Tomazelli Woodworking: 2012
Recuperando baterias de NiCd
Eu possuo uma parafusadeira que veio com 3 baterias NiCd. Todas estavam praticamente inúteis depois de 4 anos de uso: uma delas o carregador nem aceitava mais, indicando que a bateria estava estragada; as outras carregavam mas não completamente, a carga delas não servia nem para fazer 10 furos. Eu iria aposentar a furadeira, mas decidi dar uma chance a ela, tentando dar uma melhorada nessas baterias.
As baterias de níquel cádmio – NiCd – são as baterias que era usadas em praticamente todas ferramentas a bateria até um tempo atrás, sendo em alguns casos substituídas por baterias de Hidreto Metálico de níquel – NiMH – e mais recentemente pelas baterias de íons de lítio Li-Ion.
A maioria das ferramentas a bateria de hoje em dia, pelo menos das grandes marcas, usam baterias de Li-Ion. Mas algumas ferramentas ainda usam NiCd e com certeza muitos possuem ferramentas mais antigas que usam essas baterias. Muito se tem falado sobre baterias de NiCd, que elas "enfraquecem" com o tempo, que criam efeito memória, etc. O fato é que baterias de NiCd são extremamente robustas e duráveis, elas possuem cerca de 1000 ciclos de carga e descarga, para comparar as NiMH possuem de 300 a 500 ciclos.
O principal problema das baterias de NiCd é que elas perdem capacidade com o tempo se não forem descarregadas e carregadas da forma correta, e vamos ver que isso não tem a ver apenas com o usuário, tem a ver com o carregador também. Quase sempre, no caso de ferramentas, o carregador faz uma recarga super-rápida, enquanto que o ideal para as baterias de NiCd seria uma carga um pouco mais lenta, ou cargas rápidas intercaladas com uma carga lenta de vez em quando. Não que isso seja um defeito ou problema do carregador, trata-se de uma característica necessária para usar as ferramentas, já pensou ter de esperar 14 horas para a bateria da furadeira ficar carregada? Então, pesando os prós e contras, é melhor que o carregador envie uma carga rápida, mesmo que isso não seja tão bom para a bateria, do que esperar a noite toda para recarregá-la.
Figura 1: Bateria de parafusadeira.
Figura 2: Dados da bateria: tensão (14,4V) e capacidade (1,3Ah).
No corpo da bateria vamos encontrar informações úteis. A tensão dessa bateria é 14,4V. Também encontramos a capacidade que é medida em ampere-hora: Ah. Essa possui 1,3Ah, essa informação é muito importante também para recondicionar corretamente a bateria. Uma bateria é composta por uma ou mais células, há vários formatos de célula sendo que essa bateria usa o formato "Sub C" que parece uma pilha, conforme podemos ver na figura 3. Cada célula de NiCd tem a voltagem nominal de 1,2 V. Então se a bateria tem 12V ela tem 10 células de 1,2V ligadas em série. Ainda observando a figura 3 vemos que há um circuito eletrônico, esse chip com fios amarelos, que serve como um alarme de temperatura, não estudei a fundo mas acredito que serve para o carregador não iniciar a carga caso a bateria esteja acima de uma certa temperatura. Esses fios pretos cortados estavam ligados a um termistor que ficava lá no interior da bateria, entre as células. Eu acredito que ele serve para dar o sinal de carga completa para o carregador, pois com carga rápida a bateria de NiCd tem um aumento de temperatura bem característico no final, assim o carregador consegue saber que deve parar de enviar energia para a bateria.
Figura 3: Bateria sem a capa plástica, mostrando uma célula solta na frente.
Agora que já sabemos como é uma bateria por dentro, vou falar um pouco sobre porque a bateria perde capacidade ao longo do tempo. O motivo principal é o chamado efeito memória. Essa diminuição da capacidade de carga se deve a vários fatores. Não vou entrar em detalhes químicos, vou explicar de uma forma bem simplista: dentro da célula, há microscópicos cristais de cádmio e a energia é gerada na sua superfície, quanto menor os cristais mais superfície para gerar energia. Quando a bateria é sobrecarregada ou descarregada de forma incompleta repetidas vezes, esses cristais aumentam de tamanho, diminuindo sua área efetiva e diminuindo assim a capacidade da célula.
A sobrecarga não é um problema pois quase sempre os carregadores, pelo menos de marcas conceituadas, são automáticos, possuem sensores que avisam quando a carga chegou ao fim, dessa forma eles desligam assim que a carga está completa. O principal problema então é a descarga incompleta, que faz aumentar o tamanho dos cristais, o que na prática diminui a capacidade de carga da bateria. O ideal é que a bateria seja descarregada até 0,9V por célula, mas na prática, quem vai fazer isso? Nem mesmo é possível medir a tensão da bateria sem tirar ela da ferramenta. No final das contas a gente usa a ferramenta até a bateria começar a dar sinais de estar fraca, e esse ponto geralmente não é o ponto de descarga ideal.
