Estimação do estado de carga de baterias de lítio-íon em diferentes condições de temperaturas utilizando filtros de Kalman

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Santos, Rafael de Melo Silva
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB
Texto Completo: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/19499
Resumo: One of the challenges of humanity in the twenty-first century is to reverse environmental degradation in progress, without halting human development. This has been called, very appropriately, sustainable development. To achieve sustainable development, technological innovation in both the generation and efficient use of energy is imperative. The development of electric vehicles is a key part of this sustainable development, and consequently the use of batteries, given that they are the elements responsible for storing electrical energy in electrochemical form. Estimating the State of Charge (SoC) is fundamental for the dissemination of this type of transportation, among other current applications. In this context, a methodology was developed that allows the estimation of charge of batteries for different temperature conditions using Kalman filters, especially the extended Kalman filter, which allows to evaluate the behavior of SoC for a range of 10 C, 25 C and 40 C. In addition, a method for identifying the equivalent circuit model of a battery is proposed. Based on the methodology developed, some preliminary results were obtained with the use of a Stationary Lithium-ion (LiFePO4) battery of 20 Ah capacity and nominal voltage of 3.3 V. From the proposed method to identify the appropriate equivalent circuit model of the battery and the parameters of this model, it was possible to determine a model with three RC branches for the Lithium-ion battery and to estimate the parameters of this model. Then the state of charge for temperatures of 10 C, 25 C and 40 C were determined. From numerical results, the extended Kalman Filter used in the research showed convergence in the prediction of the SoC, in which the covariance error is between 3 % and 6 %, showing the the proposed method convergence. Otherwise, the Kalman filter reached a maximum residual of 83 %.
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Estimating the State of Charge (SoC) is fundamental for the dissemination of this type of transportation, among other current applications. In this context, a methodology was developed that allows the estimation of charge of batteries for different temperature conditions using Kalman filters, especially the extended Kalman filter, which allows to evaluate the behavior of SoC for a range of 10 C, 25 C and 40 C. In addition, a method for identifying the equivalent circuit model of a battery is proposed. Based on the methodology developed, some preliminary results were obtained with the use of a Stationary Lithium-ion (LiFePO4) battery of 20 Ah capacity and nominal voltage of 3.3 V. From the proposed method to identify the appropriate equivalent circuit model of the battery and the parameters of this model, it was possible to determine a model with three RC branches for the Lithium-ion battery and to estimate the parameters of this model. Then the state of charge for temperatures of 10 C, 25 C and 40 C were determined. From numerical results, the extended Kalman Filter used in the research showed convergence in the prediction of the SoC, in which the covariance error is between 3 % and 6 %, showing the the proposed method convergence. Otherwise, the Kalman filter reached a maximum residual of 83 %.Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado da Paraíba - FAPESQUm dos desafios da humanidade no século XXI é reverter a degradação ambiental em andamento, sem deter o desenvolvimento humano. A isso se chamou, muito apropriadamente, de desenvolvimento sustentável. Para a obtenção do desenvolvimento sustentável, a inovação tecnológica tanto na geração quanto no uso eficiente de energia é imprescindível. O desenvolvimento de veículos elétricos é peça chave para esse desenvolvimento sustentável, e consequentemente o emprego de baterias, haja vista que são os elementos responsáveis por armazenar energia elétrica em forma de energia eletroquímica. Estimar o estado de carga de baterias é fundamental para se ter o conhecimento preciso da capacidade de fornecimento que a bateria possui no momento, além de possibilitar, por exemplo, a implementação de técnicas de gerenciamento do uso da energia e sistemas de proteção eficientes. Para isso foi implementada uma metodologia que permite a estimação de carga de baterias para diferentes condições de temperatura utilizando métodos matemáticos como o filtros de Kalman, em especial o filtro de Kalman estendido, a qual permite avaliar o comportamento do Estado de Carga para três valores de temperatura diferentes, 10 C, 25 C e 40 C. Além disso, um método para identificação e determinação do modelo de circuito equivalente de uma bateria é proposto. A partir da metodologia desenvolvida, alguns resultados foram obtidos com a utilização de uma bateria Lítio (LiFePO4) de 20 Ah de capacidade e tensão nominal de 3,3 V. A partir do método proposto para identificação do modelo de circuito equivalente adequado da bateria e da estimação dos parâmetros deste modelo, foi possível determinar um modelo com ramos RC, para a bateria de Lítio e assim, estimar os parâmetros deste modelo. Em seguida, o estado de carga de baterias para as temperaturas de 10 C, 25 C e 40 C foi determinado. A partir de resultados numéricos, o Filtro de Kalman estendido implementado durante a pesquisa mostrou convergência na previsão do SoC, no qual o erro de covariância permaneceu entre 3 % e 6 %, mostrando assim a convergência do método proposto. Já o filtro de Kalman tradicional chegou a atingir um resíduo máximo de 83 %.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia ElétricaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFPBMacêdo, Euler Cássio Tavares dehttp://lattes.cnpq.br/1567664152355721Villanueva, Juan Moises Mauriciohttp://lattes.cnpq.br/1446817462218646Santos, Rafael de Melo Silva2021-02-21T18:34:08Z2019-11-042021-02-21T18:34:08Z2019-08-30info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/19499porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2021-08-11T14:16:12Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/19499Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2021-08-11T14:16:12Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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