Fatores de Estresse e Mecanismos de Envelhecimento

Ao longo do tempo as caracter´ısticas de um acumulador tendem a deteriorar, eventualmente chegando a um ponto onde este n˜ao mais ´e suficiente para a aplica¸c˜ao a que se destina. De um modo geral diz-se que um acumulador atingiu o fim de sua vida ´util quando sua capacidade ´e reduzida a 80% da capacidade nominal para ele especificada. Diversos mecanismos est˜ao envolvidos no processo de degrada¸c˜ao de um acumulador, sendo os principais e listados a seguir.

Segundo (SOUSA, 2008) fatores de estresse s˜ao as condi¸c˜oes que de alguma forma contri- buem para a degrada¸c˜ao do acumulador. Os principais fatores de estresse s˜ao: temperatura, profundidade de descarga (do inglˆes Depth of Discharge) (DOD), tempo entre cargas comple- tas, taxas de carga e descarga, tempo em baixo SOC, taxa de transferˆencia de Ah, ondula¸c˜ao de corrente e ciclagem parcial. Os mecanismos de envelhecimento por sua vez correspondem aos efeitos mecˆanicos ou qu´ımicos que podem levar um acumulador ao fim de sua vida ´util. Estes efeitos podem levar `a interrup¸c˜ao s´ubita do funcionamento do acumulador, ou podem causar uma preju´ızo gradual das condi¸c˜oes de opera¸c˜ao do acumulador. Segundo (SOUSA, 2008) os principais mecanismos de envelhecimento s˜ao:

• Corros˜ao da grade positiva: Causada principalmente por valores elevados de tens˜ao, temperatura e concentra¸c˜ao do ´acido. A resistˆencia el´etrica da grade met´alica que comp˜oe o c´atodo ´e elevada pela corros˜ao, dificultando a circula¸c˜ao de corrente e re- duzindo a capacidade do acumulador. Tamb´em a conex˜ao entre a grade e o terminal pode ser comprometida, causando eventual ruptura e interrup¸c˜ao imediata de funcio- namento.

• Sulfata¸c˜ao irrevers´ıvel: Durante o processo de descarga ´e formado sulfato de chumbo em ambos os eletrodos. Em condi¸c˜oes normais e descargas de pouca profundidade (menor que 20% da capacidade) o sulfato de chumbo ´e deposto na forma de microcristais, os

quais s˜ao decompostos durante o processo de carga. Com a execu¸c˜ao de sucessivos ciclos de carga-descarga, descargas profundas (maiores que 50% da capacidade), ou quando o acumulador ´e mantido descarregado por um logo per´ıodo de tempo (semanas), ocorre a aglomera¸c˜ao dos cristais de sulfato de chumbo, atingindo maiores dimens˜oes quando comparado aos cristais formados nas descargas iniciais. Com o ganho de volume os cristais perdem ´area de superf´ıcie, tornando dif´ıcil reverter a rea¸c˜ao de sulfata¸c˜ao durante o processo de carga.

• Perda de massa ativa: Com a execu¸c˜ao de ciclos de carga e descarga o material do eletrodo sofre sucessivas transforma¸c˜oes P bSO4 ⇔ P b2e P bSO4 ⇔ P bO2, causando fa- diga mecˆanica. A fadiga reduz a resistˆencia mecˆanica do material ativo, possibilitando que partes do material se desprendam do eletrodo e caiam no fundo do acumulador. Com isto a quantidade efetiva de mat´eria ativa ´e afetada, reduzindo a capacidade do acumulador.

• Perda de ´agua: Causada pela utiliza¸c˜ao da tens˜ao de equaliza¸c˜ao, por condi¸c˜oes de sobrecarga, e agravada pela eleva¸c˜ao de temperatura. A perda de ´agua por hidr´olise eleva a concentra¸c˜ao de ´acido no eletr´olito, o que pode por sua vez levar `a corros˜ao dos eletrodos danificando o acumulador.

• Degrada¸c˜ao da massa ativa: Com a execu¸c˜ao de diversos ciclos de carga e descarga os materiais dos eletrodos perdem suas caracter´ısticas originais, em especial a porosidade. A redu¸c˜ao da porosidade do eletrodo causa tamb´em a redu¸c˜ao da superf´ıcie de contato onde ocorrem as rea¸c˜oes qu´ımicas principais do acumulador, levando a uma eleva¸c˜ao da resistˆencia el´etrica equivalente do acumulador.

• Estratifica¸c˜ao do eletr´olito: O ´acido sulf´urico usado na solu¸c˜ao do eletr´olito ´e mais denso que a ´agua, causando o deslocamento vertical do ´acido, e fazendo com que a concentra¸c˜ao no fundo do acumulador seja mais elevada que em sua superf´ıcie. A ´agua na parte superior do acumulador ´e pior condutora que o ´acido na parte inferior, logo se uma opera¸c˜ao de descarga for realizada ent˜ao as rea¸c˜oes qu´ımicas ser˜ao concentradas em uma fra¸c˜ao da ´area do eletrodo, acelerando sua degrada¸c˜ao. Este efeito pode ser revertido com a utiliza¸c˜ao da tens˜ao de equaliza¸c˜ao, uma vez que a forma¸c˜ao de g´as no eletr´olito agita a solu¸c˜ao, homogeneizando-a.

