O documento discute a otimização da configuração do sistema de armazenamento de energia de um navio híbrido, focando na confiabilidade e custo do banco de baterias. A análise inclui a modelagem de sistemas de gerenciamento e a aplicação de técnicas de otimização, como simulated annealing, para atender às especificações do sistema de baterias. O trabalho também aborda a metodologia de confiabilidade e análise econômica relacionada ao ciclo de vida do sistema.

1. 0
Rev. 0 13-12-2016 Emissão inicial Tito Livio Medeiros Cardoso
Rev. 1 15-12-2018 Revisão geral Tito Livio Medeiros Cardoso
PNV5023
Tema de Seminário:
Otimização da configuração do
banco de baterias para navio
híbrido

2. 1
1. Introdução e objetivo do trabalho
O “Projeto 7 - Sistemas híbridos de potência para embarcações” do Research Centre for Gas
Innovation (RCGI), da USP, estuda a aplicação de sistemas híbridos de energia para navios da
indústria O&G. Neste contesto, a especificação de um sistema deste tipo está sendo elaborada
para um Platform Supply Vessel (PSV) adaptado para híbrido a qual deverá servir de entrada a
diversas análises dos departamentos de engenharia da Escola Politécnica da USP [1].
O tema proposto para o Seminário se relaciona diretamente a esta especificação, tendo como
foco apenas o Sistema de Armazenamento de Energia do PSV híbrido.
Fig. 1- 87m ABS +A1 (E) Offshore Support Vessel, +DPS-2, +FFV Class1 - Fujian Shipbuilding [2].
Fig. 2-Seção transversal do PSV, destacando em azul o posicionamento do Banco de Baterias (adaptado de [2]).

3. 2
O objetivo deste trabalho é determinar uma configuração que atenda aos requisitos de
Dependabilidade do PSV, ao menor custo, em especial quanto à confiabilidade do sistema de
armazenamento de energia. Para isto, são utilizadas técnicas de modelagem e otimização,
considerando alternativas comerciais de células Li-Ion e tensões de alimentação do grid do navio
compatíveis com as voltagens usuais de equipamentos da indústria, além da possibilidade de
introduzir redundância na especificação do banco de baterias.
2. Sistema de Armazenamento de Energia
As características gerais deste sistema foram definidas em trabalhos anteriores [3]:
Potência: 3.440 kW.
Carga: 1.040 kWh.
O sistema consiste em um banco de baterias do tipo Ion-Li com química previamente definida -
Lithium Iron Phosphate, LiFePo4 [3][4].
Fig. 3-Típica instalação de um banco de baterias.
No nível mais elevado, o Banco de Baterias (Battery Pack), pode ser descrito em termos de dois
subsistemas:
 Módulos de baterias (Cells Modules),
 Sistema de gerenciamento das baterias (Battery Management System, BMS).
Os módulos de baterias são estruturas idênticas, ligadas através de um bar connect e conjuntos
de conectores, cada uma abrigando um número idêntico de células, eletricamente
conectadas em série ou paralelo, que são as baterias propriamente ditas (Battery cells).
O BMS é um sistema de controle, requerido para o controle automático dos bancos de baterias
Ion-Li. Em segundo nível pode ser descrito por [5][8][9][13]:
 Unidades controladoras Slave: No caso mais comum, uma placa de circuito integrado
dedicada a cada Módulo, com sensores para monitorar os sinais básicos de condição das
células no Módulo: tensão e temperatura.
 Unidade controladora Máster: Placa de circuito integrado com funções lógicas de nível
mais elevado que integra e processa os sinais provenientes por interface serial das

