Processo de carga - Elementos de armazenamento de energia

2.2 Elementos de armazenamento de energia

2.2.5 Processo de carga

Apesar das diferentes aplica¸cões em que se utilizam baterias (células secundárias), está sempre patente o mesmo princ´ıpio, que é a maximiza¸cão da capacidade da bateria.

Como já foi referido, num processo de descarga os elétrodos vão sendo degradados (um dos elétrodos vai ver a sua área ser continuamente diminu´ıda enquanto que o outro vai ver a sua ´

area ser continuamente aumentada). De modo a permitir múltiplos ciclos de descarga, a ideia básica subjacente a qualquer processo de carga é for¸car o antigo agente redutor a reduzir (ver a sua área aumentar), e o antigo agente oxidante a oxidar (ver a sua área diminuir) de modo a que as áreas dos elétrodos se mantenham aproximadamente constantes no final dos ciclos de carga. Isto pode ser conseguido for¸cando a passagem de uma corrente elétrica cont´ınua entre os elétrodos, de modo a reverter o processo de descarga (eletrólise).

Segundo [34]:

“Enquanto não existe um único método perfeito para aplicar a todo o tipo de baterias, um conhecimento das carater´ısticas de carga de cada bateria, junto com uma análise de requisitos, é essencial no momento de projetar um apropriado e confiável sistema de carga de baterias. Cada método possui diversas vantagens e desvantagens, que associado a aplica¸cões e requisitos particulares, determinam o melhor método a ser utilizado.”

Assim, ao longo desta seçcão vai-se explicitar os processos de carga recomendados para cada um dos três tipos de baterias recarregáveis:

• Baterias chumbo-´acido; • Baterias de i˜oes de l´ıtio; • Baterias alcalinas.

Aumentar o tempo de vida de uma bateria é um processo complicado, principalmente quando a única fonte de energia é inconstante e imprevis´ıvel (Solar) e quando as condi¸cões ambientais a que esta estará exposta não são as recomendadas. Uma tentativa de aumentar o tempo de vida é através da utiliza¸cão de carregadores inteligentes. Estes, possuem como principais fun¸cões: [39][40]

• Fornecer a energia necess´aria ao processo de carga das baterias; • Otimizar o processo de carga atrav´es:

– Escolha do melhor m´etodo de carga, dependendo do tipo de bateria; – Controlo da temperatura no interior das c´elulas;

– Estima¸c˜ao do SOC.

• Finalizar corretamente o processo de carga, baseado:

– Queda na tensão: este tipo de termina¸cão é tratado na seçcão das baterias alcalinas; – Ponto de inflexão: identificar o ponto de inflexão no perfil de carga;

– Aumento de temperatura: este tipo de termina¸cão é tratado na seçcão das baterias alcalinas;

– Tempo de carga: medida de seguran¸ca para terminar o processo de carga, ap´os um determinado intervalo de tempo.

• Desconectar a fonte de energia quando a bateria tiver atingido o estado de carga m´aximo; • Desconectar a carga quando o SOC tiver atingido um limiar m´ınimo.

Com base em [30] e [39] existem três regimes básicos de carga de baterias secundárias: • Carga com Corrente Constante;

• Carga com Tens˜ao Constante; • Carga com Corrente Pulsada.

Quanto ao primeiro regime, existe um problema na decisão quanto ao valor da corrente. Por um lado, se for demasiado baixa o processo de carga vai ser demasiado lento, por outro lado, se for muito alta, problemas de overcharging irão existir. Uma solu¸cão prática consiste em optar por um regime de carga com corrente constante de dois per´ıodos, com elevada corrente no inicio e baixa corrente no fim. Em suma, é um bom método para ser utilizado quando o tempo de carga não é um fator importante.

Quanto ao segundo regime, o n´ıvel de corrente fornecida à bateria depende da diferen¸ca de potencial entre o carregador e a bateria, o que origina um decréscimo da corrente à medida que o tempo evolui e consequentemente, a situa¸cão final da carga da bateria vai ser demasiado lenta. Este regime também não deve ser aplicado em baterias completamente descarregadas porque a necessidade de fornecer grandes correntes pode levar a um aquecimento interno da bateria.

