Testando Baterias com Cargas Eletrônicas (INS586)
Testando Baterias com Cargas Eletrônicas (INS586)
Cargas eletrônicas podem ser usadas para descarregar baterias de vários tipos, determinando dessa forma sua capacidade real, capacidade de retenção, impedância interna e outras características importantes quando usamos este tipo de fonte de alimentação. Veja neste artigo baseado em Application Note da Keysight (Agilent Technologies), como testar baterias usando cargas eletrônicas.
O aumento das aplicações portáteis, alimentadas por bateria faz com que diversas tecnologias sejam usadas, conforme as características do equipamento que deve ser alimentado.
As baterias recarregáveis são usadas numa infinidade de aplicações que vão de ferramentas portáteis que exigem elevadas correntes por curtos intervalos de tempo à aplicações em telecomunicações e aquisição de dados, onde a autonomia é o fator que mais importa.
As baterias recarregáveis são atualmente disponíveis baseadas em diversos tipos de química, cada qual apresentando características únicas. Na tabela 1 mostramos os diversos tipos de baterias disponíveis com suas principais características e vantagens
Tabela 1 (*)
Níquel-Cádmio Chumbo-Ácido-Gel Lítio Zinco-Carbono Alcalina óxido de prata Óxido de mercúrio
Volts/Célula 1,2 2,0 1,5 a 1,0 1,5 1,5 1,5 1,4
Aplicação Equipamento portátil geral Serviço de Standby recarregável Backup de memória, marca-passos, fechaduras, TX sinalizadores de emergência Uso geral Uso geral de maior autonomia Relógios, parelhos auditivos, tipo botão relógios, aparelhos de audição, tipo botão
Método de Carga CC CC N/A N/A N/A N/A N/A
Ciclos de vida 500 ou mais 200 ciclos N/A N/A N/A N/A N/A
Vida útil (carregada) 3 meses 1 ano 5 a 10 anos 1 a 5 anos 5% de descarga ao ano 6% de descarga ao ano 4% de descarga ao ano
Temperatura de operação 20 a 70 oC -20 a 65 oC -55 a 75 oC -5 a 55 oC -30 a 55 oC -20 a 55 oC -10 a 55 oC
Performance Descarga e carga e carga Alta capacidade Descarga plana, boa densidade de energia Baixo custo, descarga lenta Boa densidade de energia Mais energia que os tipos de mercúrio, descarga plana Descarga plana
(*) Esta tabela é de 2004, quando o artigo original foi elaborado. Hoje temos novos tipos disponíveis.
Existem sete procedimentos de teste padronizados para se obter as características de baterias secundárias:
Resistência interna efetiva
Efeito da velocidade de descarga na capacidade a 20 oC
Efeito da velocidade de descarga na capacidade a 23 oC
Performance no ciclo de vida
Sobrecarga estendida
Existem outros testes que podem ser feitos, tais como tensão de partida, carga rápida, etc., no entanto, os descritos acima, em geral são suficientes para se fornecer o que é necessário para se escolher uma bateria para uma aplicação.
O importante nesses testes é notar que as características de uma bateria mudam bastante com a temperatura. Acima, os testes devem ser feitos com essas características controladas, com uma precisão de +/- 2 graus Celsius.
Os equipamentos necessários para a realização dos testes consistem numa fonte de corrente para carga de baterias secundárias, um monitor de tensão, um monitor de corrente, uma carga e um instrumento para a medida de tempo. Na figura 1 temos a configuração típica usada nestes testes.
É importante observar também que a própria temperatura da bateria pode se alterar durante os testes, o que vai exigir o emprego de sistemas de refrigeração para as mesmas. Analisemos os diversos itens a serem testados:
Capacidade Especificada
A principal medida a ser realizada para se obter a performance de uma bateria é a sua capacidade. Os testes devem ser feitos simulando um usuário típico.
A capacidade de uma bateria totalmente carregada a uma determinada temperatura é definida como o produto da corrente de descarga especificada (em ampères) pelo tempo de descarga (em horas) até uma tensão mínima em volts, Na figura 2 temos o gráfico típico de descarga de uma bateria.