4. 3
unidades Slave e monitora a corrente no banco de baterias com objetivo de estimar e
controlar o State-of-Charge (SOC) de cada célula e, seguindo a lógica de controle
programada, atuar sobre as entradas e saídas do sistema de armazenamento, prevenindo
condições de funcionamento fora da especificação.
Fig. 4- Controladoras Master e Slave de um BMS comercial [14].
Fig. 5- Diagrama detalhado de um conjunto de módulos paralelos e independentes, cada uma com sua controladora (slave),
conectadas à unidade de controle principal (Master) [9].
Na arquitetura modular do BMS a rede de controladoras Máster e Slaves pode ser configurada
em diferentes topologias, como “Star”, onde as Slaves são independentes e tem comunicação
serial exclusiva com o Máster; “Daisy”, onde as Slaves são conectadas em string e a terminação
do string tem comunicação serial com o Máster; e “Hybrid”, onde grupos de Slaves se
comunicam em string e cada grupos de string se comunica exclusivamente com o máster. A
seleção de topologia depende da aplicação. Redes “Daisy” fornecem escalabilidade, mas
aumentam os requisitos para largura de banda da rede serial em sistemas com número elevado
de controladoras Slave [13]. No caso da aplicação no PSV, o número de módulos é da ordem de
milhares, motivo pelo qual adotamos neste trabalho o conceito da topologia “Star”.
A norma IEEE 1491 estabelece as especificações e requisitos para seleção de um BMS [6].
A figura seguinte ilustra o sistema descrito no nível de objeto deste trabalho [1].

5. 4
Fig. 6- Sistema modular de armazenamento de energia.
2.1. CONFIGURAÇÕES SÉRIE E PARALELO DE CÉLULAS
As características de tensão e capacidade das células são intrínsecas à química e aspectos
construtivos das mesmas. Assim, a química definida para as células neste trabalho, LiFePO4,
define a tensão das células no valor nominal de 3,2 V [4]. A área das placas de anodo e catodo,
e, portanto, o tamanho da célula define a sua capacidade1
.
Como referido em 2.0, células pertencentes a um módulo são eletricamente conectadas em
série e paralelo. Se o módulo tem “N” células em série, a configuração é descrita como NS 1P
(2S 1P, 4S 1P, etc.). Se as células estão arranjadas em paralelo, a configuração é descrita 1S
NP (1S 2P, 1S 4P, etc.) [11]. Nos casos mais gerais, a configuração é uma combinação de série
e paralelo. Por exemplo, um pack de baterias Ion-Li para laptop tem configuração 4S 2P, ou
seja, 2 strings paralelos cada um com 4 células em série: 8 células no total.
A especificação de Voltagem e Carga do sistema de baterias é atendida por meio da associação
elétrica em série e paralelo das baterias. Adicionando baterias a um string em série, a Voltagem
do conjunto aumenta proporcionalmente enquanto a capacidade Ah permanece a mesma. O
oposto ocorre ao adicionar baterias a um string paralelo, a Voltagem permanece enquanto a
capacidade Ah aumenta proporcionalmente às células adicionadas, conforme ilustrado na figura
a seguir [10] [11].
Para o exemplo do pack 4S 2P de baterias Ion-Li para laptop, as células são de modelo padrão
18650, com 4,2V e 2,6 Ah (pequena área: 18 x 65 mm) cada, portanto, o pack 4S 2P é
especificado para 16,8 V e 5,2 Ah [13].
1
A capacidade de uma célula é medida em unidades de energia, W.h. É comum na literatura a referência à
capacidade da bateria em A.h. Isto ocorre porque, como a tensão é inerente à química e independe dos aspectos
construtivos, é sempre determinada e, multiplicando a tensão pela capacidade A.h, obtém-se a capacidade em W.h.

6. 5
Fig. 7-Conexão de 4 baterias, de 1,2V (NiCd) e 1000 mA cada, em série, 4S 1P (acima), e paralelo, 1S 4P (abaixo) [10].
Neste trabalho admitimos que as células componentes de um Módulo sejam todas montadas em
série ou paralelo (quanto à configuração elétrica do circuito) e os Módulos montados na
configuração oposta para atender à especificação do Pack. Portanto, se as células estão em
série, os Módulos estão em paralelo, ou vice-versa.
3. Trabalho realizado
A seguir são descritas as atividades e métodos empregados no trabalho.
3.1. ATIVIDADES
A sequência de atividades do estudo:
 Revisão bibliográfica e levantamento dos parâmetros de custo e confiabilidade dos
componentes do Sistema (Figura 6): células de bateria Ion-Li e placas de controle lógico.
 Seleção do método de análise de confiabilidade do sistema, considerando as opções:
o Diagrama de blocos
o Cadeias de Markov
o Redes Petri
o Simulação de Monte Carlo
 Seleção do método de análise econômica
 Seleção do método de otimização, considerando as opções:
o Simulated Annealing (SA)
o Colônia de Formigas (ACO)

