Extraction of Thevenin-Based Equivalent Circuit of Multi-Cell Lead Acid Battery Pack and Soc Estimation

Abstract

Lead acid batteries are widely used in UPS due to their cheapness. In case of mains power failure, the length of the operating period powered by the battery depends on the energy capacity of the battery. In this case, predicting the remaining time depending on usage is important for the healthy operation of the system. Determining the remaining time can be done by monitoring the SoC of the batteries. SoC monitoring can be done using equivalent circuit models of the battery. In systems where a single battery cell is used, the equivalent circuit is generally considered for a single cell. Nowadays many serially connected batteries are used in UPS. In this case, it becomes difficult to make calculations in the equivalent circuit created by connecting the single cell equivalent circuit in series. In this study, the approach of using a single equivalent circuit model to be created for the entire system is proposed. In the study, the Thevenin equivalent circuit model of an uninterruptible power supply battery group, in which 8 batteries (12V) are connected in series, was created with only three parameters. The accuracy of the created equivalent circuit was ensured by comparing it with the values calculated using the current counting method. First, the discharge curve of the battery was obtained. SoC-Open Circuit Voltage graph was created from these curves. Equivalent circuit parameters were calculated from the dynamic behavior of the battery. During the process of fully discharging the battery, the values of SoC corresponding to the battery voltage were determined by counting the current. The values of SoC obtained because of the current counting process were compared with the values calculated through the equivalent circuit. As a result of the comparisons, an average accuracy rate of 99.85% was achieved in estimating the SoC. These results show that the proposed method can be used to estimate the SoC in systems using serially connected batteries.

Kurşun asitli aküler, ucuz olmaları nedeniyle UPS'lerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Şebeke elektriğinin kesilmesi durumunda aküden beslenerek sağlanan çalışma süresinin uzunluğu, akünün enerji kapasitesine bağlıdır. Bu durumda kalan sürenin tahmin edilmesi sistemin sağlıklı çalışması açısından önemlidir. Kalan sürenin belirlenmesi pillerin SoC’ı izlenerek yapılabilir. Pilin eşdeğer devre modelleri kullanılarak SoC izlenebilir. Tek akü hücresinin kullanıldığı sistemlerde genellikle tek hücre için eşdeğer devre dikkate alınır. Günümüzde UPS'lerde seri bağlı birçok akü kullanılmaktadır. Bu durumda tek hücreli eşdeğer devrenin seri bağlanmasıyla oluşturulan eşdeğer devrede hesaplama yapmak zorlaşır. Bu çalışmada sistemin tamamı için oluşturulacak tek bir eşdeğer devre modelinin kullanılması yaklaşımı önerilmektedir. Çalışmada 8 adet 12 Voltluk pilin seri bağlı olduğu bir kesintisiz güç kaynağı pil grubunun Thevenin eşdeğer devre modeli sadece üç parametre ile oluşturulmuştur. Oluşturulan eşdeğer devrenin doğruluğu, akım sayma yöntemiyle hesaplanan değerlerle karşılaştırılarak sağlanmıştır. İlk olarak bataryanın deşarj eğrisi elde edilmiştir. Bu eğrilerden SoC-Açık Devre Gerilim grafiği oluşturulmuştur. Eşdeğer devre parametreleri pilin dinamik davranışından hesaplanmıştır. Akünün tamamen boşalması işlemi sırasında akım sayılarak akü voltajına karşılık gelen SoC değerleri belirlenmiştir. Akım sayma işlemi sonucunda elde edilen SoC değerleri, eşdeğer devre üzerinden hesaplanan değerlerle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar sonucunda SoC tahmininde ortalama %99,85 doğruluk oranına ulaşılmıştır. Bu sonuçlar, önerilen yöntemin seri bağlı pillerin kullanıldığı sistemlerde SoC'ı tahmin etmek için kullanılabileceğini göstermektedir.