고체 산화물 연료전지(SOFC) 삼상계면(TPB) 이온 수송 & 1,000Hz 0-Alloc C# 전기화학 임피던스 열화 진단 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Energy.Sofc
{
    /// 

    /// SOFC 센서 계측 및 고주파 EIS 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// 
    public readonly ref struct SofcTelemetry
    {
        public readonly float OperatingTempKelvin; // [K] 스택 작동 온도 (예: 1023 K = 750 C)
        public readonly float CellVoltageVolts;    // [V] 단일 셀 전압 (예: 0.75 V)
        public readonly float CurrentDensityAmpCm2;// [A/cm^2] 출력 전류 밀도 (예: 0.6 A/cm^2)
        public readonly float EisRealOhmCm2;       // [Ohm*cm^2] 1kHz 임피던스 실수부
        public readonly float EisImagOhmCm2;       // [Ohm*cm^2] 1kHz 임피던스 허수부
        public readonly float HydrogenPressureBar; // [bar] 수소 공급 분압
        public readonly float OxygenPressureBar;   // [bar] 산소 공급 분압

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SofcTelemetry(
            float operatingTempKelvin,
            float cellVoltageVolts,
            float currentDensityAmpCm2,
            float eisRealOhmCm2,
            float eisImagOhmCm2,
            float hydrogenPressureBar,
            float oxygenPressureBar)
        {
            OperatingTempKelvin = operatingTempKelvin;
            CellVoltageVolts = cellVoltageVolts;
            CurrentDensityAmpCm2 = currentDensityAmpCm2;
            EisRealOhmCm2 = eisRealOhmCm2;
            EisImagOhmCm2 = eisImagOhmCm2;
            HydrogenPressureBar = hydrogenPressureBar;
            OxygenPressureBar = oxygenPressureBar;
        }
    }

    /// 

    /// SOFC 전기화학 열화 상태 및 밸브 제어 연산 결과
    /// 
    public readonly ref struct SofcControlResult
    {
        public readonly float CommandedFuelFlowPwm;    // [0.0~1.0] 수소 연료 공급 밸브 PWM
        public readonly float CommandedAirBlowerPwm;   // [0.0~1.0] 캐소드 공기 블로워 PWM
        public readonly float EstimatedTpbHealthRatio; // [0.0~1.0] TPB 삼상계면 건전도 (SOH)
        public readonly float ActivationOverpotential; // [V] 전하 이동 활성화 과전압
        public readonly float OhmicResistanceOhmCm2;   // [Ohm*cm^2] 순수 옴 저항
        public readonly bool IsCokingRiskDetected;     // 탄소 침적 위험 감지 플래그
        public readonly bool IsStackOperatingNormal;   // 스택 정상 운전 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SofcControlResult(
            float commandedFuelFlowPwm,
            float commandedAirBlowerPwm,
            float estimatedTpbHealthRatio,
            float activationOverpotential,
            float ohmicResistanceOhmCm2,
            bool isCokingRiskDetected,
            bool isStackOperatingNormal)
        {
            CommandedFuelFlowPwm = commandedFuelFlowPwm;
            CommandedAirBlowerPwm = commandedAirBlowerPwm;
            EstimatedTpbHealthRatio = estimatedTpbHealthRatio;
            ActivationOverpotential = activationOverpotential;
            OhmicResistanceOhmCm2 = ohmicResistanceOhmCm2;
            IsCokingRiskDetected = isCokingRiskDetected;
            IsStackOperatingNormal = isStackOperatingNormal;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 실시간 SOFC 삼상계면 전기화학 임피던스 열화 진단 서보 엔진
    /// 
    public ref struct SofcElectrochemicalEngine
    {
        private const float FaradayConst = 96485.332f; // [C/mol]
        private const float GasConstR = 8.3144626f;     // [J/(mol*K)]
        private const float BaseTpbLengthM = 1.0e5f;    // [m/m^3] 초기 정상 삼상계면 길이

        /// 

        /// 1ms 주기 전기화학 파라미터 분해 및 유량 PWM 제어 루프
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SofcControlResult Update(in SofcTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 네른스트 기전력 계산 E_nernst = E0 - (RT/2F)*ln(P_H2O / (P_H2 * P_O2^0.5))
            float temp = telemetry.OperatingTempKelvin;
            float e0 = 1.258f - (0.000246f * temp); // 온도별 표준 전위
            float nernstPotential = e0 + ((GasConstR * temp) / (4.0f * FaradayConst)) *
                MathF.Log(telemetry.OxygenPressureBar * telemetry.HydrogenPressureBar * telemetry.HydrogenPressureBar);

            // 2. EIS 고주파 저항으로부터 순수 오믹 저항 R_ohm 분리
            float rOhm = MathF.Max(0.05f, telemetry.EisRealOhmCm2);

            // 3. 총 과전압 eta_total = E_nernst - V_cell
            float totalOverpotential = nernstPotential - telemetry.CellVoltageVolts;
            float ohmicDrop = telemetry.CurrentDensityAmpCm2 * rOhm;
            float actConcentrationOverpotential = MathF.Max(0.0f, totalOverpotential - ohmicDrop);

            // 4. TPB 열화 지수 추정 (전하 이동 저항 R_ct 역산)
            // R_ct = |Z_imag| / sin(phi) 또는 실수부 폭으로부터 역산
            float rCt = MathF.Max(0.05f, MathF.Abs(telemetry.EisImagOhmCm2) * 1.8f);
            
            // 초기 정상 대비 TPB 길이 건전도 비율 (R_ct가 커질수록 TPB 수축)
            float tpbHealth = Math.Clamp(0.1f / rCt, 0.05f, 1.0f);

            // 5. 제어 밸브 PWM 명령 산출
            // 과전압이 과도하면 연료 농도 과전압 및 탄소 침적 방지를 위해 수소 공급 증가
            float targetFuelPwm = 0.5f + (actConcentrationOverpotential * 0.8f);
            targetFuelPwm = Math.Clamp(targetFuelPwm, 0.2f, 1.0f);

            // 온도 유지를 위한 공기 블로워 속도 (공기 과잉률 lambda = 2.5 유지)
            float targetAirPwm = Math.Clamp(telemetry.CurrentDensityAmpCm2 * 0.9f, 0.25f, 1.0f);

            bool cokingRisk = (telemetry.HydrogenPressureBar < 0.3f) && (telemetry.CurrentDensityAmpCm2 > 0.8f);
            bool isNormal = (telemetry.CellVoltageVolts >= 0.65f) && (tpbHealth > 0.4f);

            return new SofcControlResult(
                commandedFuelFlowPwm: targetFuelPwm,
                commandedAirBlowerPwm: targetAirPwm,
                estimatedTpbHealthRatio: tpbHealth,
                activationOverpotential: actConcentrationOverpotential,
                ohmicResistanceOhmCm2: rOhm,
                isCokingRiskDetected: cokingRisk,
                isStackOperatingNormal: isNormal
            );
        }
    }
}