7. 6
o Algoritmo Genético (GA)
 Identificação da ferramenta computacional
 Modelagem
 Análise dos resultados obtidos
 Elaboração do relatório da análise
3.2. METODOLOGIA
Segue o racional dos métodos selecionados para este trabalho.
3.2.1- Análise de confiabilidade: Diagrama de Blocos
O critério de falha de uma célula neste trabalho é definido pela sua incapacidade de manter a
diferença de potencial e, portanto, de prover energia elétrica ao circuito.
Inúmeras causas levam à falha assim definida para as células e um estudo anterior tratou em
detalhe desta matéria [3]. De modo geral, podemos citar:
 Defeitos de fabricação - que neste caso, não necessariamente resultam nas denominadas
“falhas de infância”, podem produzir falhas intermitentes e aleatórias durante a vida útil
do equipamento.
 Perda de integridade estrutural da célula - vazamentos ou degradação do eletrólito, curto-
circuito interno devido ao crescimento de dendritas entre catodo e anodo, etc.
 Perda de integridade devido a outros elementos do pack - geração de calor devido a falha
no sistema de resfriamento do pack, sobrecargas devidas a falhas de controle do BMS,
geração anormal de calor em células vizinhas, etc.
 Causas externas - choques mecânicos, temperatura ambiente abaixo ou acima da faixa de
temperatura especificada para operação das células, no caso -20°C a +60°C (por
exemplo, uma das funções do PSV é combater incêndios nas plataformas, sendo o navio
dotado de um canhão de água para este fim), superposição repentina de demanda das
cargas principais do PSV simultaneamente ligadas, repentino desligamento das cargas do
PSV numa manobra, etc.
Um Módulo de Baterias falha, se qualquer uma das células que o constituem falhar. Se a
configuração for em série, a falha de uma célula resulta na redução de Voltagem do Módulo
impedindo o funcionamento normal de cargas importantes do PSV. Se as células estão
montadas em paralelo no Módulo, a falha de uma delas implica na perda de capacidade e
sobrecarga das demais células, situação que pode conduzir ao desligamento protetivo do Banco
de Baterias ou dar origem a situações de perigo, como incêndios.
Procedimentos especiais de rebalanceamento e equalização dinâmica podem ser aplicados ao
projeto do Banco de Baterias como proposto em algumas pesquisas [15] e a especificação dos
equipamentos e instrumentos conectados ao grid pode contemplar critérios específicos para a
faixa dinâmica de variação da tensão e corrente no grid, conforme recomendado em análise de
riscos anterior [3]. Neste trabalho não foram considerados procedimentos especiais.

8. 7
O critério de que um Módulo falha sempre que qualquer das suas células componentes
falhar, é naturalmente representado na forma de um diagrama de blocos em série,
independente das células estarem arranjadas em série ou paralelo no diagrama elétrico do
Módulo.
Este trabalho considera:
 Confiabilidade da Célula – Estimada com base em distribuição exponencial da taxa de
falha das células, típica de componentes eletroeletrônicos sujeitos a falhas aleatórias na
porção da sua curva de vida onde se observa taxa de falha aproximadamente constante.
 Confiabilidade do Módulo – Calculada considerando o número total de células
componentes num diagrama de blocos em série.
 Confiabilidade do Pack – Conforme será observado em 4.4, admitimos entre as
alternativas de projeto a adoção de redundância passiva ao nível dos Módulos, podendo
variar na faixa de 0% a 100% de redundância. Em termos práticos, o controle Máster
incluirá lógica e switch para, ao detectar condição de falha em um Módulo o desligar do
circuito e transferir integralmente a carga para qualquer outro Módulo disponível em
stand-by. Esta é uma típica configuração “K em N”, onde apenas K componentes do total
de N componentes do sistema precisam funcionar para que o mesmo desempenhe sua
função. Neste trabalho, como o número de células e Módulos não é conhecido a priori
sendo dinamicamente determinado para cada combinação das alternativas descritas em
4.4, foi adotado um modelo simplificado na forma de um diagrama de blocos com um
número de subsistemas compostos por um Módulo ativo e sua redundância. A
confiabilidade do subsistema é calculada em paralelo e a quantidade destes subsistemas é
igual ao número de Módulos com redundância. A confiabilidade do Pack é calculada em
série dos subsistemas com redundância e o restante do número de Módulos sem
redundância.
Para que o modelo considere também a confiabilidade do hardware do BMS (especificamente
das controladoras Slaves e Máster), devem ser incluídos nos diagramas: (i) um bloco
representando a controladora Slave em série com as Células para o cálculo de confiabilidade do
Módulo; e, (ii) um bloco representando a controladora Máster em série com os Módulos para
cálculo de confiabilidade do Pack.
3.2.2- Análise econômica: Life Cycle Cost (LCC)
Foi adotado o método de estimativa paramétrica do LCC, conforme definido na Norma IEC
60300-3-3, tópicos 4.2 e 4.5.3.4, considerando o investimento de aquisição (acquisition cost) e
custos de manutenção (ownership cost) do Banco de Baterias (Pack). Principais considerações:
 Por aspectos construtivos dos módulos (juntas soldados, desbalanceamento elétrico
resultante da substituição de uma única célula, etc.), células defeituosas não podem ser
reparadas. Os módulos são componentes não reparáveis e, em caso de falha, são
substituídos por um novo.
 Custos da atividade de substituição dos Módulos (tempo da mão-de-obra, ferramentas,
etc.) são considerados desprezíveis na presença do custo de um Módulo novo.

