Simulação do envelhecimento da bateria

Conforme se aludiu no subcapítulo 3.2.7, uma bateria de LiFePO4 suporta algumas centenas de ciclos sem perda significativa da capacidade de armazenamento. Com efeito, para testar o algoritmo quanto à estimativa do estado de saúde (SoH), teria que se realizar um conjunto de ensaios14 que permitisse avaliar tal parâmetro. Face à dificuldade em realizar tal conjunto de ensaios, a perda de capacidade da bateria foi simulada através do método que a seguir se descreve:

 A simulação (ensaio 5) foi realizada de acordo com o perfil típico de carga/descarga descrito no subcapítulo 6.2;

 A duração do ensaio foi de 20 dias, durante os quais se simulou uma perda de capacidade de 20% em dez dias (do 4º ao 14º dia, simulou-se uma perda de capacidade diária de 2%);

 Para efeitos da simulação de perda da capacidade da bateria, a cada ciclo do programa, a carga absorvida ou fornecida pela bateria foi multiplicada por um fator correspondente à perda de capacidade que se pretendeu simular, ou seja, 100% nos primeiros 4 dias, 98% no 5º dia, etc.

Os resultados do ensaio que foi realizado (ensaio 5) com o intuito de simular a perda de capacidade (envelhecimento) da bateria encontram-se ilustrados no gráfico da Figura 6-18.

Figura 6-18: Evolução do SoC, SoH e FCC em função do tempo – ensaio 5.

As saídas em tensão respetivas esquematizam-se no gráfico da Figura 6-19.

Figura 6-19: Evolução da tensão de saída em função do tempo – ensaio 5.

De acordo com os gráficos da Figura 6-18 e da Figura 6-19 verifica-se que, a partir do 4º dia do ensaio, o SoH diminui gradualmente à razão de cerca de 2% por dia, permanecendo praticamente constante e igual a cerca de 82% a partir do 14º dia de ensaio. Note-se que esta diminuição se deve à perda de capacidade que foi simulada.

O ensaio 5 permite ainda verificar que o máximo valor que o SoC pode assumir ao longo do tempo (dias para efeito de simulação mas que tenderá a ser anos quando em aplicação real) diminui na mesma razão do SoH. Efetivamente, quando a bateria atinge a carga máxima admissível (valor que diminui ao longo do tempo) o valor do SoC é coincidente com o valor do SoH (estimado apenas nestes momentos, ou seja quando a bateria atinge a carga admissível máxima, determinada por máximo de tensão). Conforme se evidenciou no subcapítulo 4.6, o SoC representa a percentagem da carga estipulada que a bateria efetivamente pode fornecer relativamente à carga estipulada. Por sua vez, o SoH representa a relação percentual entre a carga máxima que a bateria efetivamente aceita num dado momento da sua vida útil e a respetiva carga estipulada.

6.5 Discussão de resultados

Os ensaios descritos nos subcapítulos 6.3 e 6.4 foram realizados com o intuito de aferir o algoritmo de estimativa do SoC e do SoH, nomeadamente quanto à capacidade de autoajuste e ao erro máximo do SoC e do SoH estimado.

Para cada um dos ensaios, uma vez que o algoritmo não possui capacidade de estimar a carga inicial de uma bateria, procedeu-se à carga total e à respetiva parametrização da carga inicial (72000000 mAs). Note-se que se poderia ter atribuído um qualquer valor arbitrário de carga inicial, uma vez que o algoritmo iria convergir para o valor efetivo de carga. Contudo, isso pode implicar que o algoritmo consuma um tempo significativo até convergir para o valor de FCC real, pelo que é desejável que a carga inicial seja adequadamente parametrizada.

Após a realização de cada um dos ensaios (vejam-se os subcapítulos 6.3 e 6.4) foi efetuada uma descarga completa à bateria. A carga retirada foi contada e registada, permitindo-se a comparação da mesma com a carga estimada pelo algoritmo, conforme se mostra no Quadro 6-2.

Quadro 6-2: Comparação entre a carga medida e a carga estimada.

Ensaio Carga medida

(Ah) Carga estimada (Ah) Diferença (Ah) Diferença (%) 1 9,07 8,87 0,20 1,0 2 8,85 8,72 0,13 0,6 3 6,90 7,19 0,29 1,5 4 7,00 7,15 0,15 0,8 5 9,23 9,01 0,22 1,1

De acordo com os resultados que se ilustram no Quadro 6-2, a diferença máxima entre a carga que a bateria pode fornecer (carga medida) e a carga estimada pelo algoritmo é de 1,5%, correspondendo a 0,29 Ah (ensaio 3) e a diferença média é de 1%. De notar que o erro da estimativa do SoC não é afetado em função do SoH da bateria, ou seja, para diferentes SoH a margem de erro do SoC é a mesma (no ensaio 5, cujo SoH final é 80%, o erro associado à estimativa do SoC é de 1,1%).

Ao longo dos 4 primeiros ensaios, o SoH manteve-se praticamente constante e igual a 100% em virtude da bateria ser nova (foi sujeita a apenas algumas dezenas de ciclos de carga/descarga).

Quanto à simulação da perda da capacidade da bateria (envelhecimento) realizada no 5º ensaio, verifica-se que SoH estimado acompanhou gradualmente a perda de capacidade que se simulou. O Quadro 6-3 apresenta, para cada dia ensaiado, a diferença entre o SoH estimado e o SoH teórico (simulado).

Quadro 6-3: Comparação entre o SoH teórico e o SoH estimado. Dia (Ensaio 5) SoH teórico (%) SoH estimado (%) Diferença (%) 1 100,0 100,0 0,0 2 100,0 100,0 0,0 3 100,0 100,0 0,0 4 100,0 100,0 0,0 5 98,0 98,2 0,2 6 96,0 96,3 0,3 7 94,0 94,5 0,5 8 92,0 93,1 1,1 9 90,0 90,8 0,8 10 88,0 89,2 1,2 11 86,0 87,3 1,3 12 84,0 85,2 1,2 13 82,0 83,6 1,6 14 80,0 82.4 2,4 15 80,0 82,5 2,5 16 80,0 82,6 2,6 17 80,0 82,3 2,3 18 80,0 83,0 3,0 19 80,0 82,7 2,7 20 80,0 82,2 2,2

De acordo com os resultados descritos no Quadro 6-3, a diferença máxima entre o SoH estimado e o SoH teórico é de 3% (ensaio 5). Note-se, contudo, que a diferença entre o SoC estimado e a carga que a bateria pode fornecer é de apenas 1,1% (veja-se o Quadro 6-2). Significa isto que o algoritmo mantém a capacidade de autoajuste (FCC) quando a capacidade da bateria é inferior à capacidade estipulada. Importa referir que a diferença entre o SoH estimado e o SoH real tende a aumentar com o envelhecimento da bateria (quanto maior a perda de capacidade de armazenamento, maior a diferença entre o SoH estimado e o SoH real), embora permaneça em valores aceitáveis para a maioria das aplicações. Note-se que a estimativa do SoH foi avaliada para uma perda de capacidade máxima de 20% (o SoH variou entre 100% e 80%). Atendendo a que o erro de estimativa do SoH é cumulativo e tende a aumentar em função da perda de capacidade da bateria, estima-se que o erro aumente para valores de SoH mais baixos.