Estratégias de comando para o controle de carregadores modulares de baterias

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A análise da vida útil de bancos de baterias tem ganhado relevância na atualidade em aplicações estacionárias, devido a inserção de sistemas de armazenamento de energia a baterias (SAEB) em unidades geradoras distribuídas intermitentes. Trabalhos nessas áreas abrangem desde estudos de mecanismos de falhas e processos eletroquímicos a estratégias de recarga. Embora a literatura cubra extensivamente o desenvolvimento de estratégias de recarga e descarga de baterias, uma comparação dessas estratégias continua sendo uma lacuna na literatura. As condições inerentes com estado de saúde (SoH) e estado de carga coulométrico (SoC) de cada unidade nos sistemas de armazenamento de energia a baterias influenciam diretamente a vida útil da bateria e as técnicas de controle de recarga atuais tentam modularizar ao máximo o banco de baterias permitindo que cada unidade de interesse, podendo variar desde conjuntos de baterias à células eletroquímicas, o que torna os carregadores modulares de baterias uma topologia atraente para essa análise. Esse trabalho por meio de uma nova classificação levando em conta carregadores modulares e estratégia de recarga agrupa as técnicas de recarga apresentadas na literatura em dois grupos: estratégia SoC adaptado, diretamente ligada ao campo de gerenciamento de sobrecarga, e a estratégia de SoH, que está ligada ao campo de gerenciamento do desgaste. O campo de gerenciamento de sobrecarga tem como objetivo manter as unidades de interesse dentro de condições aceitáveis de operação e sua relação com o aumento da vida útil do banco é apenas indicado faltando comprovações sejam elas de simulação ou experimental. O campo de gerenciamento do desgaste tem como objetivo manter as unidades interesse no mesmo nível de degradação e sua relação com o aumento de vida útil do banco está de forma clara presente na filosofia do controle. Essas estratégias são comparadas através da análise de suas dinâmicas alterando os valores de ganhos da estratégia de controle da recarga bem como perturbações na profundidade de descarga e corrente de recarga, fatores críticos em sistemas de armazenamento alimentados por fontes renováveis e intermitentes. A metodologia para comparar as estratégias de controle de recarga abrange o estudo de modelos. O modelo de vida útil da bateria permite a caracterização do perfil de desgaste da bateria estudada. O modelo de carregadores modulares permite a análise do funcionamento das estratégias de controle e suas implicações no processo de recarga e descarga da bateria. O modelo da aplicação fotovoltaica permite o cálculo do DoD médio da aplicação e assim permitindo escalonar o número de unidades do banco. Três casos distintos foram simulados usando dados de medidas reais de uma usina de energia solar e um modelo de baterias fornecido pela MathWorks, também com dados reais de baterias. Os resultados evidenciam que a perda de capacidade e o throughput de energia dependem fortemente da estratégia aplicada. Além disso, esse trabalho analisa o efeito do processo de estimação na ação do controlador de recarga. The lifetime of Battery Banks has always been a concern in Battery Energy Storage Systems (BESS) and its increasing use in intermittent distributed systems makes this analysis paramount. Work in these areas ranges from studies of failure mechanisms and electrochemical processes to charge strategies. Although the literature extensively covers the development of battery chargers control strategies, a comparison of these strategies remains a literary gap. The inherent conditions ie, State of Health (SoH) and State of Charge (SoC) of each unit in the Battery Energy Storage Systems directly influence the charger control techniques for extending battery lifetime, which makes modular battery chargers an appealing topology for this analysis. This work through a new classification groups charger control strategies presented in the literature into two: Adapted SoC strategies, directly linked to the field of overstress management, and SoH strategies, which are directly linked to the field of wear-out management. The overstress management field aims to keep the units of interest within acceptable operating conditions and its relationship with the increase in the bank’s useful life is only indicated, lacking proof, whether simulation or experimental. The wear out management field aims to keep the units of interest at the same level of degradation and its relationship with the increase in the bank’s useful life is clearly present in the control philosophy. These strategies are compared through the analysis of their dynamics, changing the gain values of the recharge control strategy as well as disturbances in the discharge depth and recharge current, critical factors in storage systems powered by renewable and intermittent sources. The methodology for comparing recharge control strategies includes the study of models. The battery life model allows the characterization of the wear profile of the studied battery. The modular charger model allows the analysis of the operation of control strategies and their implications for the battery recharge and discharge process. The photovoltaic application model allows the calculation of the application’s average DoD, thus allowing to scale the number of bank units. Three distinct cases were simulated using real measurement data from a solar power plant and a battery model provided by MathWorks⃝R , also with real battery data. The results show that the loss of capacity and the throughput of energy strongly depend on the applied strategy. Furthermore, this work analyzes the effect of the estimation process on the action of the recharge controller.