9. 8
 Não foi considerada uma “penalidade” pelo tempo indisponível durante a substituição de
Módulos falhos. Conforme 4.1, o intervalo de tempo entre os ciclos de operação do PSV é
significativo, viabilizando, quando necessário, a realização das substituições entre ciclos,
sem impacto à operação (intervenção de oportunidade).
 Não foram considerados custos com o descarte das baterias (disposal cost, conforme IEC
60300-3-3).
 Para evitar a premissa de uma vida útil do PSV, que influencia o cálculo do LCC, este
trabalho adota a forma de cálculo do LCC a Valor Presente (VP), considerando um fluxo
de caixa em perpetuidade descontado a um custo médio ponderado de capital, WACC. O
cálculo fica: VP(LCC) @ WACC = Custo_de_Aquisição + Custo_de_Manutenção / WACC.
 O LCC é calculado em milhões de dólares americanos (USD) e não considera efeitos de
inflação ao longo do fluxo de caixa do projeto.
3.2.3- Otimização: Simulated Annealing (SA)
O objetivo do trabalho é minimizar o custo com o Banco de Baterias, atendendo aos requisitos
da Dependabilidade, que incluem a confiabilidade do mesmo. Ou seja, a confiabilidade do Pack é
restrição. O custo é objetivo.
Assim, temos um problema de otimização mono-objetivo não linear. Esta definição descarta
métodos de programação linear. Entre os métodos não lineares, O Simulated Annealing (SA) é
adequado para problemas com objetivo único, tendo sido amplamente observada sua eficácia na
determinação de soluções globais ou, mais comumente, de soluções bastante próximas destas
[16].
O SA envolve um número menor de parâmetros inerentes ao método se comparado a outros
algoritmos, requerendo menos premissas para sua aplicação. Principais considerações:
 “Temperatura” inicial, T = 4.500 – Aproximadamente maior, por uma ordem de grandeza
10, em relação ao valor do objetivo para o caso base inicial (USD 453,29 MM, para a
configuração da especificação na referência 1).
 “Taxa de resfriamento”, T = 0,100 – Fator de redução da temperatura a cada iteração do
algoritmo SA.
3.2.3- Ferramenta computacional
O modelo descrito para os cálculos de confiabilidade e econômicos foi implementado em planilha
eletrônica do aplicativo MS Excel e o algoritmo SA de otimização foi desenvolvido por este autor
em VBA2
, código-fonte disponível no Anexo A. A planilha com o modelo está no Anexo B.
A escolha desta ferramenta teve motivadores:
 Ferramenta integrada – todos dados, cálculos e otimização numa única planilha.
 Utilização da própria planilha como uma GUI3
amigável e facilmente parametrizável.
2
Visual Basic for Applications
3
Graphic User Interface

