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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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