O terceiro regime envolve carga com pulsos de corrente de taxa e dire¸cão variáveis. A literatura apresenta argumentos muito d´ıspares quanto ao benef´ıcio ou não deste tipo de carga [41][42]. Alguns autores afirmam a possibilidade de aumentar a energia espec´ıfica e a potência espec´ıfica das células utilizando este tipo de processo, para além de trazer benef´ıcios especificamente no fim da carga e de contribuir para o aumento do desempenho das mesmas, enquanto que outros afirmam não ter influência nenhuma no desempenho. Alguns algoritmos de carga de baterias de Ni-Cd e Ni-MH com base neste regime encontram-se definidos em [39][42].

Modelos el´etricos das baterias

Aquando do projeto de um novo processo de carga para um determinado tipo de baterias, ou apenas para otimiza¸cão de um já existente, é normal recorrer a programas de simula¸cão. Para tal, é necessário obter modelos elétricos que consigam representar o comportamento dinâmico das mesmas.

Os modelos el´etricos mais importantes, encontram-se representados na figura 2.42.

Figura 2.42: Modelos el´etricos de baterias durante o Processo de Carga [11]

A figura 2.42 a) é o modelo mais simplista utilizado para representar uma bateria durante o processo de carga. É na verdade, o equivalente de Thévenin, constitu´ıdo por uma fonte de tensão ideal Vo, e uma resistência interna estática. Apesar de simples, não é um modelo

utilizado para simula¸cão pois não representa efeitos não lineares e espec´ıficos das baterias [11].

A figura 2.42 b) possui um condensador Cb que representa a capacidade de carga da

bateria, uma resistˆencia Rp, que tende a modelar o efeito de auto-descarga, e a resistˆencia

interna Rsda bateria. Apesar de apresentar melhores resultados do que o primeiro, continua

a ser um modelo demasiado simplista [11].

A figura 2.42 c), apresenta uma evolu¸cão do primeiro modelo. Ao possuir uma resistência Rp em paralelo com um condensador Cb, tende a modelar a tensão em sobretensão. Ao

considerar todos os outros componentes constantes, continua a ser um modelo demasiado simplista [11].

as sobre-tensões, o processo de auto-descarga e a capacidade da bateria. Trata-se de um modelo mais complexo e com resultados bastante razoáveis na simula¸cão de circuitos [11]. Baterias de chumbo-ácido

Em cada uma das células, o pólo negativo trata-se de uma grelha de uma liga de chumbo, coberta com chumbo esponjoso, enquanto que o cátodo é uma grelha de chumbo coberta com dióxido de chumbo, P bO2. O eletrólito é uma solu¸cão de ácido sulfúrico dilu´ıdo [43][30].

A rea¸c˜ao global eletroqu´ımica ´e:

P b + P bO2+ 4H++ 2SO42− Carga

Descarga2P bSO4+ 2H2O

Figura 2.43: Constitui¸cão de uma célula eletroqu´ımica de chumbo-ácido [44] Cada célula galvânica possui uma diferen¸ca de potencial de 2 V [30].

As baterias de chumbo podem-se dividir em dois tipos: as flooded e as valve-regulated lead-acid (VRLA). Nas primeiras, a bateria é preenchida com o eletrólito que se encontra totalmente livre e, durante a etapa de carga, irão formar-se gases (respetivamente, oxigénio no eletródo positivo e hidrogénio no negativo), o que leva à necessidade de existir uma forma de ventila¸cão. A combina¸cão destes gases, principalmente quando se estiver a atingir o estado de carga máximo, pode resultar em riscos de seguran¸ca. Estas baterias só podem ter uma única posi¸cão de instala¸cão devido à possibilidade de fuga do eletrólito pelo abertura da ventila¸cão. Uma vantagem deste tipo de baterias, é que o grau de descarga da bateria é facilmente mensurável com um dens´ımetro, uma vez que na etapa de descarga, a densidade do ácido sulfúrico vai diminuindo devido à produ¸cão de água. Nas segundas, o oxigénio é recombinado com o elétrodo negativo de modo a formar água, enquanto que o hidrogénio é na mesma expelido para a atmosfera. Para esse efeito, existe uma válvula de um só sentido. Este tipo de células pode ser colocado em qualquer orienta¸cão, uma vez que não existe possibilidade de escape do eletrólito.

Convém relembrar que durante o processo de carga as rea¸cões qu´ımicas produzem calor responsável pelo aumento da pressão e da temperatura no interior das baterias. Esta varia¸cão, tende a alterar os valores limiares de tensão e corrente pré-definidos pelos fabricantes, surgindo assim a necessidade de efetuar uma compensa¸cão de temperatura, tendo em conta o coeficiente de temperatura de cada bateria [45].

