UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E
INFORMÁTICA INDUSTRIAL
LINCOLM NERI MENEZES
DISPOSITIVO DE TESTE DE BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CURITIBA 2019
LINCOLM NERI MENEZES
DISPOSITIVO DE TESTE DE BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial à obtenção do título de “Mestre em Ciências” – Área de Concentração: Fotônica em Engenharia. Orientador: Prof. Dr. Valmir de Oliveira
CURITIBA 2019
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
Menezes, Lincolm Neri
Dispositivo de teste de baterias chumbo ácidas [recurso eletrônico] / Lincolm Neri Menezes. -- 2019.
1 arquivo eletrônico (98 f.) : PDF ; 2,33 MB. Modo de acesso: World Wide Web. Texto em português com resumo em inglês.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. Área de Concentração: Fotônica em Engenharia, Curitiba, 2019.
Bibliografia: f. 87-88.
1. Engenharia elétrica - Dissertações. 2. Baterias de chumbo-ácido. 3. Acumuladores Medição. 4. Baterias elétricas Manutenção. 5. Energia
-Armazenamento. 6. Instrumentos de medição - Projetos e construção. 7. Correntes alternadas - Testes. 8. Correntes contínuas - Testes. 9. Software
- Desenvolvimento. 10. Métodos de simulação. 11. Fotônica. I. Oliveira, Valmir de, orient. II. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e Informática
Industrial. III. Título. CDD: Ed. 23 -- 621.3
Biblioteca Central do Câmpus Curitiba - UTFPR Bibliotecária: Luiza Aquemi Matsumoto CRB-9/794
À Deus À minha Família Aos meus Amigos Aos meus Professores
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Valmir de Oliveira, pela orientação e acolhida do projeto.
Ao CPGEII pelo apoio e suporte prestados.
Aos colegas de disciplina cursadas, pelo apoio, partilha do conhecimento e dificuldades vencidas.
A família, pelos momentos dedicados a este trabalho em que não pude estar com eles.
“Se você pode sonhar, pode realizar” Robert Schuller
“A criatividade é a inteligência se divertindo” Albert Einstein
RESUMO
MENEZES, Lincolm Neri. DISPOSITIVO DE TESTE DE BATERIAS CHUMBO
ÁCIDAS, 98f. Dissertação – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e
Informática Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2019.
Este trabalho versa sobre as metodologias de medição de resistência interna de baterias chumbo ácidas, com o objetivo de identificar qual método é mais eficaz no uso diário em manutenções preventivas de bancos de baterias. É descrito a teoria de funcionamento das baterias, bem como suas principais características e formas de controle e medição de seus principais parâmetros. O dispositivo testado deve ser capaz de identificar uma bateria com defeito através da leitura da tensão, corrente e resistência interna. São testados os métodos DC, DC pulsado e DC 2 níveis. O método AC também é testado com sinal senoidal de 100,500 e 1000Hz.O dispositivo escolhido como mais eficiente é o método senoidal de 100Hz que foi capaz de ler a resistência interna das baterias com polos metalizados e com polos de chumbo, dessa forma fornecendo uma ferramenta adequada para o técnico de manutenção, capaz de evitar uma falha total do banco de baterias, através de manutenções preventivas periódicas.
Palavras-chave: Baterias Chumbo Ácidas, Resistencia Interna de bateria,
ABSTRACT
MENEZES, Lincolm Neri. ACID LEAD BATTERY TEST DEVICE, 98p.Dissertation - Graduate Program in Electrical Engineering and Industrial Informatics, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2019
This paper deals with the internal resistance measurement methodologies of lead acid batteries, aiming to identify which method is most effective in daily use in preventive maintenance of battery banks. The theory of battery operation is described, as well as its main characteristics and ways of control and measurement of its main parameters. The device tested must be able to identify a defective battery by reading the voltage, current and internal resistance. DC, pulsed DC, and 2-level DC methods are tested. The AC method is also tested with 100,500 and 1000Hz sine signal. The device chosen as most efficient is the 100Hz sine method which was able to read the internal resistance of the batteries with metallized poles and lead poles, thus providing a tool suitable for the service technician, able to prevent a complete battery bank failure through periodic preventive maintenance.
