Algoritmo para Estimativa do Tempo de Descarga de Baterias de Chumbo-Ácido Aplicado a Fontes Ininterruptas de Energia

Authors

  • Pedro Cerutti Bolsi Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria – RS, Brasil
  • Edemar de Oliveira Prado Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria – RS, Brasil
  • Romario de Jesus Nazaré Universidade Federal da Bahia (UFBA), Salvador – BA, Brasil
  • Antonio Cezar de Castro Lima Universidade Federal da Bahia (UFBA), Salvador – BA, Brasil
  • Hamiltom Confortin Sartori Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria – RS, Brasil
  • José Renes Pinheiro Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria – RS, Brasil

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2022.4.0034

Keywords:

Algoritmo, Baterias de chumbo-ácido, Fonte Ininterrupta de Energia, Predição do tempo de descarga

Abstract

Este trabalho apresenta um algoritmo para estimativa do tempo de descarga de baterias de chumbo ácido reguladas por válvula aplicados a fontes ininterruptas de energia. É empregado um modelo de circuito simples combinado ao aprendizado da característica de descarga (tensão e corrente) medida na bateria. O funcionamento do algoritmo é baseado na predição da tensão nos terminais da bateria através de regressões de curva sucessivas, realizadas por um algoritmo levenberg-marquardt. Em função da estratégia usada de ajustes contínuos da predição em tempo real, o algoritmo possui alta adaptabilidade, sendo resistente à variações de temperatura e ondulações na corrente de descarga. Os resultados experimentais demonstram a acurácia obtida com o algoritmo.

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Author Biographies

Pedro Cerutti Bolsi, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria – RS, Brasil

natural de Frederico Westphalen (RS), possui graduação (2018) e mestrado (2020) em Engenharia Elétrica. Atualmente, é aluno de doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) e pela Universidade Federal da Bahia (UFBA). Possui experiência em eletrônica de potência, atuando principalmente nas áreas de projeto físico e otimização de dispositivos magnéticos, modelagem de perdas no cobre e núcleo, tempo de vida de capacitores, projeto de filtros e modelagem de baterias.

Edemar de Oliveira Prado , Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria – RS, Brasil

natural de Frederico Westphalen (RS), possui graduação em Engenharia Elétrica (2018) e mestrado (2020). Atualmente, é aluno de doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) e pela Universidade Federal da Bahia (UFBA). Possui experiência na área de eletrônica de potência, atuando principalmente na área de otimização de transistores aplicados a conversores estáticos, sistemas de transferência de calor e análise física de semicondutores.

Romario de Jesus Nazaré , Universidade Federal da Bahia (UFBA), Salvador – BA, Brasil

é graduado em Engenharia de Controle e Automação de Processos pela Universidade Federal da Bahia – UFBA (2019). Atualmente é mestrando em Engenharia Elétrica, pelo Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal da Bahia – PPGEE – UFBA, desenvolvendo pesquisas com foco em eletrônica de potência no Laboratório de Eficiência Energética da UFBA – LABEFEA. Possui conhecimentos nas áreas de eletrônica de potência, sistemas embarcados e teoria de controle.

Antonio Cezar de Castro Lima, Universidade Federal da Bahia (UFBA), Salvador – BA, Brasil

é graduado em Engennharia Elétrica pela Universidade Federal da Bahia (1988), mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (1990) e doutor em Engenharia Eletrônica pela University of Kent at Canterbury (1994). Em 2002, Prof. Antonio Cezar concluiu suas atividades de pós-doutorado na McMaster University, onde desenvolveu pesquisas na área de Comunicação Sem-Fio. Atualmente ele é Professor Titular da Universidade Federal da Bahia.

Hamiltom Confortin Sartori , Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria – RS, Brasil

natural de Marau (RS), possui graduação em Engenharia Elétrica (2007) na Universidade Federal de Santa Maria, mestrado (2009), doutorado (2013) e pós-doutorado (2016) em Engenharia Elétrica. Atualmente é professor Adjunto de Departamento de Processamento de Energia Elétrica da Universidade Federal de Santa Maria. Possui experiência na área de eletrônica de potência, atuando principalmente nas áreas de projetos otimizados de conversores estáticos, conversores de alto ganho, projetos de componentes magnéticos, semicondutores de potência, sensoriamento e compatibilidade eletromagnética (EMI).