• Processo de Carga

Segundo [46], apesar de existir uma divis˜ao entre as baterias “flooded” e as baterias VRLA, ambas podem ser carregadas de forma similar. Constata-se que a maior parte dos algoritmos otimizados, baseiam-se na aplica¸c˜ao de corrente de forma controlada

seguida de etapas de tensão constante. O número de etapas de corrente constante é variável.

Segundo [45][47][48], este processo pode ser dividido em quatro etapas (ou trˆes se hou- ver uma desconex˜ao da fonte de energia, de modo a evitar over-discharge), conforme explicitado na figura 2.44:

– Est´agio 1 - Trickle Charge

Esta primeira fase só é necessária quando a bateria estiver completamente descarregada (tensão abaixo de VCHGEN B), ou se não existir qualquer conhecimento

acerca do estado de carga da mesma. É uma fase que serve para prevenir o sobreaquecimento, no caso da bateria se encontrar em curto-circuito. Enquanto a tensão da bateria não atinge o limiar de VCHGEN B, a corrente de carga deve ser da ordem

de C10

100 em que C ´e a capacidade nominal atingida num carregamento de 10 horas.

– Est´agio 2 - Bulk Charge

Este estágio compreende a aplica¸cão de corrente constante à bateria até à sua tensão atingir o valor VOC. O valor recomendado para a corrente (IBU LK), encontra-

se dispon´ıvel na documenta¸cão da bateria e não deve ser ultrapassado. – Estágio 3 - Over-Charge

Durante esta fase, a tens˜ao da bateria deve regulada pelo valor VOC, at´e a corrente

entregue `a bateria ser inferior a um determinado valor IOCT.

– Est´agio 4 - Float Charge

Neste estágio, deve ser aplicada à bateria uma tensão constante, cujo valor é

VF LOAT e cujo objetivo ´e compensar quaisquer correntes de descarga da bateria.

As vari´aveis supra citadas encontram-se explicitadas na documenta¸c˜ao das baterias. Contudo, devido a serem dependentes da temperatura, para otimizar a vida das baterias, ´

e necess´ario possuir um sensor de temperatura e ir atualizando-as progressivamente.

Neste tipo de baterias ´e poss´ıvel minimizar os problemas de balanceamento de c´elulas controlando os n´ıveis de overcharging.

Baterias alcalinas

Ao longo das últimas décadas, tem sido efetuado um esfor¸co no sentido de encontrar baterias aquosas com eletrólitos neutros ou alcalinos, devido a uma grande parte dos metais não serem estáveis em solu¸cões ácidas [30]. Assim, foram desenvolvidas as baterias alcalinas que como o nome indica, possuem eletrólitos alcalinos. Estas, empregam como elétrodo negativo um metal como Cádmio, Ferro ou Zinco e como elétrodo positivo um óxido de metal como Óxido de Manganésio, de Zinco ou de Prata. Nesta seçcão, referir-se-ão apenas os dois tipos de baterias alcalinas mais conhecidas: n´ıquel-cádmio e n´ıquel-hidreto metálico.

• Baterias de n´ıquel-c´admio:

Este tipo de baterias emprega um óxido de n´ıquel no elétrodo positivo e cádmio no elétrodo negativo. A rea¸cão global eletroqu´ımica é:

Cd + 2N iOOH + 2H2O CargaDescargaCd(OH)2+ 2N i(OH)2 (2.31)

A figura 2.45 apresenta um exemplo da constitui¸cão de uma célula eletroqu´ımica de n´ıquel-cádmio.

Figura 2.45: Constitui¸c˜ao c´elula eletroqu´ımica de Ni-Cd [44]

A diferen¸ca de potencial em circuito aberto é de 1.3V. Contudo, em situa¸cões de corrente não nula, o valor médio é cerca de 1.2V . Este tipo de baterias, apresentam uma energia espec´ıfica de 30 a 60 W hkg−1 (que é um valor bastante similar à energia espec´ıfica das baterias de chumbo), um bom desempenho numa grande gama de varia¸cão da temperatura (de -20o até +50oC) e a altas correntes de sa´ıda, um perfil de descarga horizontal e apenas abrupto no final, um longo tempo de vida e baixa manuten¸cão. As principais desvantagens são o seu alto custo, a toxicidade do cádmio, uma caracter´ıstica peculiar designada por “efeito de memória” que faz diminuir progressivamente a capacidade da bateria, no caso de múltiplos ciclos de carga e descarga parciais, um processo de carga moroso e uma alta taxa de auto-descarga [30].

