A novel hybrid model to describe hysteresis in Li-Ion batteries of electric vehicles

दुनिया भर में सड़कों पर इलेक्ट्रिक वाहन एक परिचित दृश्य बन गए हैं, जो पारंपरिक गैसोलीन इंजनों के कारण होने वाले वायु प्रदूषण को कम करने के वैश्विक प्रयास से प्रेरित हैं। हर इलेक्ट्रिक कार के केंद्र में एक बैटरी होती है, जो एक जटिल रासायनिक प्रणाली है जो ऊर्जा को संग्रहीत करती है और वाहन को चलाने के लिए उसे मुक्त करती है। उपलब्ध विभिन्न प्रकारों में, लिथियम-आयन बैटरियां मानक विकल्प हैं क्योंकि वे कुशल, टिकाऊ और रिचार्ज करने में आसान हैं। हालांकि, ये बैटरियां ऊर्जा के पूर्ण पात्र नहीं हैं; इनमें 'हिस्टेरेसिस' (hysteresis) नामक एक सूक्ष्म लेकिन महत्वपूर्ण दोष होता है। यह घटना तब होती है जब बैटरी का वोल्टेज—वह विद्युत दबाव जो सर्किट के माध्यम से करंट को धकेलता है—बैटरी को चार्ज करते समय उसी पथ का अनुसरण नहीं करता है जैसा कि डिस्चार्ज करते समय करता है। संग्रहीत ऊर्जा की एक विशिष्ट मात्रा के लिए, डिस्चार्जिंग के दौरान की तुलना में चार्जिंग के दौरान वोल्टेज थोड़ा अधिक होता है। यह विसंगति डेटा में एक लूप (loop) बना देती है, जिससे यह जानना कठिन हो जाता है कि किसी भी क्षण बैटरी में कितनी ऊर्जा शेष है।

शेष ऊर्जा को सटीक रूप से ट्रैक करना, जिसे 'स्टेट ऑफ चार्ज' (state of charge) कहा जाता है, एक इलेक्ट्रिक वाहन की सुरक्षा और दीर्घायु के लिए महत्वपूर्ण है। यदि कार का कंप्यूटर सटीक रूप से यह निर्धारित नहीं कर पाता कि बैटरी कितनी भरी हुई है, तो यह अचानक बिजली काट सकता है या, इससे भी बुरा, बैटरी को ओवरचार्ज होने दे सकता है, जिससे नुकसान या आग लग सकती है। इसे हल करने के लिए, इंजीनियर बैटरी प्रबंधन प्रणालियों (battery management systems) पर भरोसा करते हैं जो बैटरी के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए गणितीय मॉडलों का उपयोग करते हैं। फिर भी, मौजूदा मॉडल अक्सर लिथियम-आयन बैटरियों में हिस्टेरेसिस लूप के विशिष्ट आकार के साथ संघर्ष करते हैं। ये लूप सममित (symmetrical) नहीं होते; वे असंतुलित और जटिल होते हैं, जो उन सरल, संतुलित आकृतियों को चुनौती देते हैं जिन्हें कई पारंपरिक समीकरणों को वर्णित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस जटिलता ने एक ऐसा मॉडल बनाना कठिन बना दिया है जो उपयोग के लिए पर्याप्त सटीक और कार के कंप्यूटर पर तेजी से चलने के लिए पर्याप्त सरल हो।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं %#खोगेश के. राठौर और सौरभ बिस्वास ने दो अलग-अलग गणितीय दृष्टिकोणों को एक एकल, हाइब्रिड मॉडल में संयोजित करके इस समस्या से निपटने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया। बैटरी के व्यवहार को एक कठोर आकार में जबरदस्ती फिट करने के बजाय, उन्होंने एक यांत्रिक प्रणालियों के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रसिद्ध मॉडल को विषमता (asymmetry) को संभालने के लिए डिज़ाइन किए गए एक नए मॉडल के साथ मिला दिया। उनके संयोजन का पहला भाग, 'बोक-वेन' (Bouc-Wen) मॉडल