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Tipo do documento: Tese
Título: ESTUDO DOS SOBREPOTENCIAIS E LIMITAÇÃO DA CAPACIDADE DURANTE A DESCARGA DE CÉLULAS DE BATERIAS DE CHUMBO-ÁCIDO EMPREGANDO MODELAGEM E SIMULAÇÃO
Autor: Vicari, Luiz Alberto 
Primeiro orientador: Lopes, Mauro Chierici
Resumo: Este trabalho teve por objetivo empregar um modelo eletroquímico de células de baterias de chumbo-ácido (LAB do inglês Lead Acid Battery) para obter, por meio de simulações, informações que contribuam para o desenvolvimento de métodos para estimativa do estado de carga (SOC do inglês State of Charge) e estado de saúde (SOH do inglês State of Health) destas baterias. Após a validação do modelo, foi explorado o comportamento das suas variáveis durante uma descarga e o consumo do material ativo ao longo dos eletrodos positivo e negativo, que está diretamente relacionado com a capacidade e o SOC. As causas da queda de capacidade das LAB com o aumento da corrente de descarga foram investigadas e relacionadas aos sobrepotenciais que se desenvolvem nos eletrodos. Foi analisada a sensibilidade da eficiência da utilização do material ativo das células de LAB aos parâmetros empíricos e geométricos utilizados e quais desses parâmetros tem efeito mais significativo no desempenho em diferentes taxas de descarga. Estimativas de capacidade de LAB e de suas células pela equação empírica de Peukert, amplamente empregada para este propósito, e uma equação apresentada por D’Alkaine et al. foram comparadas e debatido em que condições suas aplicações são válidas. Três equações de decaimento exponencial, com o mesmo objetivo, foram propostas e seus resultados comparados com a equação empírica de Peukert. Devido a acurácia na estimativa da capacidade e baixa complexidade, as equações apresentadas podem ser facilmente empregadas em sistemas de gerenciamento de baterias (BMS do inglês Battery Management System) para monitoramento do SOC e a distinção dos parâmetros obtidos para LAB de diferentes aplicações, em duas destas equações, possibilitam a caracterização e a categorização de baterias. O estudo da quantidade de transporte de eletrólito no eletrodo positivo de células de LAB revelou dois decaimentos exponenciais de capacidade distintos entre a região adjacente ao reservatório de eletrólito e o centro do eletrodo. Esses decaimentos foram modelados para células em diferentes condições de operação e envelhecimento e correntes de fluxo iônico calculadas a partir dos parâmetros da equação de decaimento exponencial de duas fases apresentada. A análise do comportamento destas correntes de fluxo iônico possibilita determinar qual o mecanismo de envelhecimento preponderante e estimativa do SOH. Adicionalmente, um método para separar e quantificar os sobrepotenciais que ocorrem nas células de LAB durante a descarga é proposto e o resultado de três taxas de descarga é comparado.
Abstract: This work aimed to employ an electrochemical model of lead-acid battery (LAB) cells to obtain, through computer simulations, information that contributes to the development of methods to estimate the state of charge (SOC) and state of health (SOH) of these batteries. After validating the model, the behavior of its variables during a discharge and the consumption of active material along the positive and negative electrodes, which is directly related to the capacity and to the SOC, were explored. The causes of the drop in LAB capacity with the increase of the discharge current were investigated and related to the overpotentials that are developed in the electrodes. Both the efficiency sensitivity of the use of the LAB cells' active material to the empirical and geometric parameters used and which one of these parameters has the most significant effect on the performance at different discharge rates were analyzed. Capacity estimates of LAB and its cells by the empirical Peukert equation, widely used for this purpose, and an equation presented by D’Alkaine et al. were compared and debated under what conditions their applications are valid. Three exponential decay equations, with the same objective, have been proposed and their results compared with Peukert's empirical equation. Due to the accuracy in estimating the capacity and low complexity, the presented equations can be easily used in battery management systems (BMS) for monitoring the SOC and, in two these equations, the distinction of the parameters obtained for different application LABs allow the characterization and categorization of batteries. The study of the amount of electrolyte transport in the positive electrode of LAB cells revealed two distinct exponential decays of capacity between the region adjacent to the electrolyte reservoir and the center of the electrode. These decays were modeled for cells under different operating and aging conditions and ion flow currents were calculated from the parameters of the two-phase exponential decay equation presented. The analysis of the behavior of these ionic flux currents makes it possible to determine which is the predominant aging mechanism and SOH estimate. In addition, a method to separate and quantify the overpotentials that occur in LAB cells during discharge is proposed and the result of three discharge rates is compared.
Palavras-chave: Bateria de chumbo-ácido
Modelo Eletroquímico
Modelos Empíricos
Sobrepotenciais
Lead-acid battery
Electrochemical model
Empirical models
Overpotentials
Área(s) do CNPq: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Estadual do Centro-Oeste
Sigla da instituição: UNICENTRO
Departamento: Unicentro::Departamento de Ciências Exatas e de Tecnologia
Programa: Programa de Pós-Graduação em Química (Doutorado)
Citação: Vicari, Luiz Alberto. ESTUDO DOS SOBREPOTENCIAIS E LIMITAÇÃO DA CAPACIDADE DURANTE A DESCARGA DE CÉLULAS DE BATERIAS DE CHUMBO-ÁCIDO EMPREGANDO MODELAGEM E SIMULAÇÃO. 2021. 132 f. Tese (Programa de Pós-Graduação em Química - Doutorado) - Universidade Estadual do Centro-Oeste, Guarapuava-PR.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://tede.unicentro.br:8080/jspui/handle/jspui/1605
Data de defesa: 26-Mar-2021
Aparece nas coleções:Programa de Pós-Graduação em Química (Doutorado)

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