• Baterias de n´ıquel-hidreto met´alico:

As baterias de Ni-MH podem ser consideradas como uma versão “melhorada” das baterias de Ni-Cd, em que a massa ativa do elétrodo negativo (cádmio) foi substitu´ıdo por uma liga de hidrogénio com carater´ısticas absorsoras, com vista a melhorar a capacidade elétrica de cada célula e a suprimir preocupa¸cões ambientais relativas à toxicidade do cádmio [50]. A rea¸cão global eletroqu´ımica é:

N iO(OH) + M H CargaDescargaN i(OH)2+ M

Onde: MH é hidreto de metal e M uma liga de hidrogénio com caracter´ısticas de ab- sor¸cão.

A figura 2.46 apresenta um exemplo da constitui¸c˜ao de uma c´elula eletroqu´ımica de Ni-MH:

Figura 2.46: Constitui¸c˜ao de uma c´elula eletroqu´ımica de Ni-MH [44]

Neste tipo de baterias, os gases formados durante os processos de carga e descarga são normalmente reabsorvidos. Apesar disso, existe uma válvula que servirá para prevenir aumentos significativos de pressão em condi¸cões severas que poderiam levar à explosão. O perfil de descarga deste tipo de baterias é plano, mantendo-se nos 1.2 V até ao SOC de 20%.

Como mencionado anteriormente, a capacidade da bateria varia inversamente com a taxa da corrente de descarga [50]. Usualmente, a capacidade deste tipo de baterias encontra-se definida para uma taxa de descarga de SOC 100% em 5 horas.

Seguidamente, apresenta-se em 2.47 uma tabela de compara¸c˜ao entre as baterias de Ni-MH e de Ni-Cd.

Figura 2.47: Tabela comparativa das baterias de Ni-MH e Ni-Cd [50]

• Processo de Carga

Antes de definir o processo recomendado para a carga das baterias de Ni-Cd, convém mencionar que este é semelhante ao recomendado para as baterias de Ni-MH. Baseia-se na aplica¸cão de uma corrente constante mas diferente, em três estágios consecutivos [51].

– Est´agio 1 - Pre-condition Charge

Esta primeira fase só é necessária quando a bateria estiver completamente descarregada (tensão inferior a 0.9 V), servindo para prevenir o sobreaquecimento, no caso da bateria se encontrar em curto-circuito. Enquanto a tensão da bateria não atinge o limiar anterior definido, a corrente de carga deve ser da ordem de 0.2 C. – Estágio 2 - Rapid Charge

Deve ser aplicada uma corrente entre 0.5 C e 1 C quando a tensão da célula se encontrar entre 0.9 V e 1.8 V. É necessário ter cuidado para não ultrapassar este valor, sob pena de aumentar a temperatura e a pressão da bateria a n´ıveis que a danifiquem permanentemente. Este estágio deve ser terminado abruptamente se a tensão de cada célula exceder 1.8V. Case contrário, passará para o estágio seguinte. – Estágio 3 - Top Off Mode

O estado de carga máximo pode ser encontrado, utilizando realimenta¸cão de tensão e/ou de temperatura. Essencialmente, atingindo este valor verifica-se um rápido aumento da Temperatura dT_dt e uma pequena diminui¸cão na tensão da bateria −dV_dt (ver figura 2.48). Após dete¸cão deste valor, a taxa da corrente deve ser alterada para 0.05 C durante cerca de uma hora.

Cuidados adicionais são necessários relativamente a este tipo de baterias, pois quando a célula está completamente carregada, qualquer passagem de corrente irá desencadear liberta¸cão de oxigénio no elétrodo positivo e de hidrogénio no elétrodo negativo (processo similar às “flooded ” de chumbo) levando à recombina¸cão destes gases com significativo aumento da temperatura e da pressão interna, até à abertura da válvula de seguran¸ca. Assim, é necessário ter algum tipo de dispositivo que limite o tempo de carga sob pena de permanentes danos nas células.

Figura 2.48: Perfil de Carga de baterias de NiCd e NiMH [51]

Neste tipo de baterias, não é necessário haver precau¸cões relativas ao balanceamento das células, pois já existem mecanismos naturais que o realizam [35].

