك سل به عنوان سل نماينده انتخاب ميشود و فرآيند تخمين صرفاً بر اساس دادههاي اين سلهاي منتخب انجام ميگيرد. بدين ترتيب، ضمن كاهش تعداد حسگرهاي موردنياز و پيچيدگي محاسباتي، دقت مناسبي در تخمين وضعيت شارژ بسته حاصل ميشود. سپس يك الگوريتم مبتني بر شبكههاي عصبي عميق براي تخمين وضعيت شارژ توسعه داده شد و عملكرد معماريهاي مختلف از نظر دقت و پيچيدگي مورد مقايسه قرار گرفت. نتايج ارزيابي نشان داد كه استفاده از ويژگيهاي مشتقشده از اندازهگيريها و همچنين انتخاب هوشمند سلهاي نماينده، موجب بهبود عملكرد الگوريتم در شرايط مختلف كاري و حتي در حضور نويز اندازهگيري ميشود. در بخش پاياني پژوهش، روشي مبتني بر يادگيري انتقالي براي تخمين وضعيت سلامت بسته باتري ارائه شده است. در اين چارچوب، ابتدا يك مدل مبتني بر شبكههاي بازگشتي با استفاده از دادههاي گسترده حاصل از ديتاستهاي معتبر تكسل پيشآموزش داده شد تا ويژگيهاي عمومي رفتار تخريب باتري را فراگيرد. سپس، با استفاده از دادههاي محدود مربوط به سلهاي نماينده در بسته هدف، بخشي از پارامترهاي مدل ريزتنظيم شد تا تخمين دقيقي از وضعيت سلامت بسته فراهم گردد. نتايج نشان داد كه رويكرد پيشنهادي، بدون نياز به دادههاي بلندمدت و حجيم در سطح بسته، قادر به ارائه تخمين دقيق و پايدار از وضعيت سلامت باتري است. چارچوب ارائهشده در اين پژوهش ميتواند مبنايي مؤثر براي توسعه سامانههاي هوشمند مديريت باتري در كاربردهاي صنعتي و ذخيرهسازي انرژي باشد.
چكيده انگليسي
In recent years, battery-based energy storage systems have become increasingly important in applications such as electric vehicles, microgrids, and renewable energy storage systems. The safe, stable, and reliable operation of these systems strongly depends on accurate monitoring and management of battery conditions. In particular, accurate estimation of the state of charge and state of health is essential for improving efficiency, enhancing safety, preventing overcharge and over discharge, and extending the lifetime of battery packs. However, reliable estimation of these parameters at the pack level remains a significant challenge due to cell inconsistencies, thermal variations, aging effects, and the complexity of series–parallel battery configurations. This dissertation proposes a data-driven framework based on machine learning techniques for estimating the state of charge and state of health of lithium-ion battery packs with series–parallel structures. To provide the required experimental data, a battery testing and data acquisition platform was designed and implemented. The developed setup enables the recording of parameters such as cell terminal voltage, pack current, and cell surface temperature during repeated charge and discharge cycles. In addition, the thermal behavior of the cells was investigated through the analysis of both surface and core temperature variations under different operating conditions. Subsequently, a supervised machine learning model was developed to estimate the core temperature of battery cells using measured surface temperature data. The estimated core temperature was then incorporated as one of the key inputs to the proposed algorithms for both state of charge and state of health estimation. The results demonstrated that incorporating core temperature information improves estimation accuracy compared with approaches that rely solely on surface temperature measurements. For battery pack state of charge estimation, a representative-cell-based strategy was proposed. In this approach, a criterion was defined to evaluate the similarity among cells, and one representative cell from each parallel branch was selected for the estimation process. As a result, the proposed estimation algorithm relies only on measurements obtained from the selected representative cells. This strategy significantly reduces the number of required sensors and computational complexity while preserving satisfactory estimation accuracy at the pack level. A deep neural network-based model was then developed for state of charge estimation, and different network architectures were evaluated in terms of estimation accuracy and computational complexity. The results showed that combining derived features with the representative cell selection strategy improves the robustness and performance of the algorithm under various operating conditions, including noisy measurement environments. Finally, a transfer learning-based framework was proposed for estimating the state of health of battery packs. In this framework, a recurrent neural network model was first pretrained using large-scale datasets obtained from well-known single-cell battery datasets to learn the general degradation behavior of lithium-ion batteries. The pretrained model was subsequently fine-tuned using limited data collected from the representative cells of the target battery pack. The proposed framework enables accurate and stable state of health estimation without requiring extensive long-term aging data from battery packs. The results indicate that the proposed approach provides an effective foundation for the development of intelligent battery management systems in advanced energy storage applications.
استاد راهنما
جعفر قيصري
استاد مشاور
عليرضا بخشايي
استاد داور
ايمان ايزدي , احمدرضا تابش , حميد خالوزاده