Keywords: Lead Acid Battery, Battery Internal Resistance, Preventive Maintenance
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - A pilha de Volta. ... 17
Figura 2 - Pilha de Cruikshank ... 18
Figura 3 - Símbolo elétrico da bateria ... 18
Figura 4 - Contribuição de Wollaston , catodo em forma de “U”. ... 19
Figura 5 - Evolução das tecnologias em baterias primarias. ... 20
Figura 6 - Bateria de Gaston Planté ... 21
Figura 7 - Evolução das tecnologias de baterias secundárias ... 22
Figura 8 - Placa de chumbo com e sem material ativo aplicado ... 23
Figura 9 - Placa de chumbo placa e placa empastada. ... 24
Figura 10 - Diagrama de bateria chumbo ácida. ... 29
Figura 11 - Resistência interna em função da carga ... 34
Figura 12 - Efeitos da temperatura na vida útil da bateria ... 38
Figura 13 - Curva de auto descarga ... 39
Figura 14 - Número de ciclos de carga e descarga em função da profundidade de descarga... 41
Figura 15 - Modelo físico de uma bateria chumbo ácida ( Randles Model) ... 43
Figura 16 - Exemplo de aumento da impedância da bateria ... 44
Figura 17 - Modelo simplificado da resistência interna da bateria ... 45
Figura 18 - Tensão na bateria ao aplicar a resistência pelo método da IEC ... 46
Figura 19 - Modelo de impedância Z da bateria ... 47
Figura 20 - Relação entre SOC e a tensão de circuito aberto OCV, de totalmente descarregada a totalmente carregada. ... 48
Figura 21 - Estado da carga (OCV) em função da resistência interna ... 49
Figura 22 - Medidor Hioki BT3554 ... 51
Figura 23 - Medidor ALBER CRT 400 ... 52
Figura 24 - Diagrama em blocos do sistema ... 53
Figura 25 - Placa Arduino UNO ... 54
Figura 26 - Display com botões de comando ... 55
Figura 27 - Sensor de tensão contínua ... 55
Figura 29 - Placa de relés ... 56
Figura 30 - Circuito Integrado ICL 8038 ... 57
Figura 31 - Placa fonte simétrica e oscilador senoidal ... 58
Figura 32 - Amplificador Mono 60W ... 59
Figura 33 - Circuito para aplicação do resistor de teste ... 61
Figura 34 - Fluxograma Teste DC ... 62
Figura 35 - Protótipo montado com o resistor de carga de 2.2Ω/50W. ... 63
Figura 36 - Fluxograma do teste DC pulsado ... 64
Figura 37 - Circuito utilizado para o teste DC de 2 Níveis ... 65
Figura 39 - Protótipo aplicado no teste DC 2 Níveis. ... 67
Figura 40 - Diagrama em blocos do amplificador diferencial ... 68
Figura 41 - Circuito de leitura da tensão senoidal ... 69
Figura 42 - Fluxograma Teste AC ... 70
Figura 43 - Protótipo AC ... 71
Figura 44 - Bateria sob teste ... 72
Figura 45 - Fluxograma Método DC modificado ... 74
Figura 46 - Sinal senoidal de 100Hz na bateria... 77
Figura 47 - Sinal senoidal obtido no resistor de carga ... 78
Figura 48 - Sinal senoidal de 500Hz na bateria... 80
Figura 49 - Sinal senoidal de 500Hz no resistor ... 80
Figura 50 - Sinal senoidal de 1kHz na bateria ... 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Características Construtivas ... 26
Tabela 2 - Aplicações em função das características construtivas ... 26
Tabela 3 - Capacidade em função da temperatura ... 33
Tabela 4 - Tensão de corte em função do tempo de descarga. ... 33
Tabela 5 - Temperatura de armazenamento e intervalo de recarga necessário. ... 35
Tabela 6 - Estado de carga em função da tensão de circuito aberto ... 36
Tabela 7 - Características das baterias de teste ... 60
Tabela 8 - Calibração Arduino ... 73
Tabela 9 - Resultados Teste DC ... 74
Tabela 10 - Resultados Teste DC Pulsado ... 75
Tabela 11 - Testes DC 2 níveis ... 76
Tabela 12 - Valores obtidos com frequência de 100Hz ... 79
Tabela 13 - Valores obtidos com frequência de 500Hz ... 81
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS
LISTA DE ABREVIATURAS
AGM - Absorvido em microfibra de vidro VRLA - Válvula regulada por pressão Ah - Ampère hora
AC - Corrente Alternada (Alternating Current) CI - Circuito Integrado
DC - Corrente Contínua (Direct Current) DOD - Profundidade de descarga da bateria Rs - Resistor de shunt Vb - Tensão da bateria LISTA DE SIGLAS
IEC - Comissão Internacional de Eletrotécnica (International Electrotechnical Commission).
SOH - Estado de saúde (State of health) SOC - Estado de carga (State of charge)
OCV - Tensão de circuito aberto (Open circuit voltage)
Sumário
1INTRODUÇÃO ...13 2PROBLEMA ...15 3PROPOSTA ...15 4OBJETIVOS ...15 4.1 OBJETIVO GERAL ...15 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...15 5REVISÃO DA LITERATURA ...16 5.1 BATERIAS ...16 5.2 HISTÓRICO ...165.3 CLASSIFICAÇÃO DE BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS...22
5.3.1 Baterias Ventiladas ...22
5.3.2 Baterias Seladas ...24
5.4 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS ...25
5.4.1 Características Construtivas ...25
5.4.2 Aplicações em Função das Características Construtivas ...26
5.5 TEORIA DE FUNCIONAMENTO BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS SELADAS ...27
5.6 COMPONENTES DE BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS SELADAS ...29
5.7 PARÂMETROS DE BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS SELADAS ...31