José Renes Pinheiro , Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria – RS, Brasil

recebeu o grau de Eng Eletricista pela UFSM, e os graus de Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela UFSC, em 1981, 1984, e 1994, respectivamente. É Prof. Titular (Voluntário) do DPEE da UFSM, onde atua desde 1985. Desde 2018, também atua como Prof. Titular Visitante no PPGEE da UFBA. Em 1987, foi um dos fundadores e líder do Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC). Entre 2006 e 2015 foi coord. do PPGEE da UFSM. Entre 2001 e 2002, realizou pós-doutorado no Center for Power Electronics Systems (CPES), Virginia Tech, EUA.

References

F. T. Carneiro, I. Barbi, "Análise, projeto e implementação de um conversor com transferência de energia sem fio para carregadores de baterias de veículos elétricos", Eletrônica de Potência, vol. 26, pp. 260-267, Set. 2021. https://doi.org/10.18618/REP.2021.3.0003 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2021.3.0003

H. Jank, W. A. Venturini, G. G. Koch, M. L. Martins,F. E. Bisogno, V. F. Montagner, H. Pinheiro, "Controle baseado em um LQR com estabilidade robusta a incerteza parametrica aplicado a um carregador de baterias", Eletrônica de Potência,vol. 22, pp. 408-417, out. 2017. https://doi.org/10.18618/REP.2017.4.2713 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2017.4.2713

I. R. Machado, D. Oliveira, L. Barreto, S. Souza,M. Young,et al., "Sistema Eólico de Pequeno Portepara Carregamento de Baterias", Eletrônica de Potência, vol. 12, no. 2, pp. 97-104, Jul.2007. https://doi.org/10.18618/REP.2007.2.097104 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2007.2.097104

I. F. Lopes, R. L. Valle, P. G. Barbosa, L. d. M.Honório, N. A. Cruz, A. C. Matos, "Projeto e otimização da compensação de um transformador de núcleo separado usado para recarregar as baterias de um veículo subaquático autônomo",Eletrônica dePotência, vol. 19, no. 1, pp. 97-109, Dez. 2013. https://doi.org/10.18618/REP.2014.1.098110 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2014.1.098110

S. Jiang, Z. Song, "A review on the state of healthestimation methods of lead-acid batteries",Journal ofPower Sources, vol. 517, p. 230710, Jan. 2022. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230710 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230710

E. Karden, "Development trends for future automobiles and their demand on the battery",in Lead-Acid Batteries for Future Automobiles, pp. 3-25,Elsevier, Dez. 2017. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63700-0.00001-5 DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63700-0.00001-5

A. D. Ballantyne, J. P. Hallett, D. J. Riley, N. Shah,D. J. Payne, "Lead acid battery recycling for thetwenty-first century",Royal Society open science,vol. 5, no. 5, p. 171368, Mai. 2018. https://doi.org/10.1098/rsos.171368 DOI: https://doi.org/10.1098/rsos.171368

D. Linden, T. B. Reddy,Handbook of batteries, vol. 3,McGraw-Hill, Ago. 2003.

Unicoba,Manual técnico bateria estacionária,Unicoba Indústria de componentes eletrônicos einformática Ltda, 2021.

Moura,Manual de Instalação e Operação BateriasEstacionárias VRLA, Acumuladores Moura SA, 2021.

Panasonic,VRLA Handbook, Panasonic IndustrialEurope GmbH, 2021.