Outro problema que acontece é porque nem todas células da bateria são iguais, por mais que sejam do mesmo fabricante, mesmo lote, sempre há pequenas diferenças entre elas. Então durante a descarga, uma célula pode se descarregar mais rápido do que outra. O contrário acontece na recarga, essa primeira célula vai demorar mais para carregar. Como o carregador original envia uma carga ultra rápida, ele não pode ficar ligado até que todas as células estejam totalmente carregadas, em uma carga rápida as células esquentam de uma forma rápida e intensa quando estão totalmente carregadas. No final das contas quando o carregador desliga podemos ter algumas células com menos carga do que o ideal.
O outro problema ainda que pode deixar a bateria funcionando de forma precária é uma ou mais células mortas, zeradas, sem tensão alguma. Você bate o voltímetro na célula e ele indica 0V. Uma célula zerada diminui a tensão da bateria e consequentemente diminui a força da ferramenta. Células zeradas podem até mesmo fazer com que carregadores "inteligentes" recusem a bateria.
Verificar as células uma a uma
Com a bateria aberta eu fui medindo a tensão de cada célula e encontrei 4 delas com tensão zerada, duas estavam em uma bateria que o carregador nem aceitava. Cada uma das outras duas baterias tinha uma célula zerada. O que eu fiz então foi um canibalismo, de 3 baterias eu fiz duas, trocando as células zeradas por células boas. Eu poderia até mesmo comprar células novas para substituir as estragadas, mas a ideia era dar uma sobrevida à ferramenta sem gastar nada, além de que duas baterias são mais do que suficientes para o meu uso.
Somente isso já possibilitou que as duas "novas" baterias fossem carregadas normalmente no carregador, antes em 5 minutos o carregador desligava, agora a carga durou cerca de 30 minutos, o tempo normal. Mas eu quis ir além, tentar melhorar ainda mais as baterias, pois foram 4 anos de uso sem qualquer cuidado especial.
Avaliando as baterias
Primeiro eu precisava avaliar as baterias, saber qual a carga que elas estão armazenando, qualquer ação antes disso seria um tiro no escuro, no final eu não saberia se melhorou a capacidade ou não. Para isso eu carreguei a bateria e em seguida fiz uma descarga controlada. Para facilitar os cálculos, eu fiz a descarga com uma corrente de 1C. O que vem a ser 1C? Vamos ver.
Em baterias C é a capacidade da bateria. Essa minha bateria tem capacidade de 1,3Ah, então descarregar essa bateria a uma taxa de 1C significa descarregar a uma corrente de uma vez sua capacidade, ou seja: 1,3A. Se a bateria tiver realmente esses 1,3Ah de capacidade, descarregando-a a 1C irá demorar aproximadamente 60 minutos para descarga completa.
Aí entramos em outro ponto importante, o que é considerado descarga completa? Descarga completa pode ser considerado quando a bateria atinge 0,9V por célula sendo descarregada a 1C, sendo que essa tensão é medida com carga pois ao retirar a carga a tensão em aberto sobe de uma forma "maquiada", que não serve como parâmetro. Sempre que eu falar em descarga completa estou me referindo a isso, 0,9V por célula, não é zerar totalmente a tensão da bateria.
Para descarregar à 1C podemos usar um resistor. Para calcular o valor desse resistor podemos usar as fórmulas da figura 4.
Figura 4: Fórmulas para cálculo do resistor usado para descarregar.
Ou então podemos fazer de um jeito prático, com uma resistência de chuveiro. Monitorando a corrente, comecei usando a resistência toda e fui pinçando pedaços menores da resistência, com isso a corrente foi aumentando. Quando a corrente atingiu 1,3A eu estava com uma resistência que descarregava a bateria à 1C. É importante frisar que se a bateria tiver uma capacidade baixa, pode ser que mesmo usando a resistência toda fique com uma corrente maior que 1C, nesse caso seria preciso usar duas resistências ligadas em série.
Figura 5: Resistência de chuveiro para descarregar a bateria. Quanto menor o pedaço usado menor é a resistência e maior a corrente.