है, जो मूल रूप से यह वर्णन करने के लिए विकसित किया गया था कि सामग्रियां तनाव के तहत कैसे विकृत होती हैं और पुनः प्राप्त होती हैं, जैसे कि धातु का मुड़ना। दूसरा भाग एक विशेष मॉडल है जो हिस्टेरेसिस लूप की असमान प्रकृति को ध्यान में रखता है, विशेष रूप से उस तरीके को जिससे वक्र (curve) इस आधार पर अलग-अलग सिकुड़ता और शिफ्ट होता है कि बैटरी शक्ति प्राप्त कर रही है या खो रही है। इन दोनों मॉडलों के आउटपुट को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक नया ढांचा तैयार किया जो वास्तविक बैटरियों में देखे जाने वाले अद्वितीय, विषम लूपों की नकल कर सकता था।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह नया दृष्टिकोण काम करता है, टीम ने लिथियम-आयन बैटरियों पर पिछले अध्ययनों से एकत्र किए गए चार अलग-अलग प्रायोगिक डेटा सेटों पर इसे लागू किया। ये डेटा सेट वास्तविक दुनिया के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग चक्रों का प्रतिनिधित्व करते थे। मॉडल की सेटिंग्स को समायोजित करने के लिए एक मानक कंप्यूटर पद्धति का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने हाइब्रिड सिस्टम को तब तक बारीकी से ट्यून किया जब तक कि इसकी भविष्यवाणियां प्रायोगिक डेटा से यथासंभव मेल न खाएं। परिणाम आश्चर्यजनक थे। नया मॉडल उच्च सटीकता के साथ सभी चार परीक्षण मामलों के जटिल, असममित लूप को ट्रेस करने में सक्षम था। फिटिंग में अधिकतम प्रतिशत त्रुटि क्रमशः 2.7%, 1.2%, 3.9%, और 0.9% दर्ज की गई। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने प्रत्येक परीक्षण के लिए नौ आंतरिक मापदंडों (parameters) के बिल्कुल समान सेट का उपयोग करके यह सटीकता प्राप्त की, जिससे यह सिद्ध हुआ कि मॉडल मजबूत था और केवल एक विशिष्ट बैटरी के लिए भाग्यशाली फिट नहीं था।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि यह हाइब्रिड दृष्टिकोण एक निरंतर इंजीनियरिंग चुनौती के लिए एक व्यावहारिक समाधान प्रदान करता है। कई मौजूदा मॉडलों के विपरीत जो या तो वास्तविक समय में चलने के लिए बहुत जटिल हैं या बैटरी के वास्तविक व्यवहार को पकड़ने के लिए बहुत सरल हैं, यह नया तरीका एक संतुलन बनाता है। यह गणनात्मक रूप से सरल है, जिसका अर्थ है कि इसे बहुत कम प्रोसेसिंग पावर की आवश्यकता है, फिर भी यह हिस्टेरेसिस लूप की प्रमुख विशेषताओं, जिसमें इसकी विषमता भी शामिल है, को कैप्चर करता है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि जबकि उनका मॉडल मुख्य चार्जिंग और डिस्चार्जिंग चक्रों का सफलतापूर्वक वर्णन करता है, भविष्य के कार्यों में अधिक जटिल परिदृश्यों, जैसे कि आंशिक चार्जिंग के लिए इसे परिष्कृत करने की आवश्यकता होगी जहाँ बैटरी पूरी तरह खाली होने से पहले ही टॉप-अप कर दी जाती है। फिलहाल, हालांकि, यह कार्य एक स्पष्ट, विश्वसनीय उपकरण प्रदान करता है जो इंजीनियरों को बेहतर बैटरी प्रबंधन प्रणाली बनाने में मदद कर सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि इलेक्ट्रिक वाहन सुरक्षित, कुशल और चलने के लिए तैयार रहें।