R. Xiong, J. Cao, Q. Yu, H. He, F. Sun, "Critical reviewon the battery state of charge estimation methods forelectric vehicles",Ieee Access, vol. 6, pp. 1832-1843,Dez. 2017 https://doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2780258 DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2780258

.[13]Y. Wang, J. Tian, Z. Sun, L. Wang, R. Xu, M. Li,Z. Chen, "A comprehensive review of battery modelingand state estimation approaches for advanced batterymanagement systems",Renewable and SustainableEnergy Reviews, vol. 131, p. 110015, Out. 2020. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110015 DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110015

M. U. Cuma, T. Koroglu, "A comprehensive review onestimation strategies used in hybrid and battery electricvehicles",Renewable and Sustainable Energy Reviews,vol. 42, pp. 517-531, Fev. 2015. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.10.047 DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.10.047

M. Coleman, W. G. Hurley, C. K. Lee, "An improvedbattery characterization method using a two-pulse loadtest",IEEE Transactions on energy conversion, vol. 23,no. 2, pp. 708-713, Jun. 2008. https://doi.org/10.1109/TEC.2007.914329 DOI: https://doi.org/10.1109/TEC.2007.914329

M. Einhorn, F. V. Conte, C. Kral, J. Fleig,"Comparison, selection, and parameterization ofelectrical battery models for automotive applications",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28,no. 3, pp. 1429-1437, Mar. 2013. https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2210564 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2210564

A. Mariani, T. Stockley, K. Thanapalan, J. Williams,P. Stevenson, "Simple and effective OCV predictionmechanism for VRLA battery systems",inProceedings of the 3rd International Conferenceon Mechanical Engineering and Mechatronics, pp.1-10, Ago. 2014.

NBR16659, "NBR16659 - Baterias chumbo-ácidode pequeno porte do tipo reguladas por válvula -Requisitos gerais, características funcionais e métodosde ensaio",IEC TS 61000-3-4:1998, vol. 2, pp. 1-18,Abr. 2020.

P. d. R. CARDOSO,Estudo de Correlação deParâmetros Elétricos Terminais com Característicasde desempenho em baterias, Tese de Doutorado,Dissertação (Mestrado)-Universidade Estadual deCampinas, Ago. 2005.

G. Instruments, "Basics of electrochemical impedancespectroscopy",G Instruments, Complex impedance inCorrosion, pp. 1-30, Dez. 2007.

A. Tenno, R. Tenno, T. Suntio, "Battery impedanceand its relationship to battery characteristics",in24th Annual International Telecommunications EnergyConference, pp. 176-183, IEEE, Dez.2002.

M. Kiel, O. Bohlen, D. Sauer, "Harmonic analysisfor identification of nonlinearities in impedancespectroscopy",Electrochimica Acta, vol. 53, no. 25,pp. 7367-7374, Out. 2008. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.01.089 DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.01.089

T. Takasaki, K. Takano, M. Ichimura, "Deteriorationmeasuring method of VRLA battery used in UPSsystems",in Proceedings of Intelec'96-InternationalTelecommunications Energy Conference, pp. 799-804,IEEE, Out. 1996.

M. Danko, J. Adamec, M. Taraba, P. Drgona,"Overview of batteries State of Charge estimation methods",Transportation Research Procedia, vol. 40,pp. 186-192, Dez. 2019. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2019.07.029 DOI: https://doi.org/10.1016/j.trpro.2019.07.029

B. S. Bhangu, P. Bentley, D. A. Stone, C. M. Bingham,"Nonlinear observers for predicting state-of-charge and state-of-health of lead-acid batteries for hybrid-electric vehicles",IEEE transactions on vehicular technology, vol. 54, no. 3, pp. 783-794, Mai. 2005. https://doi.org/10.1109/TVT.2004.842461 DOI: https://doi.org/10.1109/TVT.2004.842461

W. He, N. Williard, C. Chen, M. Pecht, "Stateof charge estimation for electric vehicle batteries using unscented kalman filtering",Microelectronics Reliability, vol. 53, no. 6, pp. 840-847, Jun. 2013 https://doi.org/10.1016/j.microrel.2012.11.010 DOI: https://doi.org/10.1016/j.microrel.2012.11.010

.[27]E. A. Wan, R. Van Der Merwe, "The unscented Kalman filter for nonlinear estimation",in Proceedings of the IEEE 2000 Adaptive Systems for Signal Processing, Communications, and Control Symposium(Cat. No. 00EX373), pp. 153-158, Ieee, Out. 2000.