Uma bateria está completamente descarregada quando entre seus terminais existe uma tensão denominada "tensão de fim de descarga" (EODV = End of Discharge Voltage). O EDOV para uma bateria de níquel-cádmio está tipicamente entre 0,9 e 1,1 V.
A capacidade de uma bateria varia de acordo com a taxa de descarga, conforme mostra o gráfico da figura 3.
Um teste importante consiste em se saber como a velocidade de descarga afeta a capacidade de uma bateria. Normalmente, nos processos de descarga lenta, a bateria apresenta maior capacidade, ou seja, pode fornecer mais energia a uma carga.
Como existe uma interligação entre a capacidade e a velocidade de descarga é comum que os fabricantes padronizem a taxa de descarga para a qual a capacidade é válida. O tempo de 20 horas de descarga é um valor comum, sendo indicado por C/20. (Capacidade para 20 horas de descarga).
Outra forma é dizer qual é a taxa de descarga para um período de tempo, por exemplo, 500 mAh @ 6 horas de descarga.
A capacidade média e máxima são obtidas colocando a bateria em 5 ciclos de carga e descarga sucessivos. Depois, as baterias são colocadas em um ambiente de temperatura controlada de 23 oC.
O teste é feito depois com uma carga completa em períodos de 20 a 24 horas e deixadas em repouso em períodos de 2 a 4 horas. As baterias são então descarregadas num processo de fornecimento de corrente constante até o EODV de 0,9 V.
O quinto valor obtido em termos de capacidade neste teste é então usado para os testes seguintes e também os valores encontrados nos três últimos testes.
Esse teste consiste em se determinar por quanto tempo uma bateria completamente carregada pode manter sua capacidade, em condições específicas. O termo técnico inglês para especificar esta característica é "shelf life" ou "vida na prateleira".
Este teste não deve ser confundido com o teste que mostra como a descarga da bateria ocorre de modo espontâneo devido a fugas internas em seu eletrólito ou devido a reações química espontâneas, também denominado "self discharge ou auto-descarga.
O procedimento para se determinar a capacidade de retenção de uma bateria é simples, devendo ser feito imediatamente depois dos 5 ciclos de carga e descarga. A bateria é armazenada durante vários dias em um local com temperatura controlada e depois descarregada com uma corrente constante até um EODV de 0,9 V.
A capacidade obtida não deve ser menor do que 97% da capacidade total da bateria. O número de dias em que a bateria deve ficar armazenada depende da temperatura, a qual deve variar entre 23 oC e 50 oC.
Impedância Interna Efetiva
A impedância de uma bateria também depende da temperatura, o estado de sua carga e também da frequência da carga, A impedância efetiva de uma bateria é menor para plena carga do que para uma bateria descarregada.
Ter uma resistência interna baixa é muito importante quando a bateria precisa fornecer correntes elevadas por curtos intervalos de tempo. O uso em condições de baixa temperatura e o longo período de armazenamento aumenta a resistência interna de uma bateria.
As baterias de Níquel-Cádmio, além da resistência interna também apresentam uma capacitância. Neste caso a capacitância faz com que esta bateria funcione como uma espécie de filtro, eliminando ripples nos circuitos em que são geradas variações rápidas de corrente.
A bateria deve estar completamente carregada. As baterias especificadas para 5 Ah ou menos são descarregadas a uma velocidade de 10C durante 2 minutos e então comutadas para 1C. A tensão na bateria é registrada antes e depois da comutação até o ponto em que assuma o valor mais alto depois da comutação. As medidas devem ser feitas diretamente nos contactos da bateria.
A resistência efetiva será então calculada pela seguinte fórmula:
Re = (Av/AI) = [(VL – VH)/(IH – IL)]
IH, VH são a corrente e a tensão registrada imediatamente antes da comutação.
IL, VL são a corrente e a tensão máxima registradas depois da comutação
Para este teste a bateria deve estar completamente carregada. Uma fonte de corrente AC numa frequência de aproximadamente 1 kHz é ligada aos terminais da bateria. A corrente AC através da bateria e a tensão nela são medidas.