Trˆes caracter´ısticas importantes da condi¸c˜ao do acumulador s˜ao sua capacidade de ar- mazenamento, seu estado de sa´ude (do inglˆes State of Health) (SOH), seu estado de vida (do inglˆes State of Life) (SOL) e seu SOC. O SOH ´e a representa¸c˜ao dos poss´ıveis mecanismos de envelhecimento do acumulador e de seu grau de severidade. O SOH ´e um parˆametro muito utilizado na estimativa do SOL, que por sua vez representa o n´umero de ciclos de carga/descarga que o acumulador deve suportar antes de uma falha. O SOC por sua vez re- presenta a fra¸c˜ao de carga armazenada no acumulador, variando entre 0 para um acumulador completamente descarregado, e 1 para um acumulador completamente carregado. Diversos trabalhos tratam da monitora¸c˜ao destes parˆametros (Kutluay, Cadirci, Ozkazanc e Cadirci, 2005; Duryea, Islam e Lawrance, 2001; Coleman, Zhu, Lee e Hurley, 2005; Ragsdale, Brunet e Fahimi, 2008; Coleman, Hurley e Lee, 2008; Bhangu, Bentley, Stone e Bingham, 2005). Em (Kozlowski, 2003) ´e proposta uma t´ecnica para a estima¸c˜ao dos trˆes parˆametros a partir de uma combina¸c˜ao dos resultados obtidos com redes neurais, modelos estimados e l´ogica fuzzy. A estima¸c˜ao do SOC ´e uma problem´atica mais estudada e existem diversos m´etodos para sua realiza¸c˜ao. Em (Piller, Perrin e Jossen, 2001) ´e feita uma revis˜ao dos m´etodos dispon´ıveis, de onde foi retirada a Tabela 2.3.

Deve-se ressaltar que o SOC ´e um fator importante no gerenciamento da opera¸c˜ao de um acumulador. Ao tentar injetar carga em um acumulador completamente carregado as rea¸c˜oes de gaseifica¸c˜ao causam a perda de ´agua, elevando a concentra¸c˜ao do ´acido, e acelerando a corros˜ao dos eletrodos. Por outro lado uma descarga demasiadamente profunda ou a falha ao carregar o acumulador completamente podem levar a sulfata¸c˜ao irrevers´ıvel, comprometendo a capacidade e a vida ´util do acumulador.

Para a obten¸c˜ao dos parˆametros necess´arios `a correta utiliza¸c˜ao dos modelos propostos na literatura ´e sempre necess´ario um conjunto de dados obtidos experimentalmente. Comum `a todas as t´ecnicas ´e a necessidade de medi¸c˜ao de corrente e tens˜ao do acumulador, sendo frequente a utiliza¸c˜ao da temperatura, e incomum a utiliza¸c˜ao de outras medi¸c˜oes. Sistemas de teste industriais para esta aplica¸c˜ao possuem custo demasiadamente elevado, e seria de interesse um meio de obter resultados satisfat´orios com uma plataforma mais simples e de custo reduzido.

Tabela 2.3: T´ecnicas de estima¸c˜ao de estado de carga dos acumuladores.

T´ecnica Aspectos Positivos Aspectos negativos Teste de descarga Simples e preciso, indepen-

dente de SOH.

Offline, demorado, altera o estado da bateria, perda de energia.

Integral da corrente Online, simples, preciso se houver suficientes pontos de recalibra¸c˜ao.

Necessita de modelo das per- das, sens´ıvel a rea¸c˜oes pa- rasitas, necessita pontos de recalibra¸c˜ao periodicamente e medi¸c˜ao precisa de corrente. Propriedades f´ısicas do

eletr´olito (densidade, concentra¸c˜ao, cor)

Online, fornece tamb´em in- forma¸c˜oes sobre SOH.

Dinˆamica lenta, suscept´ıvel a erros por temperatura, im- purezas ou estratifica¸c˜ao do ´acido.

Tens˜ao de circuito aberto

Online, baixo custo. Dinˆamica lenta, necessita tempo de repouso (Ib = 0), suscept´ıvel a erros por estra- tifica¸c˜ao do ´acido ou rea¸c˜oes parasitas.

Modelo linear Online, simples. Necessita dados de referˆencia para ajuste dos parˆametros. Rede neural artificial Online. Necessita de dados de um

acumulador semelhante para treino da rede.

Espectrosc´opio de im- pedˆancia

Possibilidade de imple- menta¸c˜ao online, fornece informa¸c˜oes sobre o SOH.

Custo elevado, sens´ıvel a va- ria¸c˜oes de temperatura.

Resistˆencia interna DC Baixo custo, simples, fornece informa¸c˜oes sobre SOH, pos- sibilidade de implementa¸c˜ao online.

Preciso apenas para SOC baixo.

Filtros Kalman Online, dinˆamico. Necessidade de capacidade de processamento elevada e um modelo adequado do acumu- lador, dif´ıcil determina¸c˜ao dos parˆametros iniciais.