10. 9
O desempenho da rotina VBA na execução dos procedimentos foi adequado (cálculos SA
rodaram em menos de 1 minuto).
4. Parâmetros e alternativas de projeto
A seguir são apresentados os parâmetros de cálculo e as alternativas analisadas.
4.1. PARÂMETROS DA DEPENDABILIDADE
A operação do PSV consiste em um ciclo por semana. O ciclo fechado entre o terminal portuário
e a plataforma a 40 km de distância, consome 3,5 horas entre a viagem de ida, transferência de
cargas e equipes operacionais de/para a plataforma, viagem de retorno e manobras no porto.
Em cada ciclo completo, o Banco de Baterias (Pack) passa por 2 ciclos completos de carga e
descarga, referentes à operação do PSV em modo battery-only nas manobras na propulsão em
raio de 10 km do porto com o objetivo de evitar o uso dos grupos geradores em demanda
reduzida de potência, melhorando a eficiência energética do PSV, e para reduzir a exposição das
comunidades adjacentes ao porto das emissões de particulados NOx e CO2 dos grupos
geradores [3].
Em um ano, o PSV realiza 52 ciclos completos (183 horas/ano de operação) e o Banco de
Baterias passa por 104 ciclos completos de carga e descarga.
O requisito de confiabilidade é definido para o sistema do Banco de Baterias com mínimo
requerido de 90% para o ciclo de operação do PSV.
Capacidade requerida do Pack 1.040 kWh
Confiabilidade requerida do Pack 90% Para 1 ciclo de operação do PSV
Ciclo de operação do PSV 3,5 h
Ciclos diários do PSV 0,14 (1 viagem por semana)
Ciclos carga/descarga das baterias 2 por ciclo de operação do PSV
Período de operação do PSV para o LCC 1 ano 183 h de operação PSV 52 Ciclos de operação PSV 104 Ciclos carga/descarga das baterias por ano
4.2. PARÂMETROS DE CONFIABILIDADE DOS COMPONENTES
As baterias são do tipo Ion-Li com química selecionada: LiFePo4 - o que define algumas
características intrínsecas das células: Tensão de 3,2V e Life time de 2.000 ciclos de carga e
descarga (aproximadamente 5 a 6 anos de vida útil), quando é esperado uma perca de 80% na
capacidade das células em relação à nominal. Estes valores foram identificados tanto em
publicações especializadas [4] quanto nas especificações dos fornecedores [7. Entre outros].
Tensão da célula 3,2 V, determinada pela seleção da química da célula (LiFePO4)
Cells Life time @80% DoD 2.000 ciclos carga/descarga, característica da química da célula
Com relação às controladoras Máster e Slaves, a revisão bibliográfica permitiu localizar
referências com informações fenomenológicas dos modos, distribuições e taxas de falha para
placas controladoras [17][18][19].

