Analysis and development of a Cuk converter for lead-acid battery spectroscopy

Abstract

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e a análise de um conversor Cuk bidirecional aplicado à espectroscopia de impedância eletroquímica em baterias de chumbo-ácido. Inicialmente, realiza-se uma revisão bibliográfica sobre os princípios de funcionamento das baterias, os mecanismos de degradação e os principais métodos de estimativa do estado de saúde e do estado de carga, com destaque para as técnicas baseadas em espectroscopia de impedância. Em seguida, é apresentada a análise estática e dinâmica do conversor Cuk, bem como o dimensionamento dos componentes passivos, os interruptores e o desenvolvimento de um modelo linearizado. O trabalho propõe ainda uma estratégia de controle proporcional?integrativo?ressonante adaptativo, capaz de gerar correntes senoidais em uma faixa de frequência entre 0,01 Hz e 1 kHz, permitindo a obtenção da impedância da bateria em diferentes condições de operação. Além disso, são desenvolvidos métodos para aquisição do circuito elétrico equivalente da bateria e para processamento digital dos sinais medidos. A metodologia proposta é validada por meio de simulações e resultados experimentais obtidos com baterias chumbo-ácido de diferentes capacidades. Os resultados demonstram a viabilidade do conversor Cuk como interface para sistemas portáteis de espectroscopia de impedância, apresentando boa concordância entre os modelos simulados e os dados experimentais.

Abstract: This dissertation presents the development and analysis of a bidirectional Cuk converter applied to electrochemical impedance spectroscopy of lead-acid batteries. Initially, a literature review is conducted on battery operating principles, degradation mechanisms, and the main methods for estimating the state of health and state of charge, with emphasis on impedance spectroscopy-based techniques. Subsequently, the static and dynamic analysis of the Cuk converter is presented, along with the design of passive components, switching devices, and the development of a linearized model. The work also proposes an adaptive proportional?integral?resonant control strategy capable of generating sinusoidal currents over a frequency range from 0.01 Hz to 1 kHz, enabling the acquisition of battery impedance under different operating conditions. In addition, methods for obtaining the battery equivalent electrical circuit and for digital processing of the measured signals are developed. The proposed methodology is validated through simulations and experimental results obtained from lead-acid batteries with different capacities. The results demonstrate the feasibility of the Cuk converter as an interface for portable impedance spectroscopy systems, showing good agreement between the simulated models and the experimental data.