https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/21188| Fichero | Descripción | Tamaño | Formato | |
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| viniciusathouguiagama.pdf | PDF/A | 6.62 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
| Clase: | Dissertação |
| Título : | Improving state-of-health prediction of li-ion batteries: a hybrid semi-empirical gaussian process regression approach |
| Autor(es): | Gama, Vinicius Athouguia |
| Orientador: | Oliveira, Janaína Gonçalves de |
| Co-orientador: | Oliveira, Leonardo Willer de |
| Miembros Examinadores: | Passos Filho, João Alberto |
| Miembros Examinadores: | Barros, Rodrigo Cassio de |
| Resumo: | A modelagem precisa da degradação de baterias é um pré-requisito para a operação economicamente viável de Sistemas de Armazenamento de Energia em Baterias (BESS - Battery Energy Storage Systems). No entanto, as abordagens existentes frequentemente enfrentam um compromisso entre a robustez extrapolativa das equações semi-empíricas e a flexibilidade dos métodos baseados em dados. Este trabalho propõe uma estrutura de Regressão de Processo Gaussiano (GPR - Gaussian Process Regression) Híbrida Exponencial guiada pela física para prever a perda de capacidade de células de íons de lítio Samsung INR21700-50E. Aproveitando um conjunto de dados abrangente que engloba 71 condições distintas de envelhecimento, três estratégias de modelagem são avaliadas: um Modelo Semi-Empírico de referência (baseline), um modelo GPR Híbrido e um modelo GPR Híbrido Exponencial. Os resultados revelam que o envelhecimento calendário exibe flutuações complexas e não monotônicas com o Estado de Carga (SoC - State of Charge) que os modelos semi-empíricos tradicionais falham em capturar. Embora os métodos padrão baseados em dados resolvam essa não linearidade local, eles são propensos a inconsistências físicas, como a previsão de recuperação de capacidade em regiões não treinadas. O GPR Híbrido Exponencial proposto supera essas limitações empregando uma arquitetura de kernel composto — combinando os kernels Dot-Product e Matérn — para impor consistência física ao mesmo tempo em que retém a flexibilidade dos métodos baseados em dados. O modelo confirma estatisticamente o impacto insignificante da taxa de carga/descarga (C-rate) para a química desta célula e demonstra uma capacidade de generalização superior, reduzindo a Raiz do Erro Quadrático Médio Normalizado (nRMSE) global de 14,78% (baseline) para 2,45%. Essas descobertas ressaltam o potencial do aprendizado de máquina guiado pela física para a previsão confiável da vida útil em espaços operacionais esparsos e multidimensionais. |
| Resumen : | Accurate battery degradation modeling is a prerequisite for the cost-effective operation of Battery Energy Storage Systems (BESS). However, existing approaches often face a tradeoff between the extrapolative robustness of semi-empirical equations and the flexibility of data-driven methods. This paper proposes a physics-guided Hybrid Exponential-Gaussian Process Regression (GPR) framework to predict the capacity fade of Samsung INR21700- 50E lithium-ion cells. Leveraging a comprehensive dataset encompassing 71 distinct aging conditions, three modeling strategies are evaluated: a baseline Semi-Empirical Model, a Hybrid GPR, and Hybrid Exponential-GPR model. The results reveal that calendar aging exhibits complex, non-monotonic fluctuations with State of Charge (SoC) that traditional semi-empirical models fail to capture. While standard data-driven methods resolve this local nonlinearity, they are prone to physical inconsistencies, such as predicting capacity recovery in untrained regions. The proposed Hybrid Exponential-GPR overcomes these limitations by employing a composite kernel architecture—combining Dot-Product and Matérn kernels—to enforce physical consistency while retaining data-driven flexibility. The model statistically confirms the negligible impact of C-rate for this cell chemistry and demonstrates superior generalization capability, reducing the global Normalized Root Mean Square Error (nRMSE) from 14.78% (baseline) to 2.45%. These findings underscore the potential of physics-guided machine learning for reliable lifetime prediction in sparse, multi-dimensional operational spaces. |
| Palabras clave : | Bateria de íons de lítio Sistemas de armazenamento de energia em baterias Operação ciente do envelhecimento Modelagem de degradação Regressão de processo gaussiano Aprendizado de máquina Modelo semi-empírico Lithium-ion battery Battery energy storage systems Aging-aware operation Degradation modeling Gaussian process regression Machine learning Semi-empirical model |
| CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
| Idioma: | eng |
| País: | Brasil |
| Editorial : | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) |
| Sigla de la Instituición: | UFJF |
| Departamento: | Faculdade de Engenharia |
| Programa: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica |
| Clase de Acesso: | Acesso Aberto Attribution 3.0 Brazil |
| Licenças Creative Commons: | http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/ |
| URI : | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/21188 |
| Fecha de publicación : | 29-abr-2026 |
| Aparece en las colecciones: | Mestrado em Engenharia Elétrica (Dissertações) |
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