고체산화물 연료전지(SOFC) 세라믹 전해질 $\text{O}^{2-}$ 호핑 전도 & 1,000Hz 0-Alloc C# 삼상계면(TPB) 온라인 EIS 및 스택 열응력 파괴 방지 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Numerics;

namespace ZeliDesk.Stem.SolidOxide
{
    /// 

    /// 1,000Hz SOFC 온라인 EIS 임피던스 추종 및 세라믹 스택 열응력 방지 서보 제어기
    /// GC 무할당 스택 메모리 0-Alloc 구현체
    /// 
    public ref struct SofcThermalStressServo
    {
        // 물리 및 재료 상수
        private const float NominalStackTempC = 750.0f;
        private const float MaxThermalGradientCPerCm = 8.0f; // 세라믹 안전 임계 온도구배
        private const float YszFractureToughnessMpa = 2.8f;
        private const float MaxAirFlowSpm = 100.0f;          // 냉각 겸용 공기 유량

        // 서보 제어 상태
        public float StackAverageTempC;
        public float MaxThermalGradientObserved;
        public float RealOhmicResistanceOhm;
        public float EstimatedThermalStressMpa;
        public float CommandedAirFlowSpm;
        public float CommandedFuelFlowSpm;
        public bool IsThermalCrackingWarning;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            StackAverageTempC = NominalStackTempC;
            MaxThermalGradientObserved = 2.0f;
            RealOhmicResistanceOhm = 0.045f;
            EstimatedThermalStressMpa = 12.0f;
            CommandedAirFlowSpm = 45.0f;
            CommandedFuelFlowSpm = 15.0f;
            IsThermalCrackingWarning = false;
        }

        /// 

        /// 1ms 제어 주기: 다채널 스택 온도 센서 및 AC 리플 전압으로부터 열응력 역산 및 냉각 유량 제어
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void StepSofcControl(
            ReadOnlySpan thermocoupleArrayC, 
            float acRippleInPhaseVolt, 
            float acRippleQuadVolt, 
            float currentAmps,
            out float airValveFlowCmdSpm, 
            out float fuelValveFlowCmdSpm, 
            out float currentCellVoltageV)
        {
            // 1. 스택 온도 분포 및 최대 공간 온도 구배 산출 (Zero-Alloc 스택 연산)
            float sumTemp = 0.0f;
            float minTemp = 9999.0f;
            float maxTemp = -9999.0f;
            int sensorCount = thermocoupleArrayC.Length;

            for (int i = 0; i < sensorCount; i++)
            {
                float t = thermocoupleArrayC[i];
                sumTemp += t;
                if (t < minTemp) minTemp = t;
                if (t > maxTemp) maxTemp = t;
            }

            StackAverageTempC = sumTemp / Math.Max(1, sensorCount);
            
            // 전극 길이(20cm) 기준 공간 구배 (C/cm)
            MaxThermalGradientObserved = (maxTemp - minTemp) / 20.0f;

            // 2. 고주파 AC 섭동으로부터 실수 임피던스(옴 저항) 추출 (R = V_in / I)
            const float AcCurrentPerturbationAmp = 0.5f;
            RealOhmicResistanceOhm = acRippleInPhaseVolt / AcCurrentPerturbationAmp;

            // 3. 열응력 모델: sigma_th = E * alpha * Delta_T / (1 - nu)
            // YSZ 영률 200 GPa, 열팽창계수 10.5e-6 /K, 포아송비 0.31
            const float StressConversionFactor = 3.04f; // MPa per C
            EstimatedThermalStressMpa = (maxTemp - minTemp) * StressConversionFactor * 0.15f;

            // 균열 경보 감시
            IsThermalCrackingWarning = MaxThermalGradientObserved > MaxThermalGradientCPerCm || EstimatedThermalStressMpa > 35.0f;

            // 4. 1,000Hz 능동 공기/수소 유량 피드포워드 제어 (공기 냉각을 통한 핫스팟 억제)
            if (IsThermalCrackingWarning)
            {
                // 열응력 완화를 위해 과잉 공기 유량 급증 (열 탈취)
                CommandedAirFlowSpm = MathF.Min(MaxAirFlowSpm, CommandedAirFlowSpm + 0.2f);
                // 연료는 국소 반응 발열 완화를 위해 미세 축소
                CommandedFuelFlowSpm = MathF.Max(8.0f, CommandedFuelFlowSpm - 0.05f);
            }
            else
            {
                // 정상 작동 온도 수렴
                float tempError = StackAverageTempC - NominalStackTempC;
                CommandedAirFlowSpm = MathF.Max(20.0f, MathF.Min(80.0f, 45.0f + tempError * 0.3f));
                CommandedFuelFlowSpm = MathF.Max(10.0f, currentAmps * 0.25f);
            }

            // 전지 단자 전압 근사치
            currentCellVoltageV = 1.10f - currentAmps * RealOhmicResistanceOhm - 0.12f;

            airValveFlowCmdSpm = CommandedAirFlowSpm;
            fuelValveFlowCmdSpm = CommandedFuelFlowSpm;
        }
    }
}