Baterias chumbo-ácidas | RTI
Dan Lambert, da Schneider Electric
A estimativa de vida útil de uma bateria pode ser descrita por vários termos. Alguns deles são claramente definidos por empresas de bateria e bem compreendidos por aqueles que pertencem a essa indústria. Outros são informais sem definições claras. Como resultado, os termos que visam descrever o tempo de vida da bateria podem confundir ou enganar os usuários finais que não estejam totalmente familiarizados com os jargões desse mercado.
Além disso, várias condições ambientais afetam a estimativa de vida de uma bateria e devem ser consideradas quando o usuário final está selecionando esses equipamentos para uma aplicação.
Para explicar o que os termos de estimativa de vida de uma bateria significam e por que são usados, este artigo irá descrevê-los isoladamente. O artigo ainda discute algumas das variáveis ambientais primárias.
Estimativa de vida do projeto
Antes de criar uma bateria, o projetista conhece todos os parâmetros básicos que ela deverá satisfazer. Tensão, ampacidade, tamanho da caixa e estimativa de vida do projeto são parte da especificação original. O trabalho do projetista é garantir que haja material ativo e eletrólito suficientes dentro do tamanho da caixa designada para fornecer os requisitos de tensão e ampacidade pelo período especificado pela estimativa de vida do projeto. Essa estimativa é o tempo de duração que o fabricante diz que a bateria é capaz de ter, dado que todos os parâmetros de especificação sejam mantidos.
A especificação da estimativa de vida de projeto varia de fabricante para fabricante e também dos modelos de baterias. As categorias básicas de estimativa de vida de projeto para uma bateria VRLA são cinco anos, 10 anos e 12 anos. Há várias especificações não padrão de diferentes fabricantes, mas nem todos fornecem essa informação.
A especificação inclui todas as variáveis ambientais, que normalmente afetam o tempo de vida da bateria. Para segui-la, é típico que os seguintes parâmetros sejam atendidos:
Precisão de tensão de flutuação.
Frequência de descargas.
Índice máximo de descargas.
Profundidade de descargas.
Limite final de tensão.
Quantidade de flutuação de
corrente e de tensão permitida, durante o carregamento, bem como o descarregamento.
Esse é um regime muito rigoroso que tem que ser seguido de forma precisa. Não são muitas instalações que podem manter esse nível de controle.
Estimativa de vida de serviço
Diferentemente da estimativa de vida do projeto, a do serviço não tem qualquer especificação real. O que realmente indica essa característica é aproximadamente quanto tempo uma bateria de um uma dada estimativa de vida de projeto permanecerá confiável, dependendo do ambiente real em que é usada. Em geral, essa é uma estimativa específica de um local.
Quando usada em sistemas UPS, o ambiente, tanto elétrico quanto físico, pode ser extremamente impactante. Com os modernos projetos de UPS de alta eficiência, a bateria se tornou muito mais importante como uma parte da capacidade de filtragem de UPS. Isso porque os novos projetistas eliminaram muito da ferroressonância e da capacitância que forneceram a base para os sistemas antigos passarem por variações menores tanto na energia input quanto em flutuações de carga.
O sistema de bateria tem sido cada vez mais usado para atender a capacitância que estabiliza a carga no inversor. Isso causa numerosas microdescargas, o que, em conjunto, com a exigência de satisfazer as demandas de descargas de alto índice e mais frequentes causadas pelas flutuações do serviço, impõem à bateria UPS uma trajetória de expectativa de vida significativamente menor. Há também um certo número de fatores ambientais e elétricos que afetam a duração da bateria:
Temperatura - A temperatura da área onde as baterias são instaladas é fundamental. A temperatura da bateria VRLA é normalmente especificada em 25°C para a América do Norte e 20°C para o restante do mundo. Essa especificação é para a temperatura interna da bateria, e não para a temperatura ambiente. A temperatura interna é, geralmente, aproximadamente 1°C mais alta que a do ambiente. A diferença de temperatura da parte superior até a inferior do espaço da bateria também pode ser de até 5°C. É importante observar que o aumento da temperatura em 10°C irá resultar em, aproximadamente, 50% de redução na expectativa de vida da bateria. A redução da temperatura na mesma quantidade também reduzirá a capacidade da bateria em cerca de 25%.
Comissionamento adequado - É fundamental seguir precisamente a especificação do fabricante para o carregamento inicial da bateria, antes de testar e colocar a bateria em serviço. Uma realização errada e descuidada gera uma alta probabilidade de a bateria jamais funcionar com todo o seu potencial e poderá reduzir significativamente o seu tempo de serviço.
Estabilidade - A bateria precisa ser instalada em um ambiente estável. Ela não funciona bem em situações de temperatura com amplas variações ou onde a área da bateria seja mais quente ou fria do que o restante do string. As baterias também não suportam bem vibrações; portanto, é necessária uma base estável.
Ambientes corrosivos - A bateria VRLA é especificamente projetada para ser instalada em espaços ocupados, o que significa espaços onde normalmente pessoas trabalham. Os ambientes corrosivos não são locais onde as pessoas normalmente trabalham; mas, algumas vezes as baterias são relegadas aos espaços mais obscuros de uma instalação. Se a bateria não for instalada em um local ocupado, deve haver o cuidado de se garantir que o ambiente, no mínimo, não seja corrosivo.