5.7.1 Tensões Elétricas ...31
5.7.2 Capacidade ...32
5.7.3 Resistência Interna ...34
5.7.4 Auto Descarga ...35
5.7.5 Estado de Carga da Bateria em Função de sua Tensão em Circuito Aberto (OCV) ...36 5.7.6 Correntes ...37 5.7.8 Ciclo ...37 5.7.9 Dimensões ...37 5.8 MANUTENÇÃO ...37 5.9 CAUSAS DE FALHA ...38
5.9.1 Falha por Temperatura ...38
5.9.2 Falha por Auto Descarga ...39
5.9.3 Sobrecarga ...40
5.9.4 Descarga Abaixo da Tensão de Final de Descarga ...40
5.9.5 Número de Ciclos de Carga e Descarga Suportados ...40
5.10 ESTADO DAS BATERIAS ...41
5.11 PRINCIPAIS PARÂMETROS DE CONTROLE ...42
5.11.1 Tensão ...42
5.11.2 Corrente ...43
5.11.3 Temperatura ...43
5.11.5 Teste Corrente Contínua ...44
5.11.6 Teste Corrente Alternada ...46
5.11.7 Imagem Térmica ...47
5.12 DETERMINAÇÃO DO ESTADO DE CARGA E VIDA ÚTIL DA BATERIA ...47
5.12.1 Estado de Carga (SOC) ...47
5.12.2 Estado de Carga pelo Método OCV (Open Circuit Voltage) ...48
5.12.3 Determinação do Estado de Carga pelo Método da Impedância ...48
5.12.4 Estado De Saúde (state of health - SOH) ...49
5.13 FALHAS EM BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS SELADAS ...49
5.14 DESCARTE DE BATERIAS ...50
5.15 MEDIDORES COMERCIAIS ...50
5.15.1 MEDIDOR HIOKI BT3554 ...50
5.15.2 Medidor ALBER CRT400 ...52
6MATERIAIS E MÉTODOS ...52
6.1 DIAGRAMA EM BLOCOS DO SISTEMA ...52
6.2 HARDWARE UTILIZADO ...53
6.3 METODOLOGIA DE TESTES ...60
6.3.1 Teste DC ...60
6.3.2 Teste DC Pulsado ...63
6.3.3 Teste DC 2 níveis ...64
6.3.4 Teste AC com Frequências variáveis ...68
6.4 AFERIÇÃO DOS RESULTADOS DE TENSÃO E CORRENTE ELÉTRICAS. ..72
7RESULTADOS ...73
7.1 TESTE DC ...73
7.2 TESTE DC PULSADO...75
7.3 TESTE DC 2 NÍVEIS...76
7.4 TESTE AC ...77
7.4.1Teste AC com Frequência de 100Hz ...77
7.4.2Teste AC com Frequência de 500Hz ...79
7.4.3Teste AC com Frequência de 1kHz ...81
8 CONCLUSÃO ...84
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...87
1 INTRODUÇÃO
Este trabalho busca desenvolver e apresentar uma forma simples de testar baterias chumbo ácidas seladas, que fazem parte do trabalho diário do autor, quando da execução de manutenção em sistemas de alimentação ininterrupta (Nobreaks). Pelo fato das baterias serem fabricados em vasos de plástico ABS opaco, não é possível verificar o estado interno dos componentes, tais como as grades e o eletrólito. Dessa maneira torna-se necessário uma forma de medição indireta do estado da bateria, que nesse caso é obtido pela determinação da resistência interna. A grande dificuldade é detectar o estado de baterias conectadas em série, tarefa que pode ser desempenhada comparando a medição da resistência interna de cada bateria, e caso seja detectado um desvio acima de 30%, recomendar a troca da mesma.
No capítulo 2 é apresentado o histórico das baterias, e sobretudo com relação as baterias chumbo ácidas, que pouco mudaram deste a bateria de Gaston Planté, exceto pela evolução dos materiais utilizados. A classificação das baterias e suas características construtivas são mostradas, inclusive com a aplicação de cada tipo de bateria em função de seus componentes internos. A teoria de funcionamento, baseada na recombinação de gases no interior da bateria é explanada, bem como seus principais parâmetros. As causas mais comuns de falha são citadas e relacionadas aos parâmetros de controle, que uma vez obtidos irão mostrar o estado de saúde (SOH) e o estado de carga (SOC) da bateria.
No capítulo 3 é apresentado os materiais utilizados nessa pesquisa, relatando a utilização do microprocessador Arduino UNO junto com um sensor de tensão continua. Para a aplicação da carga durante os testes foi utilizada uma placa com relés que conectavam e desconectavam o resistor de carga. Além das interfaces dos Arduino, conhecidas como Shields, foi utilizado um circuito integrado para gerar forma de onda senoidal, e esse sinal é aplicado em um amplificador de áudio de 60W que é capaz de excitar uma corrente senoidal na bateria, provocando uma variação de tensão e possibilitando determinação da resistência interna.
A forma para aferição das correntes e tensões também é citada, utilizando osciloscópio e gerador de funções. A descrição do processo de determinação da resistência interna inicia com o procedimento mais simples, que é a aplicação do resistor de carga, aqui denominado método DC. Passando pelo método DC pulsado, onde a aplicação do resistor de carga é chaveada em determinadas frequências,
através da placa de relés. Também foi aplicado o teste DC em dois níveis, método no qual duas diferentes resistências são aplicadas em períodos diferentes, e a resultante é a média das resistências internas obtidas. O teste com sinal senoidal é explanado, bem como os componentes utilizados para gerar, amplificar e injetar o sinal senoidal em frequências de 100, 500 e 1000Hz. A leitura da tensão e corrente senoidais também é explanada através de uso de um amplificador diferencial e um retificador de meia onda, que compatibiliza o sinal a ser lido com as características da porta analógica do microcontrolador utilizado.