A bateria carregada possui tensão em aberto de pouco mais de 1,3V por célula, em aberto significa sem carga, assim que ligamos a carga, no caso a resistência, a tensão deve ficar em torno de 1,3V por célula. Então marquei o tempo e liguei a resistência, monitorando a tensão da bateria o tempo todo. Quando a tensão atingiu 0,9V por célula eu desliguei a resistência e anotei o tempo. Na figura 6 podemos ver a bateria sendo descarregada. Para prevenir que a resistência de chuveiro esquente demais e se parta eu a coloquei dentro dum pote com água. Elas estavam levando cerca de 42 minutos para descarregar, o que significa que estavam com uma eficiência de 70%, armazenando apenas 70% dos 1,3Ah que ela deveria ter.
Figura 6: Bateria sendo descarregada a 1C com uma resistência de chuveiro e tendo sua tensão monitorada.
Sequência de cargas e descargas
Para melhorar a eficiência da bateria devemos fazer várias cargas e descargas completas, descarregando até 0,9V por célula. Isso exercita a bateria e ajuda a quebrar os cristais dentro das células, aumentando a capacidade da bateria. Eu fiz cerca de 5 cargas e descargas.
Equalização das células
Outra coisa que podemos fazer é equalizar as células. Como foi comentado antes as células de uma bateria não são exatamente iguais e podem ficar com carga incompleta depois de um tempo de uso sem qualquer manutenção.
Os carregadores originais mandam uma carga bem rápida, esse meu carrega a bateria em 30 minutos, então ele carrega a uma taxa aproximada de 2C, se demorasse um hora seria uma carga de 1C. Isso é uma carga extremamente rápida, com alta corrente, por isso o carregador não pode ficar ligado mais tempo enviando energia para a bateria até que todas células estejam totalmente carregadas. Se ele fizesse isso as células que já estão cheias não vão ter o que fazer com essa grande quantidade de energia que chega até elas, vão esquentar, estragar e por ventura vazar. Por isso é importante que o carregador rápido tenha os sensores de temperatura que eu já comentei antes. Então uma característica do carregador rápido é que ele não equaliza todas as células da bateria. Eu nem digo que isso é um defeito, pois para uma ferramenta é necessário que a carga seja rápida mesmo, o ônus disso é que a bateria não se equaliza e perde capacidade ao longo do tempo.
Como fazemos então para equalizar todas as células? Vamos aplicar uma carga lenta à bateria, da ordem de 0,1C. Nesse caso em que a capacidade da bateria é de 1,3Ah o ideal é aplicar uma carga de 130 mA. Como com o carregador original não faz carga lenta, podemos usar um carregador de carga lenta, que carregue no máximo 0,1C. Ou podemos, como eu fiz, usar uma fonte de tensão ajustável, junto com um pequeno circuito limitador de corrente.
Figura 7: Fonte de tensão ajustável e circuito limitador de corrente montado em protoboard prontos para carregar a bateria.
Eu usei o circuito da figura 8 para limitar a corrente. Do lado esquerdo é a entrada de energia no circuito e do lado direito a saída. Para carregar a energia sai da fonte, entra no circuito limitador e sai dele indo para a bateria, ou seja, a fonte fica conectada à entrada e a bateria à saida.
Figura 8: Circuito limitador de corrente. O transistor de potência TIP31 conduz a corrente que passa em seguida pelo resistor limitador, provando uma queda de tensão nesse resistor. Quando essa queda de tensão chega a 0,7V, o transistor BC548 começa a conduzir, com isso ele retira a corrente da base do TIP31, fazendo ele conduzir menos, limitando a corrente.
É importante ressaltar que fazer essa carga de forma manual pode ser perigosa. Se por ventura a limitação de corrente não estiver correta a fonte vai enviar muita corrente, a bateria vai estragar, pode vazar e até mesmo explodir. Não faça uma carga manual se não tiver uma noção básica de eletrônica, faça somente se souber exatamente o que está fazendo, se tiver certeza. Do contrário procure um carregar de carga lenta que forneça 0,1C.
Figura 9: Bateria sendo carregada, com corrente e temperatura sendo monitoradas.
Na figura 9 vemos a bateria carregando, o multímetro mostrando 131,5mA de corrente, cerca de 0,1C. Para garantir peguei um termômetro e inseri o sensor entre as células, assim eu monitoro a temperatura também. A uma corrente de 0,1C deveria levar 10 horas para carregar, mas com carga lenta a eficiência diminui e leva cerca de 14 horas para carregar totalmente. Mas o que iremos fazer? Deixar mais de 14 horas. Eu deixei 20 horas carregando, para equalizar a carga de todas células. Outra forma mais rápida é dar uma carga normal no carregador da bateria e depois fazer essa carga lenta de equalização por cerca de 6 horas.