Tensão de carga - Cada modelo de bateria tem uma tensão de carga específica por célula para a qual é projetada para funcionar perfeitamente. Isso varia de acordo com o modelo e fabricante. É fundamental que as recomendações do fabricante sejam seguidas bem de perto. Com as baterias VRLA, há uma faixa de tensão muito pequena que permitirá que o equipamento polarize adequadamente as placas positiva e negativa. A bateria deve operar dentro dessa faixa para alcançar a melhor estimativa de vida. Alguns fabricantes permitem um aumento de tensão significativo para a rápida recarga após uma descarga. Não aumente a tensão para recarga ou "equalização", exceto se houver recomendação específica do fabricante para essa ação, para a marca e modelo de bateria instalada.
Corrente de carga - Cada marca e modelo de bateria tem uma especificação para a corrente de carga máxima permitida. É muito importante garantir que a fonte de carregamento não sobrecarregue a bateria, uma vez que poderá causar falhas internas.
A extremidade oposta do espectro de corrente de carga também merece atenção. A carga de estado estável nominal, muitas vezes referida como 'carga de flutuação, também faz parte do regime de carregamento. O nível típico da carga de flutuação de uma bateria de estado estável é de aproximadamente 100 mA por 100 Ah de capacidade de bateria. Esse não é um número preciso e varia de acordo com o design e a construção da bateria, mas é algo que deve ser observado quanto a mudanças significativas.
A bateria UPS típica não terá uma corrente de flutuação realmente estável, devido às variações do retificador e do inversor que ocorrem pelas mudanças no tensão de input e no fator de carga, mas é recomendado que o nível de corrente de flutuação seja observado como um indicador de mudanças potenciais dentro do string da bateria.
Tensão e corrente de flutuação CA - Embora os efeitos e indicações dessas duas variáveis sejam bastante diferentes, é importante observar que qualquer das duas, em quantidades excessivas, tem o potencial de danificar uma bateria. É altamente recomendável que o fabricante seja consultado com relação aos limites de variação de CA dentro do string.
O que isso tudo significa para o usuário final? Qual a principal diferença entre estimativa de vida de projeto e de serviço?
Quando se veem esses termos e quando considerados com a explicação mais simples, é fácil verificar que a estimativa de vida de projeto é aquela que o fabricante descreve, dado que sejam mantidos todos os parâmetros da especificação. É também relativamente fácil verificar que, por conta das variáveis físicas e elétricas do ambiente, é altamente improvável que a estimativa de vida de serviço fique de alguma forma próxima da estimativa de vida de projeto.
A estimativa de vida de projeto é qual a probabilidade de duração da bateria, dado que haja um ambiente e um ciclo de carga/descarga perfeito. A bateria é carregada numa tensão estável e é mantida com muita precisão por um retificador que fornece uma energia CC muito limpa. Quando é descarregada, a descarga é um fluxo de corrente de longa duração e baixa amperagem que permite que o material ativo disponível seja usado de forma muito eficiente. Esse tipo de serviço tem maior probabilidade de ser visto em um ambiente de operadora.
A estimativa de vida de serviço é o quanto a bateria irá provavelmente durar, dado que tenha que se submeter a todas as variáveis que são, normalmente, de difícil controle. O usuário final não pode controlar a frequência com que o dispositivo experimenta flutuações e as flutuações de temperatura são geralmente maiores que o ideal. Quando ocorre uma descarga, o que acontece com maior frequência do que se acredita, o perfil é quase o oposto da descrição anterior. A bateria é, normalmente, dimensionada para fornecer energia por apenas um breve período de tempo, mas a demanda de carga é muito alta durante essa descarga. O perfil dessa descarga é de muito alta amperagem por poucos minutos, o que não permite o uso eficiente do material ativo disponível. A bateria é então recarregada a uma corrente muito alta para formar a capacidade do armazenamento o mais rápido possível, de forma que esteja pronta para uma nova ocorrência de descarga. Mesmo quando a bateria está totalmente recarregada, é muito difícil controlar como o perfil de carga muda de um momento para outro, sem a microgestão de todo o equipamento instalado. Isso está além da capacidade da maioria dos usuários finais.
Devido à própria natureza de como a maioria dos usuários emprega um sistema UPS, a estimativa de vida de serviço fornecida pela maior parte das baterias é boa. A bateria UPS irá experimentar tantas descargas por ano, seja em grandes eventos ou em microdescargas, quanto as baterias standby irão experimentar em seu tempo de duração. Dependendo do design de UPS, e também do tipo de equipamento que está sendo alimentado por UPS, não é incomum ver uma quantidade significativa de ruído eletrônico e reflexão harmônica no barramento CC. Todos esses fatores contribuem para reduzir o tempo de vida.
Atualmente, é normal que um usuário final especifique a bateria de melhor estimativa de vida de projeto com 12 anos e de serviço de três a quatro anos. Em um mundo perfeito, a estimativa de serviço deveria ser de nove a 10 anos.