A metodologia utilizada para os ensaios experimentais foi a de adotar um padrão único em todos os experimentos, objetivando minimizar qualquer alteração no resultado final dos testes em decorrência das variações nos parâmetros de simulação, como por exemplo, a carga total disponível na bateria no início da simulação.
Inicialmente, as baterias foram submetidas a um carregamento, com o objetivo de obter plena carga em todas as baterias, para assim iniciar os testes de descarga. O processo de carga inicia-se com a conexão da bateria a uma fonte de carregamento externo (ver Figura 6.4) até atingir o seu valor máximo de carga, que neste caso é quando a mesma atinge a tensão no valor de 4, 20 volts. A metodologia utilizada para o carregamento foi aplicar uma carga lenta e constante, correspondendo a 20% da capacidade nominal da bateria [?], sendo assim, a corrente aplicada foi de 190 mA. Em seguida, é efetuada a desconexão da bateria da fonte de carga e então, posteriormente, conectada à plataforma para iniciar o processo de descarga, como pode ser visto na Figura 6.5.
Para a realização dos testes foi necessário definir alguns perfis de descarga. A definição destes perfis seguiu a mesma metodologia adotada por Rakhmatov-Vrudhula [?], que utilizou um conjunto de dez correntes de descarga constantes, sendo suficinte para fins de estimação. Sendo assim, os perfis utilizados neste trabalho também são compostos por dez correntes constantes de descarga, medidas em miliampère (mA), as quais estão apresentadas no vetor I
I = [100; 150; 250; 350; 450; 550; 650; 750; 850; 950].
Diferentemente do capítulo anterior, onde as simulações foram realizadas utilizando os parâmetros de uma bateria alcalina, e as especificações de sensores da família Mica Motes, para os testes experimentais optou-se por utilizar baterias que alimentam dispositivos
Capítulo 6. Ambiente de Simulação 48
Figura 6.4: Foto da fonte externa carregando duas baterias.
Figura 6.5: Foto de duas baterias preparadas para iniciar o processo de descarga.
móveis, como telefones celulares. Desta maneira, foram utilizadas quatro baterias de Lítio- íon, modelo BL-5F fabricado pela Nokia, que são utilizadas no telefone celular Nokia N95. Estas baterias foram compradas pelo GAIC, objetivando realizar os testes experimentais a partir da utilização de baterias novas, com a finalidade de minimizar influências da vida
Capítulo 6. Ambiente de Simulação 49 útil da bateria nos resultados dos testes. Para a configuração do software, foram definidos os seguintes parâmetros da bateria: (i) tipo de bateria: Lítio-íon; (ii) tensão nominal: 3, 7 volts; (iii) capacidade nominal: 950 miliampère-hora (mAh); (iv) corrente de descarga: conforme vetor I ; (v) tensão de cutoff: 3, 10 volts;
O tempo de duração do processo de descarga, é o tempo em que a bateria demora até atingir a tensão de cutoff, definida no software em 3, 10 volts, que é a tensão limite que o dispositivo Nokia N95 consegue manter-se operacional. Assim, após cada descarga, a ba- teria era submetida novamente a um carregamento, sendo adotada a mesma metodologia descrita anteriormente, como forma de garantir que a bateria possuísse sua carga completa no início de cada ensaio experimental.
Deste modo, foram realizados os testes para as correntes de descarga apresentadas no vetor I, com duas baterias simultaneamente, sendo que para cada corrente foram realizados dez testes, com o objetivo de obter um número significativo de amostras, para então ser calculada a média e o desvio padrão de cada corrente de descarga.
Na Figura 6.6 são apresentadas as curvas de decaimento da tensão durante a descarga da bateria. Este gráfico foi obtido a partir da utilização da média das correntes de descarga utilizadas nos experimentos físicos. Analisando o gráfico, percebe-se que para correntes de descarga baixas, a tensão da bateria reduz mais lentamente do que para correntes de descarga mais altas, como pode ser verificado principalmente nas correntes de 150 mA e 100 mA. Pode-se verificar também, que a tensão da bateria reduz mais rapidamente no início e no final da descarga, sendo que entre um valor de tensão de 4.0 v até um valor de aproximadamente 3.5 v, ela reduz mais lentamente.