A. P. Schmidt, M. Bitzer, Á. W. Imre, L. Guzzella,"Experiment-driven electrochemical modeling and systematic parameterization for a lithium-ion battery cell",Journal of Power Sources, vol. 195, no. 15, pp.5071-5080, Ago. 2010. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.02.029 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.02.029

S. K. Rahimian, S. Rayman, R. E. White, "State of charge and loss of active material estimation of a lithium ion cell under low earth orbit condition using Kalman filtering approaches",Journal of the Electrochemical Society, vol. 159, no. 6, p. A860, Abr.2012. https://doi.org/10.1149/2.098206jes DOI: https://doi.org/10.1149/2.098206jes

M. Doyle, T. F. Fuller, J. Newman, "Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium/polymer/insertion cell",Journal of the Electrochemical society, vol. 140, no. 6, p. 1526, Dez.1993. https://doi.org/10.1149/1.2221597 DOI: https://doi.org/10.1149/1.2221597

M. Doyle, J. Newman, A. S. Gozdz, C. N. Schmutz,J.-M. Tarascon, "Comparison of modeling predictions with experimental data from plastic lithium ion cells",Journal of the Electrochemical Society, vol. 143, no. 6,p. 1890, Dez. 1996. https://doi.org/10.1149/1.1836921 DOI: https://doi.org/10.1149/1.1836921

J. Xu, C. C. Mi, B. Cao, J. Cao, "A new method to estimate the state of charge of lithium-ion batteries based on the battery impedance model",Journal of power sources, vol. 233, pp. 277-284, Jul. 2013. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.01.094 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.01.094

J. Kowal, D. Hente, D. U. Sauer, "Model parameterization of nonlinear devices using impedance spectroscopy",IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 58, no. 7, pp. 2343-2350, Fev.2009. https://doi.org/10.1109/TIM.2009.2013927 DOI: https://doi.org/10.1109/TIM.2009.2013927

W. Waag, S. Käbitz, D. U. Sauer, "Experimental investigation of the lithium-ion battery impedance characteristic at various conditions and aging states and its influence on the application",Applied energy, vol.102, pp. 885-897, Fev. 2013. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.09.030 DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.09.030

M. Ceraolo, "New dynamical models of lead-acidbatteries",IEEE transactions on Power Systems,vol. 15, no. 4, pp. 1184-1190, Nov. 2000. https://doi.org/10.1109/59.898088 DOI: https://doi.org/10.1109/59.898088

C. Burgos, D. Sáez, M. E. Orchard, R. Cárdenas,"Fuzzy modelling for the state-of-charge estimation of lead-acid batteries",Journal of Power Sources, vol.274, pp. 355-366, Jan. 2015. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.10.036 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.10.036

I. A. Azzollini, V. Di Felice, F. Fraboni, L. Cavallucci,M. Breschi, A. Dalla Rosa, G. Zini, "Lead-acid battery modeling over full state of charge and dischargerange",IEEE Transactions on Power Systems, vol. 33,no. 6, pp. 6422-6429, Jun. 2018. https://doi.org/10.1109/TPWRS.2018.2850049 DOI: https://doi.org/10.1109/TPWRS.2018.2850049

F. Sun, R. Xiong, H. He, "A systematic state-of-charge estimation framework for multi-cell battery pack inelectric vehicles using bias correction technique",Applied Energy, vol. 162, pp. 1399-1409, Jan. 2016. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.12.021 DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.12.021

R. Xiong, F.-C. Sun, H.-W. He, "Data-driven state-of-charge estimator for electric vehicles battery usingrobust extended Kalman filter",International Journal of Automotive Technology, vol. 15, no. 1, pp. 89-96,Fev. 2014. https://doi.org/10.1007/s12239-014-0010-1 DOI: https://doi.org/10.1007/s12239-014-0010-1

S. Sepasi, R. Ghorbani, B. Y. Liaw, "Improved extended Kalman filter for state of charge estimation of battery pack",Journal of Power Sources, vol. 255,pp. 368-376, Jun. 2014. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.12.093 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.12.093

