הערכת השפעת שיטות הערכת מתח במעגל פתוח על ביצועי UKF בהערכת SOC ו‑SOH לסוללות ליתיום‑יון

למה מדדי סוללה טובים יותר חשובים

כל מי שנוהג ברכב חשמלי, משתמש בסמארטפון או מסתמך על איחסון אנרגיה ביתי סומך על מספר קטן על המסך: כמה סוללה נשארה וכמה הסוללה התבלה. מאחורי התצוגה הפשוטה הזאת עומד בעיית הערכה מורכבת. מאמר זה בוחן חלק מרכזי בפאזל — כיצד אנחנו ממפים את הקשר בין מתחים במנוחה של הסוללה לבין רמת המטען — ומראה שבחירה בשיטה הנכונה יכולה להפוך את "מד הסוללה" המשולב למהיר יותר, מדויק יותר וטוב יותר במעקב אחר הבריאות לטווח ארוך.

שתי דרכים "להקשיב" לסוללה

כדי להעריך עד כמה סוללה ליתיום‑יון מלאה, מהנדסים מסתמכים על עקומה שמקשרת בין מתח במעגל פתוח (המתח לאחר מנוחה) לבין מצב המטען (SOC). המחברים בוחנים שתי שיטות נפוצות לבניית העקומה הזו. שיטת הזרם הנמוך (LC) טוענת ומתפרקת את התא בזרם קטן מאוד כך שהמתח הנמדד קרוב לערך המנוחה. ההליך פשוט אך נוטה להחליק שינויים חדים בעקומה. שיטת הזרם האינקרמנטלי (IC), לעומת זאת, משתמשת בפולסים קצרים של זרם ברמות מטען רבות, מופרדות על ידי תקופות מנוחה. זה דורש ניסוי נוסף אך תופס פרטים עדינים היכן שהמתח משתנה במהירות עם המטען — וזה מהותי להערכת דיוק גבוהה.

חיבור עקומות למעריכים חכמים

מערכות ניהול סוללות מודרניות משתמשות יותר ויותר באלגוריתמי הערכה מתקדמים, כגון מסנן קלמן בלתי ליניארי מסוג Unscented (UKF), כדי להסיק בזמן אמת כמויות חבויות כמו SOC ומצב בריאות (SOH). המחברים משלבים אלגוריתמים אלה עם מודל חשמלי פשוט אך נפוץ של התא: מקור מתח התלוי ב‑SOC, התנגדות סדרתית ראשית, וסניף נגד‑קבל/נגד־התנגדות שתופס השפעות מעבריות. למודל זה הם מכניסים עקומות מתח‑מטען המבוססות על LC או על IC ואז בודקים עד כמה כל גרסה מאפשרת ל‑UKF לעקוב אחרי ה‑SOC והתנגדות הסדרה R0, שבה הם משתמשים כאינדיקטור מעשי להזדקנות.

בדיקה בתנאי נהיגה אמיתיים

במקום להסתמך רק על מחזורי מעבדה מתונים, המחקר מעמיס על המודל פרופיל נהיגה דינמי מאוד בדומה לרכב הידוע כ‑FUDS. הזרם מתחלף במהירות בין טעינה, פריקה ומשט, בדומה לתנועה עירונית. באמצעות מערכי נתונים ציבוריים של נאס"א ומאגר CALCE, החוקרים מראים תחילה שקיבולת הסוללה וההתנגדות הפנימית משתנים יחד על פני מחזורים רבים, תומכים ברעיון ש‑R0 הוא סימן בריאות שימושי. לאחר מכן הם מריצים את ה‑UKF עם שתי עקומות המתח‑מטען, ומשווים את הערכות ה‑SOC שלו, את המתח הצפוי בקצוות ואת המעקב אחרי R0 מול מודל ייחוס מפורט, באמצעות מדדי שגיאה סטנדרטיים לאורך כל הנסיעה.

הערכות מהירות ונקיות יותר עם פרטים עדינים יותר

התוצאות מצדדות בבירור בשיטת ה‑IC המפורטת יותר. כאשר ה‑UKF מתחיל עם אי־ודאות אקראית, העקומה מבוססת‑IC מניבה טעויות ממוצעות נמוכות יותר ב‑SOC ושחזור טוב יותר של מתח הסוללה, תוך שמירה על עומס חישובי זהה לזה של הגרסה מבוססת‑LC. כשהמחברים נותנים למסנן בכוונה טעות התחלתית גדולה ב‑SOC — מתחילים אותו ב‑65% בעוד שהסוללה בפועל ב‑80% — הניגוד בולט: עם עקומת ה‑IC, ההערכה חוזרת לערך הנכון בתוך פחות מעשרה צעדי זמן; עם עקומת ה‑LC, זה לוקח יותר מ‑200. התנהלות זו נובעת מרעיון פשוט: במקום שבו לעקומת מתח‑מטען השיפוע חד יותר, סטיות קטנות במתח מכילות יותר מידע, ולכן המסנן יכול לתקן את ה‑SOC בצורה החלטית יותר.

קריאת הזדקנות סוללה בזמן אמת

להערכת הבריאות, ה‑UKF משחזר ברצף את ההתנגדות הפנימית R0 מהזרם והמתח הנמדדים. המחברים מיישמים על אות זה ממוצע נע ובוחנים את המגמה לטווח הארוך. עם העקומה מבוססת‑LC, ההתנגדות המוערכת קופצת ומתנדנד, במיוחד תחת שינויים מהירים בזרם, למרות שהתנגדות פיזית אמיתית אינה יכולה להשתנות כל כך מהר. רעש נומרי כזה עשוי להפעיל אזעקות שווא במערכת ניהול סוללה אמיתית. עם העקומה מבוססת‑IC, R0 מתפתח בצורה חלקה יותר ובמגמה עולה ריאליסטית ועדינה, ומספק תמונה נקייה של הזדקנות הדרגתית מבלי לוותר על תגובתיות לשינויים אמיתיים.

מה זה אומר עבור סוללות יום‑יומיות

במילים פשוטות, המחקר מראה שמפת מתח‑מטען עשירה יותר במידע עושה את "המוח" של מערכת ניהול הסוללה לחכם יותר. שימוש בעקומת זרם‑אינקרמנטלית מאפשר ל‑UKF למצוא במהירות את רמת המטען האמיתית, להתעלם מניחושים התחלתיים רעים ולעקוב אחרי ההתנגדות הפנימית בצורה יציבה תחת פרופילי נהיגה אמיתיים. מאחר שהמאמץ הנוסף טמון בעיקר באפיון חד־פעמי במעבדה ולא בחישוב על‑גבי‑המכשיר, יצרנים יכולים לאמץ את גישת ה‑IC בלי להוסיף מורכבות לאלקטרוניקה של הסוללה. התוצאה היא הערכות טווח אמינות יותר, פעולה בטוחה יותר ואזהרה מוקדמת טובה יותר להזדקנות הסוללה ברכבים חשמליים ובהתקני אחסון אנרגיה אחרים.

ציטוט: Mikhak-Beyranvand, M., Salehi, M. & Mohammadkhani, M.A. Assessing the impact of open-circuit voltage estimation methods on UKF performance for lithium-ion battery SOC and SOH estimation. Sci Rep 16, 7605 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38846-4

מילות מפתח: סוללות ליתיום‑יון, הערכת מצב מטען, ניטור בריאות הסוללה, מסנן קלמן, סוללות לרכב חשמלי