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Type: Dissertação
Title: Operação em corrente pulsada e balanceamento adaptativo do estado de carga em sistemas de armazenamento de energia baseados em baterias com conversores integrados conectados à rede elétrica
Author: Carelli, Ediward Amaral
First Advisor: Almeida, Pedro Machado de
Co-Advisor: Cupertino, Allan Fagner
Referee Member: Brito, Erick Matheus da Silveira
Referee Member: Soares, Guilherme Márcio
Resumo: Esta dissertação contribui para o desenvolvimento da próxima geração de sistemas de armazenamento de energia, baseados em baterias com conversor integrado. A abordagem investigada consiste na integração de um conversor meia-ponte em cada módulo de bateria, viabilizando a operação em corrente pulsada. São analisadas duas estratégias de balanceamento do estado de carga. A primeira, inspirada na literatura, adota um controlador proporcional. A segunda propõe um controlador adaptativo capaz de ajustar dinamicamente seu ganho com base na diferença de Estado de Carga (do inglês, State of Charge) (SOC) em tempo real. Como contribuição adicional, este trabalho explora a interação entre o arranjo de Baterias com Conversores Integrados (BCIs) e o sistema de conversão de potência em uma aplicação conectada à rede elétrica. As estratégias de balanceamento propostas são modeladas matematicamente e validadas por meio de simulações no ambiente PLECS e de experimentos com Controle em Hardware-in-theLoop (HIL). Também é analisado o impacto da ativação do modo bypass das baterias sobre a tensão do barramento de corrente contínua (c.c.) e o processamento de potência no Sistema de Conversão de Potência (do inglês, Power Conversion System) (PCS) de duas etapas. Os resultados obtidos demonstram que a estratégia adaptativa reduz o tempo de balanceamento em aproximadamente quatro vezes, em comparação com o controle proporcional. Além disso, a interação entre o arranjo de baterias com conversor integrado e o PCS permite uma regulação estável da tensão do barramento c.c., minimizando flutuações decorrentes da comutação entre baterias e assegurando estabilidade no fornecimento de potência ativa. Essa característica foi evidenciada a partir da comparação com o método tradicional de Corrente Constante (CC), demonstrando que a solução proposta é capaz de manter o desempenho necessário para garantir estabilidade e qualidade no fornecimento de energia, o que reforça sua viabilidade para aplicações conectadas à rede.
Abstract: This dissertation contributes to the development of next-generation energy storage systems based on smart batteries. The investigated approach integrates a half-bridge converter into each battery module, enabling pulsed current operation. Two State-of-Charge balancing strategies are analyzed. The first, inspired by existing literature, employs a proportional controller. The second proposes an adaptive controller that dynamically adjusts its gain based on real-time SOC deviation. As an additional contribution, this work explores the interaction between the smart battery pack and the power conversion system in a grid-connected application. The proposed balancing strategies are mathematically modeled and validated through simulations in the PLECS environment and Controller Hardware-in-the-Loop (HIL) experiments. The study also examines the impact of battery bypass activation on the dc-bus voltage and power processing within the two-stage PCS. The results show that the adaptive strategy reduces the balancing time by approximately four times compared to the proportional control approach. Furthermore, the interaction between the smart batteries and the PCS enables stable regulation of the dc-bus voltage, minimizing fluctuations caused by battery switching and ensuring stability in active power delivery. This characteristic was evidenced through comparison with the traditional CC method, demonstrating that the proposed solution is capable of maintaining the necessary performance to ensure stability and power quality, reinforcing its feasibility for grid-connected applications.
Keywords: Baterias com conversor integrado
Operação em corrente pulsada
Balanceamento adaptativo do estado de carga
Sistema de armazenamento de energia em baterias
Smart batteries
Pulsed current operation
Adaptive state-of-charge balancing
Battery energy storage system
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/19851
Issue Date: 28-Aug-2025
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