No capítulo 4 são mostrados os resultados obtidos com a aplicação de cada um dos métodos, aplicado em diferentes capacidades de baterias e com variação da frequência de teste. O objetivo é conseguir atingir os valores de resistência interna divulgados pelos fabricantes, ou ainda uma relação entre essas medidas que possua certa estabilidade. Os resultados obtidos são utilizados na discussão do método mais eficiente explanado na conclusão, que levará em consideração o método que seja mais eficaz e que possua uma maior facilidade de construção, para ser aplicado em rotinas de manutenção preventiva e preditiva em bancos de baterias, e que obtenha os resultados de resistência interna mais próximos dos informados pelos fabricantes. Na conclusão é escolhido o sistema de medição que trouxe maior estabilidade e pode ser aplicado nas leituras efetuadas em manutenções preventivas de bancos de baterias. São apontados os modelos mais eficientes para o método DC e para o método AC. Também é apontado quais seriam os trabalhos futuros e as dificuldades encontradas no desenvolvimento dos testes, principalmente relacionados a interferências e ruídos inerentes ao processo e que modificam a leitura do valor mais correto de resistência interna.
2 PROBLEMA
Baterias são dispositivos que operam em inúmeros sistemas, tais como sistemas de suporte à vida, sistemas financeiros e industriais. Cada sistema tem seu grau de criticidade e o impacto de uma parada repentina causa muitos transtornos. Por esse motivo, fazer o diagnóstico do estado da bateria é muito importante, fazendo medições de parâmetros elétricos tais como tensão, corrente e resistência interna, para verificar se a mesma está em falha ou em processo de falha. A principal dificuldade é que devido a seu vaso opaco, não é possível ver o estado dos componentes internos. Equipamentos comerciais para medição da resistência interna de baterias tem custo elevado, o que dificulta o acesso aos mesmos.
3 PROPOSTA
Construir um dispositivo de medição da resistência interna de bateria chumbo ácida selada, capaz de determinar o estado da mesma, verificando se essa resistência interna está aumentando em relação ao valor de referência disponibilizado pelo manual do fabricante. O dispositivo pode ser usado para construir um histórico de evolução da resistência interna, e com isso verificar se essa bateria está em processo de falha, auxiliando na tomada de decisão da substituição dessa mesma bateria.
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Caracterizar as metodologias de teste em DC e AC para determinação da resistência interna, e desenvolver o software e o hardware necessário para executar essas funções. Determinar qual metodologia é mais eficiente.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Caracterizar metodologia de teste DC pulsado;
Caracterizar metodologia de teste DC 2 níveis;
Caracterizar metodologia de teste AC com teste de frequências em 100, 500 e 1000Hz;
Desenvolver hardware e software para as metodologias mencionadas;
Definir qual método é mais eficiente.
5 REVISÃO DA LITERATURA
5.1 BATERIAS
De acordo com Linden e Reddy (2002), baterias são dispositivos que convertem energia química, contida em materiais ativos, diretamente em energia elétrica, através de uma reação eletroquímica de oxidação-redução, em sistemas recarregáveis a bateria é carregada através do processo reverso da descarga. Este tipo de reação envolve a transferência de elétrons de um material para outro através de um circuito elétrico. Em relação ao termo bateria, este se refere a associação de uma ou mais células conectadas em série, paralelo ou ambas.
Células são unidades básicas eletroquímicas que consistem de (processos de descarga):
1. Anodo ou Eletrodo Negativo: fornece elétrons, sofre redução. 2. Catodo: recebe elétrons, sofre oxidação
3. Eletrólito, meio liquido ou solido que fornece o meio de transporte de elétrons.
5.2 HISTÓRICO
Em 20 de março de 1800, um professor de filosofia natural da Universidade de Pavia, na Itália, chamado Alessandro Volta envia uma carta para Sociedade Real de Londres descrevendo sua recente descoberta. A carta descrevia um aparato formado por discos montados alternando estanho e zinco ou cobre, latão e prata. A combinação de zinco e prata era a preferencial nos experimentos. Um material absorvente como
papel ou couro foi mergulhado em solução de cloreto de sódio, e era instalado entre os discos de zinco e prata (ROOT,2010).
Figura 1 - A pilha de Volta.
Fonte: (ROOT,2010).
Dessa maneira, cada conjunto composto por um disco de prata, material absorvente e disco de cobre formavam uma célula, e a associação das células resultou na primeira bateria, inicialmente denominada pilha voltaica, mostrada na figura 1 (ROOT,2010).
Após a revelação desta tecnologia, ocorreram algumas modificações no projeto, como o aparato desenvolvido pelo cirurgião e cientista escocês Willian Cruikshank, ele colocou a pilha de volta em um recipiente, conforme a figura 2. Dessa forma era possível ter uma quantidade maior de eletrólito, aumentado a performance da pilha. Eletrodos de cobre e zinco forma inseridos, deixando os polos positivo e negativo acessíveis (ROOT,2010).
Figura 2 - Pilha de Cruikshank
Fonte: (ROOT,2010).
Esse experimento serviu de inspiração para a adoção do símbolo de baterias, conforme visto na figura 3 (ROOT,2010).
Figura 3 - Símbolo elétrico da bateria
Fonte: (ROOT,2010).
Charles H. Wilkinson adicionou alças às células, de tal forma que elas poderiam ser retiradas do eletrólito, evitando que houvesse auto descarga. Wollaston contribuiu ao aumentar as áreas dos catodos e anodos, dobrando em forma de “U” o catodo de cobre, dessa maneira ambos os lados poderiam ser usados, em torno do anodo de zinco, conforme a figura 4. Desta maneira aumentando a quantidade de energia que podia ser armazenada na pilha de Volta (ROOT,2010).