11. 10
Dados experimentais sugerem taxas de falhas das microcontroladoras na ordem de 220 FIT (1
Failure unit = 1 FIT = 1 failure/10 x 109
device hrs), equivalente a vida característica na ordem
de milhares de anos de operação do PSV. Por este motivo, as controladoras foram desprezadas
no modelo de cálculo de confiabilidade do Banco de Baterias.
4.3. PARÂMETROS ECONÔMICOS
Diferentes opções de configuração dos Módulos envolvem custos diferentes para aquisição e
substituição dos mesmos. Foi realizada pesquisa dos valores correntes dos componentes do
Banco de Baterias, conforme tabela seguinte.
Item
Preço
FOB
(USD)
Dimensões
(mm)
Peso
(Kg)
Cell
Capacity
(Ah)
Module
Capacity
(Wh)
USD/
Wh
BMS Kit for LiFePO4 (Master EP128, 2 relay 500A, Slave, Cabo e Modbus/RS485) 850
Master CPU + SOC Gauge + Shunt 528 214 x 123 x 64 0,92
Master for LiFePO4, water resistant case (CPU only, Relays not included) 460 USD 305 a 460. Suporta de 4 células 20, 40, 60, 100, 200 até 156 células 500 Ah
Master EP128 for LiFePO4 (CPU only) 135 146 x 68 x 50
Slave module board for LFP 4-cell string (40, 60, 100, 200 Ah cells, 500V pack, no case) 122,5
500A Charge/Discharge Relay for BMS (2 unid.) 420
Shunt for BMS 35
CAN Communication Modbus/RS485 85
SOC gauge 30
LVD Low Voltage Disconnect 20
Cables between Master/Slave (5 wire, 1830 mm lenght) 20
Cables extension for LFP prismatic modules 20
4 cells module, LiFeMnPO4 prismatic (12,8V 10C), 4S, Plastic case 124 178 x 76 x 165 3,0 20 256 0,484 Média 0,497 USD/Wh
4 cells module, LiFeMnPO4 prismatic (12,8V 10C), 4S, Aluminum case + connecti set 240 208 x 126 x 188 6,6 40 512 0,469 Referência 0,3 - 0,6 USD/Wh
4 cells module, LiFeMnPO4 prismatic (12,8V 10C), 4S, Aluminum case + connecti set 367 280 x 126 x 180 9,2 60 768 0,478 “Guide to Batteries”, Johnson Matthey Battery Systems, 2nd edition, 2012
4 cells module, LiFeMnPO4 prismatic (12,8V 10C), 4S, Aluminum case + connecti set 615 280 x 140 x 243 12,8 100 1280 0,480
4 cells module, LiFeMnPO4 prismatic (12,8V 10C), 4S, Aluminum case + connecti set 1470 500 x 142 x 259 24,9 200 2560 0,574
LiFePO4 cell 3,2V 675 500 1600 0,422
LiFePO4 cell 3,2V 945 700 2240 0,422
LiFePO4 cell 3,2V 1223 700 2240 0,546
LiFePO4 cell 3,2V 1323 1000 3200 0,413
LiFePO4 cell 3,2V 1350 1000 3200 0,422
Fonte: AAPortable Power Corp, http://www.batteryspace.com, consultado em 23/11/16
http://3xe-electric-cars.com/get-into-store/lithium-battery-lifepo4/
Notes
It eliminates the need of external relays/contacts for cutoffs and the need of external curre
Battery Voltage: 12-500 V, Maximum number of cells supported: 140
Expansível para 140 cells in daisy chain connection
Fig. 8- Preços dos componentes – Data base: 23/11/16.
Destes, os valores mais importantes ao problema são os preços dos Módulos, pesquisados em
dois diferentes fornecedores para células Ion-Li de química semelhante às adotadas neste
trabalho. Pode-se observar que os preços variam de forma aproximadamente linear com a
capacidade em Wh do Módulo, sendo o valor médio determinado nesta pesquisa: 0,497
USD/Wh. Este valor é consistente com a faixa de valor informado em referências bibliográficas
[4][20].
Fig. 9- Modelo paramétrico do custo de Aquisição dos Módulos – Data base: 23/11/16.

12. 11
Em termos de hardware, além das controladoras citadas, e admitindo que a unidade Máster é
integrada com SOC Gauge, Low Voltage Disconnect (LVD), Shunt e interface MODBUS/RS485 do
BMS, um típico banco de baterias inclui dois Frame Relays (Charge / Discharge) e cabos de
conexão entre as controladoras Máster e Slave.
Portanto, o investimento de aquisição, para a instalação inicial (CapEx) inclui:
 1 Controladora Máster: USD 460
 2 Frame Relay: USD 420
 1 conjunto de cabos: USD 20 por Módulo
 Controladoras Slave: USD 122,50 por Módulo
 Módulos: 0,497 USD/Wh por Módulo
Para o custo de manutenção, consideramos apenas os 3 últimos custos a cada substituição de
Módulo que falhou, sendo o custo de manutenção calculado em base anual, considerando o
número esperado de falhas dos módulos em 1 ano.
No cálculo do valor presente do LCC, consideramos custo médio ponderado de capital, WACC =
8,0% ao ano, típico dos projetos de capital em grandes empresas.
4.4. ALTERNATIVAS ANALISADAS
Os requisitos da Dependabilidade poderão ser atendidos pelo sistema de baterias com diferentes
opções das células (diferentes tamanhos e capacidades para a química LiFePO4), resultando
diferentes quantidades de células, configurações nos Módulos, quantidades e capacidades dos
Módulos envolvidos (lembrando que no modelo a capacidade determina o preço do Módulo,
Figura 9). A tabela seguinte é um exemplo da diversidade de especificações comercialmente
disponíveis de células Li-Ion, especificamente da química LiFePO4.
Fig. 10- Exemplo de especificações de células LiFePO4 comercialmente disponíveis [7].
Este trabalho considera as seguintes alternativas para as variáveis de projeto do Sistema de
Baterias:
 Especificação de capacidade da célula (tamanho da célula), em Ah,
 Voltagem de saída do Banco de Baterias