A impedância é então calculada pela Lei de Ohm, dividindo-se a tensão pela corrente. Uma alternativa interessante para este método de teste que leva aos mesmos resultados é utilizar uma carga variável a 1 kHz à plena corrente em lugar de uma fonte.
Efeito da Velocidade de Descarga na Capacidade
Uma descarga rápida de uma bateria faz com que sua capacidade diminua. O teste é feito em baixas temperaturas .
A bateria deve estar plenamente carregada a 23º C e depois armazenada imediatamente por 245 horas a uma temperatura de -20º C, fornecendo uma corrente constante de 1C (1 vez sua capacidade em Ah) até um EODV de 0,9 V.
Depois o procedimento é repetido em taxas de descarga de 5C e C/5. O mesmo teste é depois repetido a uma temperatura de 23º C a um EODV de 0,9 V.
Para cada seis ciclos de descarga, o fabricante fornece o valor da capacidade esperada como uma porcentagem de C. Cargas e descargas abaixo das especificações não são recomendadas.
Performance em Ciclo de Vida
O teste do ciclo de vida é uma medida que indica o que se espera da bateria no serviço real. Essa característica é dada pela carga dinâmica da bateria numa simulação de situação real para 50 ou mais ciclos de cargas e descargas, conforme dado a seguir:
A bateria é levada a cinco ciclos estabilizadores de acordo com os procedimento que vimos anteriormente.
Ciclos de 1 a 48
1. Carga de 11 horas e 20 minutos com C/10
2. Descarga imediata com 1 C durante 40 minutos
3. Sem descanso
Ciclos de 48 a 50
1. Carga de 20 horas a C/10
2. Descanso de 2 a 4 horas
3. Descarga a 1C até EODV de 0,9 V
Repetição dos ciclos: Repita os ciclos de 1 a 50, se desejado.
A capacidade no ciclo 50 e múltiplos não deve ser menor do que o estabelecido para este procedimento pelo fabricante.
A capacidade de uma bateria de suportar uma sobrecarga é medida com uma carga de corrente constante de C/10., ou o valor máximo recomendado pelo fabricante, numa temperatura ambiente de 23 oC durante 5 meses.
A bateria, em nenhum momento deve apresentar fugas ou vazamentos de eletrólito nem evidências de mal funcionamento. Quando descarregada a uma corrente constante de 1 C para um EODV de 0,9 V, a bateria deve ter uma capacidade igual ou maior do que a especificada para uma sobrecarga.
Além dos testes indicados, existem outros que são realizados com baterias de Nicad. Estes testes envolvem alta taxa de carga e descarga.
A carga de alta intensidade de uma bateria de níquel-cádmio (Nicad) é possível graças a processos novos de construção dessas células. A baixa resistência interna de uma bateria desse tipo permite altas correntes de descarga.
Se elas são descarregadas continuamente através de um curto-circuito, o autoaquecimento pode causar danos irreparáveis. Assim, descarga contínua maior do que 1C deve ser evitada, de modo a se evitar problemas.
Altas correntes (maiores que 2C) podem ser obtidas através de pulsos com pequenos ciclos ativos, de modo a se evitar que altas temperaturas ou a formação de gases ocorra.
No entanto, a capacidade dos pulsos de descarga é difícil de prever, dada a possibilidade de infinitas combinações de tempo de descarga, descanso e EODV.
Muitas células podem ser carregadas rapidamente em velocidades até C/3, e tempos tão curtos como 3 ou 5 horas, em lugar do padrão de 12 a 15 horas. Altas velocidades de carga devem ser feitas sob condições controladas onde a temperatura, tensão, pressão, ou alguma combinação desses parâmetros possa ser monitorada, de modo a mantê-las dentro das especificações.
Um método de carga rápida envolve a carga inicial a uma velocidade que excede o máximo recomendado, e depois disso a velocidade de carga é reduzida para menos de C/10. Esse método chamado "carga rápida temporizada" ou "timed fast charge", pode resultar numa carga inicial forçada para uma bateria totalmente esgotada, mas infelizmente tem uma possibilidade potencial de destruir a bateria. A destruição ocorre devido a sobrecarga, porque a capacidade da bateria nestas condições de desconhecida.