Figura 4 - Contribuição de Wollaston , catodo em forma de “U”.
Fonte: (ROOT,2010).
As baterias primárias tinham a característica de disponibilizar a energia armazenada uma única vez, dessa forma eram descartadas ou tinham seu eletrólito reposto por completo. A evolução da tecnologia nesse tipo de dispositivo pode ser vista linha do tempo mostrada na figura 5, que se inicia com Leyden em 1745, e se destaca com a descoberta das pilhas alcalinas em 1942, amplamente utilizadas até os dias atuais.
Figura 5 - Evolução das tecnologias em baterias primarias.
Fonte: (ROOT,2010).
Segundo Root (2010), um grande marco na evolução das baterias se dá com as baterias secundárias ou recarregáveis, que foram reportadas pela primeira vez por Ritter em 1805. Esses elementos foram chamados de acumuladores ou baterias de armazenamento de energia. A implementação deste tipo de bateria não aconteceu até a descoberta do físico francês Gaston Planté, que resultou em um dispositivo com aplicação prática datado de 1859. A bateria de Planté consistia de duas folhas de chumbo separadas por tiras de borracha ou um separador de feltro imersas em solução de 10% de ácido sulfúrico. Os eletrodos eram ativados em repetidos ciclos de carga e descarga, utilizando baterias primárias como fonte de energia. Neste processo havia a formação de dióxido de chumbo no catodo e sulfato de chumbo no catodo e anodo. A bateria de Planté pode ser vista na figura 6.
Figura 6 - Bateria de Gaston Planté
FONTE: ROOT (2010)
Em 1881 Camille A. Faure na França, e Charles F. Brush nos Estados Unidos, de forma independente, aplicaram dióxido de chumbo misturado com ácido sulfúrico em forma de pasta no eletrodo de chumbo, aumentando o desempenho da bateria, pois proporcionava um aumento da área de contato do eletrodo com o eletrólito (ROOT,2010).
A evolução da tecnologia das baterias secundárias, que permitem ser recarregadas, pode ser vista na figura 7. Podemos destacar a descoberta das baterias de níquel cádmio em 1899, e as mais recentes baterias de íon lítio em 1991 (ROOT,2010).
Figura 7 - Evolução das tecnologias de baterias secundárias
Fonte: (ROOT,2010).
5.3 CLASSIFICAÇÃO DE BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS
5.3.1 Baterias Ventiladas
As baterias ventiladas são aquelas que possuem eletrólito líquido e livre dentro da célula e, que permitem a adição de água durante a vida útil. São tolerantes a altas temperaturas e sobrecargas. Emitem quantidade considerável de gases e não podem ser instaladas junto com equipamentos eletrônicos. Possuem a vantagem de ter uma alta durabilidade, porém com alto custo e só podem ser montadas com as tampas viradas para cima, inclusive durante o transporte, sob risco de vazamento do eletrólito (BATTERY,2019).
Quanto às tecnologias de construção disponíveis: Planté
É uma variação da primeira bateria, demonstrada por Gaston Planté no século XVIII. A placa ou grade positiva é composta de chumbo puro com lamelas finas que proporcionam uma área de superfície em torno de 12 vezes a área aparente. O material ativo é produzido a partir da superfície do chumbo, e pode se regenerar durante toda a vida útil da bateria, com isto está bateria mantém sua capacidade inicial
durante toda a sua vida útil. A grande área de superfície e a capacidade de reciclar seu material ativo, torna esta ideal para aplicações críticas, onde falhas tem elevado custo, tais como centrais elétricas, estações de comutação de energia, grandes bancos e call centers. Seu alto custo e sua limitada capacidade de efetuar ciclos de carga e descarga, são compensados pelo fato de terem uma vida útil de até 20 anos e ficarem normalmente em estado de espera (flutuação). A placa de chumbo sem e com material ativo aplicado são mostrados na figura 8 (BATTERY,2019)
Figura 8 - Placa de chumbo com e sem material ativo aplicado
Fonte: BATTERY,2019.
Placas Planas
Estas baterias tem um custo e uma durabilidade menor (em flutuação) que as baterias Planté. Seu design oferece uma capacidade de ciclos de carga e descarga maior. A placa positiva é composta por uma liga de chumbo na qual o óxido de chumbo e colocado sob pressão, o que diminui os custos de fabricação. Esta placa também é mais fina; com isto há uma redução na vida útil da bateria, durante sua operação há uma redução gradual de capacidade até que esta atinja 80% da nominal no fim da
vida útil. A figura 9 mostra a placa de chumbo com se sem o material ativo aplicado (BATTERY,2019).
Figura 9 - Placa de chumbo placa e placa empastada.
Fonte: BATTERY,2019.
5.3.2 Baterias Seladas
As baterias reguladas por válvula, denominadas como seladas, possuem eletrólito imobilizado na forma de gel ou em separadores de fibra de vidro, possuem uma válvula de alívio de pressão que limita a fuga de gases, provenientes dos ciclos de carga e descarga, são geralmente menores e mais baratas que as baterias ventiladas. Devido ao fato de não poderem ser acessadas externamente, são muito sensíveis a temperaturas elevadas e a sobrecarga, quando há um destes fatores ou sua combinação, ocorre um processo de evaporação (dry out) que faz com que a bateria perca eletrólito e se danifique. Como a emissão de gases é desprezível, em operação normal, podem ser instaladas em ambientes com equipamentos eletrônicos e circulação de pessoas, inclusive podem ser montadas em qualquer posição, pois não há risco de perda de eletrólito (BATTERY,2019).