Baterias de i˜oes de l´ıtio

Segundo [30], o elemento l´ıtio apresenta algumas propriedades atrativas à sua utiliza¸cão na composi¸cão de células galvânicas.

• ´E o metal mais leve da Tabela Peri´odica o que potencia o desenvolvimento de baterias mais leves;

• Apresenta um elevado potencial padrão que tem como consequência o valor relativamente alto de d.d.p das células eletroqu´ımicas de l´ıtio (3.7 V);

• Possui uma capacidade espec´ıfica relativamente alta de 3.86 Ahg−1 em contraste com a do zinco de 0.82 Ahg−1.

Posto isto, é intuitivo que a grande maioria das investiga¸cões na área da eletroqu´ımica nas ´

ultimas décadas tenham sido centradas na otimiza¸cão deste tipo de células, o que originou as baterias de iões de l´ıtio. Estas são leves, pequenas e possuem alta capacidade. Como desvantagem, apresenta-se o pre¸co elevado e a complexidade inerente ao processo de carga, devido a este tipo de baterias não suportarem sobrecargas [52].

As baterias de iões de l´ıtio não possuem uma equa¸cão qu´ımica única que as defina porque se referem a uma fam´ılia de tecnologias. O ponto comum a todas elas é a capacidade dos

elétrodos para hospedar iões de l´ıtio (Li+). A grande diferen¸ca entre as tecnologias encontra- se nas massas ativas dos elétrodos, variando desde compostos de cobalto, manganésio e fosfato de ferro no elétrodo positivo, até grafite no elétrodo negativo.

O princ´ıpio de funcionamento deste tipo de células, revela-se bastante simples. No processo de carga, os iões de l´ıtio saem do elétrodo positivo, passam pelo separador e vão-se localizar no elétrodo negativo (grafite, por exemplo). No processo de descarga, acontece exatamente o contrário.

Neste tipo de células, o eletrólito tem que ser uma composto não aquoso, devido à alta reatividade do l´ıtio com a água.

A figura 2.49 apresenta um exemplo da constitui¸cão de uma célula eletroqu´ımica de iões de l´ıtio.

Figura 2.49: Constitui¸cão célula eletroqu´ımica de iões de l´ıtio [44] • Processo de Carga

O processo de carga das baterias de l´ıtio encontra-se dividido em trˆes etapas e encontra- se apresentado na figura 2.50: [34][53]

– Est´agio 1: Trickle Charge

Tal como no caso das baterias de chumbo, esta fase é apenas necessária em casos que a bateria esteja completamente descarregada (tensão abaixo de 2.8 V). Esta fase destina-se para prevenir o sobreaquecimento, no caso da bateria se encontrar em curto-circuito. Enquanto a tensão da bateria não atingir o limiar anterior, a corrente de carga deve ser da ordem de ₁₀C. Prote¸cões de seguran¸ca devem também existir, de modo a terminar o processo de carga se a tensão da bateria não atingir o valor esperado no espa¸co de uma hora.

– Est´agio 2: Fast Charge

Assim que a tensão da bateria ultrapassar o limiar anterior, deve ser fornecida uma corrente nunca superior a 1 C e a transi¸cão entre etapas pode ser gradual, de forma a prevenir sobreaquecimento. Mais uma vez, prote¸cões de seguran¸ca devem também existir para terminar o processo de carga se a tensão da bateria não atingir o valor esperado de 4.2 V no espa¸co de uma hora e meia.

– Est´agio 3: Constant Voltage ´

E usual seguir o estágio anterior, com uma etapa de tensão constante igual ao limiar anterior (4.2 V), até que a corrente entregue à bateria seja inferior a 0.07 C.

Assim como nas outras etapas devem-se aplicar prote¸cões de seguran¸ca para for¸car o fim da opera¸cão de carga no tempo máximo de duas horas.

Figura 2.50: Perfil de Carga de baterias de I˜oes L´ıtio [34]

Neste tipo de baterias torna-se muito importante a realiza¸cão de técnicas de balanceamento de células, pelo facto delas não suportarem sobrecargas. As técnicas mais utilizadas são: [36][35] – Métodos end-of-charge: ∗ Charge shunting; – Métodos ativos: ∗ Charge shuttling; ∗ Conversores de energia;

No documento Sistema de iluminação pública autónomo com variação do fluxo luminoso (páginas 65-78)