S. Wang, M. Verbrugge, J. S. Wang, P. Liu, "Multi-parameter battery state estimator based on the adaptive and direct solution of the governing differential equations",Journal of Power Sources, vol. 196, no. 20,pp. 8735-8741, Out. 2011. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.06.078 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.06.078

H. He, X. Zhang, R. Xiong, Y. Xu, H. Guo, "Online model-based estimation of state-of-charge and open-circuit voltage of lithium-ion batteries in electricvehicles",Energy, vol. 39, no. 1, pp. 310-318, Mar.2012. https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.01.009 DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.01.009

R. Xiong, H. He, F. Sun, K. Zhao, "Evaluation on state of charge estimation of batteries with adaptive extended Kalman filter by experiment approach",IEEETransactions on Vehicular Technology, vol. 62, no. 1,pp. 108-117, Out. 2012. https://doi.org/10.1109/TVT.2012.2222684 DOI: https://doi.org/10.1109/TVT.2012.2222684

M. Charkhgard, M. Farrokhi, "State-of-charge estimation for lithium-ion batteries using neural networks and EKF",IEEE transactions on industrial electronics, vol. 57, no. 12, pp. 4178-4187, Fev. 2010. https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2043035 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2043035

A. J. Salkind, C. Fennie, P. Singh, T. Atwater, D. E.Reisner, "Determination of state-of-charge and state-of-health of batteries by fuzzy logic methodology",Journal of Power sources, vol. 80, no. 1-2, pp. 293-300, Jul. 1999. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(99)00079-8 DOI: https://doi.org/10.1016/S0378-7753(99)00079-8

P. Singh, R. Vinjamuri, X. Wang, D. Reisner, "Design and implementation of a fuzzy logic-based state-of-charge meter for Li-ion batteries used in portable defibrillators",Journal of power sources, vol. 162,no. 2, pp. 829-836, Nov. 2006. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.04.039 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.04.039

Y. Shen, "Adaptive online state-of-charge determination based on neuro-controller and neural network",Energy Conversion and Management,vol. 51, no. 5, pp. 1093-1098, Mai. 2010. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.12.015 DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.12.015

T. Hansen, C.-J. Wang, "Support vector based battery state of charge estimator",Journal of Power Sources,vol. 141, no. 2, pp. 351-358, Mar. 2005. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2004.09.020 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2004.09.020

H. Cao, J. Yu, L. Kang, H. Yang, X. Ai, "Modeling and prediction for discharge lifetime of battery system susing hybrid evolutionary algorithms",Computers &chemistry, vol. 25, no. 3, pp. 251-259, Mai. 2001. https://doi.org/10.1016/S0097-8485(00)00099-1 DOI: https://doi.org/10.1016/S0097-8485(00)00099-1

K. Levenberg, "A method for the solution of certain non-linear problems in least squares",Quarterly of applied mathematics, vol. 2, no. 2, pp. 164-168, Jul.1944. https://doi.org/10.1090/qam/10666 DOI: https://doi.org/10.1090/qam/10666

E. O. Prado, P. C. Bolsi, H. C. Sartori, J. R. Pinheiro,"Comparative Analysis of Modulation Techniques onthe Losses and Thermal Limits of Uninterruptible Power Supply Systems",Micromachines, vol. 13,no. 10, p. 1708, Out. 2022. https://doi.org/10.3390/mi13101708 DOI: https://doi.org/10.3390/mi13101708

Unicoba,Unipower UP 1270, Unicoba Indústria decomponentes eletrônicos e informática Ltda, 2021.

CSB,GP Series 1272, CSB Energy TechnologyCompany Ltd., 2021.

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Published

2022-12-06

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[1]
P. C. Bolsi, E. de O. Prado, R. de J. Nazaré, A. C. de C. Lima, H. C. Sartori, and J. R. Pinheiro, “Algoritmo para Estimativa do Tempo de Descarga de Baterias de Chumbo-Ácido Aplicado a Fontes Ininterruptas de Energia”, Eletrônica de Potência, vol. 27, no. 4, pp. 354–365, Dec. 2022.

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Vol. 27 No. 4 (2022)

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