Quanto às tecnologias de construção disponíveis:
Placas Planas AGM
Estas baterias têm a mesma construção básica das ventiladas placas planas, no entanto utilizam diferentes ligas de chumbo, separadores e outros recipientes. Os separadores são compostos por mantas de fibra de vidro absorventes que imobilizam o eletrólito e facilitam a recombinação dos gases internos. Possui uma capacidade de descarga relativamente alta, sua capacidade de carga e descarga é limitada e seu custo, quando comparado às baterias ventiladas, menor. É, atualmente, a bateria mais utilizada devido ao seu custo, tamanho reduzido e a emissão de gases desprezível. Sua capacidade diminui ao longo da vida útil (BATTERY,2019).
Placas Planas GEL
Tem a mesma construção das baterias AGM, porém o eletrólito é imobilizado em um gel a base de sílica. Esta característica ajuda a suportar uma maior temperatura, por esta razão é considerada mais robusta. O processo produtivo a torna mais cara, tem um ciclo de carga e descarga limitado e sua capacidade cai ao longo da vida útil (BATTERY,2019).
5.4 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS
5.4.1 Características Construtivas
Baterias ventiladas tinham a vantagem de poder ter o eletrólito reposto, porém como havia a emissão de gás, as mesmas precisavam ser montadas em salas ventiladas. As baterias seladas podiam ser instaladas em salas com circulação de pessoas, pois não havia emissão significativa de gases. A tabela 1 mostra as características construtivas das baterias ventiladas e seladas (BATTERY,2019).
Tabela 1 - Características Construtivas
Fonte: Adaptado de BATTERY,2019.
5.4.2 Aplicações em Função das Características Construtivas
A tabela 2 mostra a aplicação das diversas tecnologias de baterias ventiladas e seladas (BATTERY,2019).
Tabela 2 - Aplicações em função das características construtivas
Fonte: Adaptado de BATTERY,2019. Grupo
Tipo Plante Placas Planas Ventiladas Placas Planas Tubulares Construção Chumbo Lamelar Liga Sb/Ca Liga Sb/Ca Liga Pb/Ca Liga Pb e Ca
Material Ativo PbO₂ PbO₂ PbO₂ PbO₂ PbO₂
Construção Liga Pb/Sb Liga Pb/Sb Liga Pb/Sb Liga Pb/Ca Liga de Pb/Ca Material Ativo Pb Poroso Pb Poroso Pb Poroso Pb Poroso Pb Poroso
Composição
Conteúdo Fibra de Vidro Gel
Ventilação
Placa Ventilada Seladas
Positiva Negativa
Eletrólito
Ácido Sulfúrico diluído em água pura Líquido e Livre
Ar livre Regulada por Válvula
Grupo
Tipo Plante Placas Planas Tubular AGM GEL Tubular
Automotivas ND Excelente ND Bom Bom ND
Standby Excelente Bom Médio Bom Bom Bom
Solares Pobre Médio Excelente Médio Médio Bom
Tracionarias Pobre Médio Excelente Médio Médio Bom
Custo Alto Moderado Moderado Moderado Alto Alto
Vida em flutuação >20 anos 15 anos 10 anos 5~10 anos 10 anos 10~15 anos Número de ciclos 300 600~800 >1250 500 500 >1250
5.5 TEORIA DE FUNCIONAMENTO BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS SELADAS
De acordo com POWERSAFE (2018), o funcionamento das baterias chumbo ácidas seladas se dá pela recombinação de gases, sendo essencial que a quantidade de material ativo das placas e as ligas de chumbo utilizadas na fabricação se mantenham em equilíbrio, permitindo que o oxigênio seja produzido prioritariamente em relação ao hidrogênio. Devido à necessidade de obter um consumo reduzido de água, é necessário a reação de recombinação interna do oxigênio. Esta reação de recombinação do oxigênio com o chumbo metálico da placa negativa gera o calor de reação, que deve ser dissipado para fora da bateria, evitando danos internos aos componentes da bateria.
Na placa positiva a principal reação química é descrita pela equação 1:
PbO2 + 4H + SO4= + 2e- PbSO4 + 2H20 (1)
Antes de terminal a transformação do sulfato de chumbo em dióxido de chumbo, uma parte da corrente oxida a água conforme a equação 2:
2H20 O2 +4H + 4𝑒− (2)
Este fenômeno ocorre em pequena proporção a partir do momento em que 70% do sulfato de chumbo foi convertido em dióxido de chumbo.
Na placa negativa a principal reação química se dá conforme a equação 3:
Pb+SO4 PbSO4 +2𝑒− (3)
A placa positiva começa a produzir oxigênio antes do fim da carga da placa negativa e que este oxigênio em contato com a massa ativa negativa reage oxidando a mesma, conforme a equação 4:
2Pb + O2 2Pb0 + calor (Reação de Recombinação) (4)
Para que o contato do oxigênio seja eficiente com a massa negativa, condições especiais devem ser criadas dentro do elemento para que o oxigênio possa difundir diretamente da placa positiva até a placa negativa, através dos poros contendo gás. O oxigênio é pouco solúvel no eletrólito para atingir a placa negativa com velocidade
suficiente, com 10 a 20% do volume dos poros conduzindo oxigênio é possível atingir eficiência de recombinação de 98 a 99%. Quando não é atingido esse volume de poros conduzindo o eletrólito, implica em limitação do volume de eletrólito e por consequência do volume de água.