13. 12
 Redundância dos Módulos
A figura seguinte apresenta as faixas de opções consideradas. As linhas destacadas em amarelo
identificam as opções do caso base da especificação [1].
1 180 1 300 Lim. Inferior 0%
2 250 2 350 Lim. Superior 100%
3 300 3 400
4 400
5 500
6 700
7 1000
RedundânciaOpções de voltagemOpções de células
Fig. 11- Faixas de opções consideradas para as alternativas estudadas.
Além das opções de células de diversas capacidades e da opção de redundância, referida em
3.2.1, consideramos também opções de voltagem diversas da adotada no caso-base da
especificação do sistema [1], de 300 V. As opções consideradas foram mantidas na faixa típica
de equipamentos industriais, 300 V a 400 V, com objetivo de minimizar investimentos em
transformadores no grid do PSV, já que este tipo de equipamentos geralmente é representativo
na composição de investimento de projetos de centrais elétricas de grande porte, que é o caso,
e, possivelmente, seriam necessários, caso outras opções de voltagem fossem consideradas.
As 7 opções de células, 3 opções de voltagem e 10 opções de redundância (considerando
incremento discreto de 10%) produzem 2,3 E+25 combinações possíveis, comprovando a
necessidade de utilização de algoritmos para localização de uma solução otimizada.
5. Definição do problema de otimização
O problema proposto pode ser adequadamente descrito por:
Sujeito a:
Confiabilidade do Pack ≥ 90% para 1 ciclo de operação do PSV
Redundância = [0% a 100%]
Voltagem = [300 V | 350 V | 400 V]
Capacidade da célula = [180 Ah | 250 Ah | 300 Ah | 400 Ah | 500 Ah | 700 Ah | 1000 Ah]
Capacidade requerida do Pack = 1040 Wh
Número de ciclos das Baterias por Ciclo de Operação = 2
Número de ciclos das Baterias por Ano = 104

14. 13
6. Resultados
O gráfico na figura seguinte descreve a convergência da solução encontrada pelo algoritmo SA
do Anexo A para o problema descrito em 5.0.
Fig. 12- Convergência da solução SA.
Na próxima figura observamos que a solução encontrada pelo algoritmo produz também a maior
confiabilidade para o Pack em comparação às soluções anteriores.
Fig. 13- Evolução da confiabilidade do Pack na solução por SA.
A seguir o resumo da solução determinada na análise de otimização SA:
Capacidade das células 500 Ah
Voltagem nominal do Pack 300 V
Módulos redundantes 100%

15. 14
Número de Módulos 7, arranjados em paralelo
Módulos Stand-by 7 (100% de redundância)
Configuração do Módulo 94 S 1 P
Confiabilidade do Pack 94,50% para 1 ciclo de operação do PSV
MTTF do Módulo 21 ciclos de carga/descarga
Número esperado de falhas dos módulos 68 por ano
Investimento de aquisição por módulo 74.003 USD
Instalação inicial do Pack (Capex) 1.036.917 USD
Custo das substituições dos módulos (Corretiva) 5.032.178 USD/ano
LCC @ 8%aa 63,94 USD MM
Fig. 14- Sinopoly 500Ah LiFePO4 lithium battery, similar à constante na solução encontrada.
7. Conclusão
A solução encontrada apresenta o menor custo no ciclo de vida, atendendo ao requisito de
confiabilidade, resultando uma configuração mais eficiente para especificação do sistema de
baterias do PSV.
O exercício sinaliza que, para grandes sistemas de baterias em navios, a aplicação de sistema
híbrido de energia em base operacional regular deve considerar a alocação de redundâncias.
Com relação ao algoritmo de otimização SA, o mesmo demonstrou desempenho satisfatório na
aplicação a este trabalho. Ficou bastante evidente ao autor que a sua eficiência em encontrar
ótimos globais depende de se considerar uma temperatura adequada e, principalmente, baixa
taxa de resfriamento. Não é o caso deste trabalho, mas, para algumas classes de problema
estas condições podem implicar em excessivo tempo para convergência da solução.
7.1. DESENVOLVIMENTOS A PARTIR DO PRESENTE TRABALHO
Os seguintes tópicos são de interesse para futuros desenvolvimentos:

16. 15
 Levantamento experimental de dados de confiabilidade das baterias Ion-Li. A
disponibilidade de dados experimentais é bastante restrita, sendo os ciclos de Life Time
resultantes de extrapolações lineares a partir de dados de ensaios acelerados.
 Modelagem contemplando configurações série-paralelo das células nos Módulos.
 Modelagem contemplando arquitetura modular híbrida para o BMS.
8. Referências
[1] Cardoso, T. L. M., Martins, M. R., “RCGI Project 7 - Hybrid Platform supply vessel (PSV)
General System Specification”, USP, 2016.
[2] Fujian shipbuilding. 87M PLATFORM SUPPLY VESSEL. Disponível em:
<http://www.fujianshipbuilding.com/87m-platform-supply-vessel/>.
[3] Cardoso, T. L. M., Martins, M. R., “Ship hybrid power system Project - Preliminary hazards
identification by the structured what-if technique (SWIFT)”, USP, 2016.
[4] JOHNSON MATTHEY BATTERY SYSTEMS. “Guide to Batteries”. 2nd edition, 2012.
[5] “Battery Management Systems (BMS)”. Disponível em:
<http://www.mpoweruk.com/bms.htm>, acessado em: 23/11/16.
[6] IEEE 1491: 2005. Guide for Selection and Use of Battery Monitoring Equipment in Stationary
Applications.
[7] Catálogo de fabricante, “CYCLIC BATTERIES - LITHIUM-ION BATTERIES”, BATTERY
SUPPLIES.BE.
[8] Manual do Usuário, “BATTERY MANAGEMENT SYSTEM Master – Slave configuration”, REC,
Slovenia. Disponível em: <http://www.rec-bms.com>, acessado em: 23/11/16.
[9] “BATTERY MANAGEMENT ARCHITECTURES FOR HYBRID/ELECTRIC VEHICLES”, Automotive,
p.8-10, march 2009.
[10] “BU-302: Series and Parallel Battery Configurations”, Disponível em:
<http://batteryuniversity.com/learn/article/serial_and_parallel_battery_configurations>
[11] “Modularity and Stacking of A123 ALM 12V7 Lithium Ion Batteries”, Disponível em:
<http://www.buylithiumbatteries.com/Articles.asp?ID=252>
[12] “Make an inexpensive Lithium-Ion Battery Pack”, Disponível em:
<http://www.instructables.com/id/Make-an-inexpensive-Lithium-Ion-Battery-Pack/>
[13] Bingeman, M., Jeppesen, B., “Improving Battery Management System Performance and
Cost with Altera FPGAs”, Altera Corp., May 2016.
[14] “Battery Management System (BMS) up to 1000 Volt”, Karlsruhe Institute of Technology,
2013.
[15] Annavajjula, V. K., “Failure accommodating battery management system with individual
cell equalizers and SOC observers”, MSc. Thesis, University of Akron, 2007.

17. 16
[16] Ingber, L., “Simulated annealing: Practice versus theory”, J Mathl. Comput. Modelling, v.
18, n.11, p.29-57, 1993
[17] Hu, C., “IC Reliability Simulation”, IEEE Jr. of Solid-State Circuits, v.27, n.3, p.241-246,
1992
[18] Wyrwas, E., “Performance and Reliability of Integrated Circuits within Computing Systems”
[19] Fuller, L., “Reliability of Integrated Circuits and Semiconductor Devices”, Rochester
Institute of Technology, Jan 2005
[20] Barnett, B., Ofer, D., Yang, Y., Oh, B., Rempel, J., “PHEV BATTERY COST ASSESSMENT”,
TIAX LLC, May 19, 2009
9. Anexos
A- Código-fonte VBA da rotina de Otimização utilizada: Arquivo “Simulated Annealing
VBA.pdf”
B- Planilha com o modelo desenvolvido: Arquivo “Modelo.xlsm”