Podemos fazer isso pois com carga lenta a célula não irá esquentar demais, mesmo que ela já esteja totalmente carregada. A célula é capaz de lidar com esse pequeno excesso de energia, da ordem de 0,1C sem problemas, os gases formados pela recarga se recombinam dentro da própria célula, sem aumentar a pressão e a temperatura. As baterias de NiCd podem ficar vários dias sendo carregadas dessa forma.
Depois disso podemos fazer mais uma coisa para recuperar a capacidade da bateria. No artigo Memory: Myth or Fact publicado no site Battery University há citação de um estudo feito pelo US Army, onde se mostra que uma descarga profunda, até cerca de 0,4 V por célula pode ajudar ainda mais a quebrar os cristais e restaurar a capacidade da bateria. Mas essa descarga deve ser um pouco diferente, primeiro se descarrega a bateria com uma corrente de 1C até chegar a 0,9V por célula. Daí em diante a corrente deve ser menor, cerca de 0,1C, até atingir a tensão de 0,4V por célula.
É importante que essa descarga profunda seja feita depois da carga lenta de equalização e a uma corrente de 0,1C. Do contrário a descarga profunda pode zerar uma célula, invertendo a corrente dentro dela e tornando-a inútil. Esse procedimento é um "remédio", não é algo para ser aplicado corriqueiramente nas baterias. Seria algo para se fazer quando as baterias foram usadas sem serem descarregadas completamente durante muito tempo, como foi o meu caso.
Para descarregar a uma corrente de 0,1C eu usei o mesmo circuito limitador da figura 8. Porém nesse caso coloquei a bateria na entrada do circuito e a resistência de chuveiro na saída. A energia sai da bateria, passa pelo limitador de corrente e chega até a resistência.
Depois dessa descarga profunda podemos novamente fazer uma carga lenta, e então a bateria vai estar o mais "curada" possível.
Essas minhas baterias estavam com uma eficiência de cerca de 70% inicialmente (47 min. de descarga). Após todo esse exercício uma passou para 89% (53 min.) e outra para 95%. (57 min.) Não sou especialista em baterias, mas para mim é um um número bom, considerando que eu quase aposentara a furadeira por conta das baterias.
Verificar todas células, uma a uma e trocar as defeituosas.
Carregar e descarregar até 0,9V/cel a uma taxa de 1C, anotando o tempo de descarga, quanto mais próximo aos 60 minutos, maior a capacidade da bateria.
Carregar e descarregar várias vezes, exercitando a bateria.
Se o tempo de descarga chegar perto dos 60 minutos, pode-se parar por aqui. Do contrário podemos tentar melhorar ainda mais:
Dar uma carga lenta de 0,1 C deixando 20 horas na carga. Ou dar uma carga normal no carregador e em seguida dar uma carga lenta de 6 horas.
Fazer uma descarga profunda, inicialmente a 1C até atingir 0,9V/cel, em seguida diminuir a corrente de descarga para 0,1C até atingir 0,4V/cel.
Fazer uma carga lenta novamente e usar a vontade.
Depois disso, como medida preventiva
Usar a bateria até que a ferramenta tenha uma perda considerável de força, somente então carregar.
Uma vez a cada 10 cargas normais fazer uma descarga completa até 0,9V por célula.
Depois da descarga completa fazer uma carga lenta para equalizar as células.
Se mesmo assim perceber queda na capacidade da bateria, uma vez ao ano faça a série carga lenta, descarga profunda, outra carga lenta.
E vida longa às baterias de NiCd. Elas, desde que bem usadas, exercitadas de vez em quando, duram 1000 ciclos. Isso significa que se você tem uma ferramenta com duas baterias e usar uma carga de bateria por dia, de segunda a sexta (5 cargas por semana), as baterias vão durar cerca de 7,5 anos. E quando por fim se acabarem, não descarte no lixo comum muito menos em outro local. O cádmio é tóxico, portanto descarte as baterias em locais apropriados.
Postado por Tomazelli em 22:35 19 comentários
Caixa para formões
Meus formões ficavam em uma caixa de ferramentas, mas eles acabavam escapando do seu nicho, caindo dentro da caixa e estragando o fio. Por isso decidi fazer uma caixa dedicada, exclusiva para os formões, assim não há perigo deles estragarem durante o transporte, já que eu os carrego muito para cá e para lá.
As laterais da caixa são em cedro rosa.
Os encaixes em rabo de andorinha (dovetail).
Os formões acomodados.
As dobradiças de madeira. Usei itaúba para fazer as dobradiças pois é uma madeira resistente mas ao mesmo tempo tem os veios retos, dando resistência à dobradiça. Além disso a itaúba tem uma espécie de óleo impregnado na madeira, deixando a dobradiça lubrificada por si só.