A placa negativa sofrendo oxidação inibe quase a totalidade de liberação de hidrogênio, conforme equação 5:
2H++ + 2𝑒− H
2 (5)
O hidrogênio gerado por esta reação e pela reação de auto descarga é mostrada na equação 6:
H2OSO4 +Pb PbSO4 +H2(6)
Neste caso o hidrogênio não consegue recombinar dentro do elemento e é liberado pela válvula de alívio.
5.6 COMPONENTES DE BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS SELADAS
A figura 10 mostra o diagrama de uma bateria chumbo ácida. Na mesma figura é possível ver as partes principais de tal tipo de bateria.
Figura 10 - Diagrama de bateria chumbo ácida.
Fonte: STA-ELETRONICA (2019).
Grade Positiva
Composta por uma liga de chumbo cálcio (PbCa) com função de suprir corrente elétrica e servir de base de sustentação para o material ativo (POWERSAFE,2018).
Grade Negativa
Composta por uma liga de chumbo (PbSn) com a função de suprir corrente elétrica e servir de base de sustentação para o material ativo (POWERSAFE,2018).
Placas
Placas positivas são formadas por massa de óxido de chumbo empastado nas grades de liga de PbCa (Chumbo Cálcio), enquanto as placas negativas são formadas por massa de óxido de chumbo empastada em grades de liga de Sn (Estanho). Ambas as placas apresentam espessura de 2 a 4mm. Esse processo tem objetivo atenuar os efeitos da corrosão nas placas, sendo balanceada para aumentar a vida útil da bateria (POWERSAFE,2018).
Separadores
São constituídos de manta de lã de vidro absorvente (AGM – Absortive Glass Material), que tem alta durabilidade e capacidade térmica, que absorve o eletrólito e mantém a condutividade. Tem a função de isolar e separar as placas positivas e negativas, evitando curto circuitos e oferecendo mínima resistência ao fluxo do eletrólito (POWERSAFE,2018).
Válvula de segurança
Formada por uma borracha EPDM especial, ela atua por efeito da pressão interna. Quando há um evento de sobrecarga na bateria, e a consequente formação excessiva de gás, a mesma libera o excesso e impede a entrada do ar do ambiente. A atuação da válvula ocorre em uma escala de 0,2Kgf/cm² a 0,6Kgf/cm² (POWERSAFE,2018).
Vaso e tampa
São constituídos de resina ABS com elevada resistência ao ácido sulfúrico, alta durabilidade e máxima vedação em relação ao ácido sulfúrico e gás. Possuem
classificação V1, enquanto as baterias denominadas V0 possuem propriedades de não propagação de incêndio (POWERSAFE,2018).
Polos e terminais
São de bronze estanhado do tipo inserto metálico e construídos de forma a obter o melhor contato, com baixa resistência de conexão, ao terminal de interconexão, garantindo a passagem de correntes elétricas elevadas sem o aumento da temperatura ou perda de carga (POWERSAFE,2018).
Ácido sulfúrico
É utilizado como componente da massa ativa e do eletrólito, sendo obtido pela mistura de ácido sulfúrico concentrado com densidade de 1,835g/cm³ diluído em água, onde obtém-se densidades relativas de 1,050 a 1,400g/cm³. Um valor de referência para baterias de 12V é 1,300g/cm³ com temperatura de 25 °C e com a bateria plenamente carregada (POWERSAFE,2018).
Parafusos
Os parafusos são normalmente de aço inox e o torque aplicado deve estar entre 5 a 12 N.m conforme a especificação de cada bateria (POWERSAFE,2018).
5.7 PARÂMETROS DE BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS SELADAS
5.7.1 Tensões Elétricas
De acordo com ACTPOWER,2019 estas são as principais tensões elétricas: Tensão nominal: valor da tensão por elemento, vezes o número de elementos ligados em série e condicionadas na caixa da bateria. O valor é 2,0V por elemento, para uma bateria com 6 elementos o valor impresso na caixa é 12V.
Tensão de flutuação: tensão aplicada à bateria que evita sua auto descarga, depende da temperatura ambiente e seu valor fica entre 2,20 e 2,25V por elemento.
Tensão de equalização: tensão aplicada quando se tem um banco de baterias no qual há baterias com tensões diferentes, este processo faz com que as tensões de cada bateria se aproximem de um determinado valor. Normalmente é aplicado valores entre 2,43 e 2,48V.
Tensão de carga: tensão necessária, a ser aplicada por elemento, para que a bateria entre em processo de carga. Valor normalmente entre 2,43 e 2,48V por elemento. Baterias VRLA-AGM são carregadas sempre com tensão constante.
Tensão de circuito aberto (OCV - Open Circuit Voltage), tensão que a bateria atinge após ser desconectada de qualquer circuito decorrido um período de 04 horas. Tensão de final de descarga: mínima tensão que uma bateria pode atingir no processo de descarga, este valor depende do tempo que a descarga durará. Para descargas de até 01 hora o valor recomendado e de 1,75V por elemento. Se a bateria for descarregada abaixo deste valor, a mesma pode sofrer um processo irreversível de sulfatação das placas e com isto seu dano é permanente.