Uma relação completa, contendo as correntes de descarga e seus respectivos tempos de duração, obtidos com os experimentos, juntamente com a média destes tempos e desvio padrão, são apresentados na Tabela 6.1.
Tabela 6.1: Correntes de descarga, tempos de duração, média e desvio padrão encontrados a partir dos ensaios.
Perfis SIMULAÇÕES TESTBED (min.) Média Desvio Padrão 100 mA 500,92 481,80 486,82 506,35 496,33 461,93 475,68 485,97 472,08 469,25 483,71 14,41 150 mA 327,70 329,05 325,18 318,55 329,68 331,17 337,72 326,47 313,68 317,45 325,67 7,22 250 mA 182,72 193,85 195,20 192,27 199,20 193,12 196,57 190,85 190,53 188,87 192,32 4,55 350 mA 139,18 137,73 143,93 139,05 132,28 140,77 122,50 138,80 135,08 133,17 136,25 5,97 450 mA 107,08 109,25 103,93 106,58 102,68 109,72 101,95 104,98 104,02 106,77 105,70 2,63 550 mA 87,95 90,32 84,28 87,92 86,37 81,78 84,48 84,73 88,85 81,35 85,80 2,99 650 mA 71,83 72,38 71,65 64,17 73,65 75,55 71,07 65,05 69,32 72,58 70,73 3,61 750 mA 65,12 60,75 60,50 65,97 50,13 63,40 62,12 63,12 61,48 54,77 60,74 4,83 850 mA 51,32 56,25 53,06 53,80 45,80 53,25 56,17 45,90 50,28 51,13 51,70 3,66 950 mA 44,98 46,57 50,02 49,32 41,82 45,42 46,93 48,47 44,85 48,58 46,70 2,50
Capítulo 6. Ambiente de Simulação 50 0 100 200 300 400 500 3 3.5 4 4.5
Curvas das correntes de descarga obtidas da partir dos experimetos
Tempo (minutos) Tensão (volts) 950 mA 850 mA 750 mA 650 mA 550 mA 450 mA 350 mA 250 mA 150 mA 100 mA
Figura 6.6: Curvas das correntes de descarga utilizadas nos experimentos.
Analisando a Tabela 6.1, é possível verificar que para correntes de descarga mais baixas, como é o caso das correntes de 100 mA e 150 mA, os valores do desvio padrão são mais altos, enquanto que para correntes mais altas, estes valores diminuem. Isto se deve, principalmente, pelo tempo de descarga da bateria, que é menor para correntes de descarga altas, com algumas não chegando nem a 50 minutos, enquanto que para correntes baixas este tempo é maior, chegando até 8 horas, deixando a bateria mais sucetível aos efeitos não-lineares que ocorrem durante a descarga da bateria.
Após a conclusão dos testes experimentais, foi necessário estimar os parâmetros α e β do modelo de Rakhmatov-Vrudhula, conforme equação 3.19, assim como os parâmetros a e bda Lei de Peukert, conforme equação 3.1, para assim realizar a simulação destes modelos. Então, através da média dos tempos obtidos nos testes exeperimentais, e utilizando a técnica de estimação de Mínimos Quadrados, a qual foi descrita no Capítulo 4, foram encontrados os seguintes valores para os parâmetros:
• α = 19993 e β = 4, 5; • a = 53183 e b = 1, 0195.
A partir destes dados e do perfil de correntes de descarga utilizado nos testes expe- rimentais, foram realizadas simulações utilizando os modelos de Rakhmatov-Vrudhula,
Capítulo 6. Ambiente de Simulação 51 Linear e Lei de Peukert, as quais serão descritas na próxima seção.