Uma variação mais segura do processo de carga rápida temporizada é o método denominado "dump timed-charge" onde a bateria é totalmente descarregada antes (dumped) para o seu EODV e depois recarregada via o processo "timed fast charge". Esse método tem a vantagem de se determinar exatamente quanto de carga deve ser enviada à bateria que está sendo carregada para se obter a plena capacidade, sem o risco de uma sobrecarga.
Um teste final importante, que determina a segurança de uma bateria sob certas condições-limite é feito de forma muito perigosa. Durante este teste a bateria pode explodir causando ferimentos nas pessoas próximas.
Para evitar que isso ocorra, o teste é feito numa câmara de segurança e envolve a ligação da bateria em teste numa fonte de corrente em série, conforme mostra a figura 4.
A polaridade da fonte é a mesma da bateria de modo a forçar uma corrente maior do que a de curto-circuito. Esta conexão simula uma situação em que a bateria é ligada em série com outras baterias ou impropriamente instalada num circuito, provocando assim uma corrente muito intensa. A bateria deve suportar estas condições que podem ocorrer no seu uso real.
Nos testes que vimos, podemos observar que são exigidos alguns equipamentos de testes comuns. Todos os testes envolvem ciclos de descarga sob corrente constante. Uma corrente constante não pode ser obtida com uma simples carga resistiva já que a tensão aplicada muda durante o processo.
Deve ser usado um circuito ativo que permita drenar sempre a mesma corrente mesmo quando a tensão que a bateria fornece varia, caindo durante o processo de descarga. Também deve ser observado que os testes são feitos com correntes de diversas intensidades, o que significa a necessidade de se ter uma carga com controle dinâmico.
A capacidade de controlar a carga através de um computador é importante, já que o processo normalmente ocorre em intervalos muito longos de tempos. Se o teste não for automatizado ele se torna bastante difícil pelos tempos envolvidos. Além disso, num teste longo, deve haver a confiabilidade.
No teste simples de uma bateria ou de uma única célula, uma carga tem apenas a finalidade de descarregar a bateria até o valor EODV e não até zero volt. A figura 5 mostra como isso é feito.
Se a tensão mínima de operação da carga estiver abaixo da EODV da bateria em teste uma solução consiste em se utilizar diversas baterias em série, conforme mostra a figura 6.
Outra possibilidade consiste em se utilizar uma fonte de alimentação (com tensão e correntes suficientes) em série com a bateria, conforme mostra a figura 7. A fonte usada neste caso recebe o nome de "offset supply".
A primeira alternativa, mostrada na figura 6 requer que seja verificada a tensão de cada bateria na pilha de tal forma que se detecte quando qualquer das baterias alcance a EODV. Neste caso, a bateria deve ser retirada do circuito e substituída por um curto-circuito de modo a manter a corrente de descarga.
A segunda alternativa, mostra que usar uma fonte de alimentação é melhor pela possibilidade de se temporizar a carga e força a descarga, testes que precisam de uma fonte DC. Além disso, a fonte de corrente constante pode ser usada como teste de eficiência.
A tensão e a corrente podem ser monitoradas durante o teste, já que a tensão da bateria varia tanto em função de sua composição química como da taxa de descarga. Elas devem ser controladas por computador, de tal forma que os testes sejam paralisados quando a tensão atingir o EODV.
Se um amperímetro não estiver disponível, um shunt pode ser usado em conjunto com um voltímetro ou scanner.
Instrumentos Profissionais de Teste
Diversos são os instrumentos profissionais especificamente projetados para o teste de baterias. A Agilent Technologies, por exemplo, fornece cargas eletrônicas, especialmente projetadas para esta finalidade.
Essas cargas fornecem as correntes constantes necessárias a análise dos processos de descarga e outras medidas, além de utilizarem voltímetros e amperímetros já embutidos proporcionando medidas de grande precisão.
Além disso, essas cargas podem ser controladas por computadores ou por sinais analógicos, facilitando dessa forma a realização dos testes descritos. Mais informações podem ser obtidas em www.agilent.com/find/power.
A versão original deste artigo saiu como INS153 em 2004. Nesta versão foram feitas algumas atualizações.