5.7.2 Capacidade
É a quantidade total de energia armazenada. Capacidade nominal é definida em Ampére-hora (Ah), que é o produto do valor da corrente de descarga pelo número de horas necessárias para atingir a tensão final de descarga. Normalmente as baterias vem com referência ao tempo C (descarga em 1 hora), por exemplo: (ACTPOWER,2019).
Uma bateria 12V/40Ah e capaz de fornecer 40 ampères durante um período de 1 hora.
Em C10, ou seja, em 10 horas, e capaz de fornecer 4 A.
Em C20, ou seja, em 20 horas, é capaz de fornecer 2A.
Três fatores determinam a capacidade de uma bateria:
Tamanho: diretamente proporcional à quantidade de eletrólito e material ativo. Temperatura: varia conforme a tabela 3. A temperatura ideal de trabalho é a 25°C, onde obtemos a totalidade da capacidade da bateria, para temperaturas superiores há perda de água por evaporação, chamado de efeito dry-out.
Tabela 3 - Capacidade em função da temperatura
Fonte: ACTPOWER,2019.
Tensão final de descarga: a tabela 4 mostra a tensão final de descarga em função do tempo de descarga (ciclo). Para descargas mais longas, a tensão de corte é maior, esse procedimento tem como objetivo proteger os componentes internos da mesma. Os valores são definidos de acordo com cada fabricante, e são testados em laboratório (ENERSYSTEM,2019).
Tabela 4 - Tensão de corte em função do tempo de descarga.
Fonte: ENERSYSTEM,2019.
Descargas que não respeitem estes valores levam a bateria a sofrer sulfatação ou descarregar totalmente as placas, caso no qual a bateria precisa ser substituída (ACTPOWER,2019).
5.7.3 Resistência Interna
A resistência interna da bateria é um dos fatores responsáveis por perdas durante os processos de cargas e descargas, já que a energia é convertida em calor, e quanto menor a resistência interna melhor o desempenho. Cargas e descargas lentas, ou seja, com uma corrente menor, são mais eficientes. A resistência é menor com a bateria plenamente carregada, e aumenta conforme perde carga. Na figura 11 temos um gráfico que representa tal variação, em função do estado de carga da bateria. A resistência interna aumenta de acordo com a diminuição da carga da bateria, esses valores indicam que a bateria não está com o valor de carga adequado ou em falha. O valor da resistência interna é fornecido pelos fabricantes, especificada para um estado de totalmente carregada à temperatura de 25ºC. Baterias de mesma capacidade, fabricação e idade tem resistências internas muito próximas, baseado nesta informação é possível construir um histórico de evolução da resistência interna e com isto ter uma ideia do estado das baterias (ACTPOWER,2019).
Figura 11 - Resistência interna em função da carga
Fonte: ACTPOWER,2019.
Este parâmetro será utilizado para efetuar o teste da bateria, com referência a resistência interna fornecida pelo fabricante, em estado de totalmente carregada e com poucos ciclos de uso, e o dispositivo testado será capaz de medir tal resistência. Desta forma a referência encontrada no manual do fabricante é válida como parâmetro
de comparação com os valores obtidos nos testes. Para valores com o dobro da resistência nominal, segundo cada fabricante, já há a indicação de necessidade de substituição da mesma por desgaste natural e com possibilidade de falha. Para valores acima do dobro, já é considerado que a bateria está inoperante, e esse é o objetivo do dispositivo de teste de baterias chumbo ácidas, identificar qual bateria está com tendência de falha (ACTPOWER,2019).
5.7.4 Auto Descarga
A auto descarga é o processo no qual uma bateria que não está submetida a tensão de flutuação adequada, ou ainda, está apenas armazenada e perde gradativamente sua carga. Esta perda depende da temperatura ambiente, relacionada conforme a tabela 5 que indica o intervalo necessário entre as recargas para evitar danos na bateria (ACTPOWER,2019).
Tabela 5 - Temperatura de armazenamento e intervalo de recarga necessário.
5.7.5 Estado de Carga da Bateria em Função de sua Tensão em Circuito Aberto (OCV)
Pode-se estimar a quantidade de carga em uma bateria em função de sua tensão de circuito aberto, conforme a tabela 6 (ACTPOWER,2019).
Tabela 6 - Estado de carga em função da tensão de circuito aberto
Fonte: Adaptado de WINDSUN,2019.
De acordo com a tabela 6, a tensão mínima que a bateria pode chegar é de 10,5V, e essa é considerada a tensão mínima de descarga para intervalos de até 1 hora. Esse parâmetro é utilizado quando a bateria é testada com uma carga resistiva, se a tensão medida for menor que 10,5V há indicativo que a mesma está em falha e que não será possível a recarga da bateria (ACTPOWER,2019).
5.7.6 Correntes
Corrente inicial máxima de carga: máxima corrente suportada no início do processo de carga sem que haja danos na bateria, como o processo de carga adotado para baterias VRLA-AGM é por tensão constante, esta corrente tende a diminuir durante o ciclo de carga (ACTPOWER,2019).
Corrente de curto circuito: máxima corrente fornecida pela bateria em caso de curto circuito dos polos positivo e negativo (ACTPOWER,2019).
Corrente máxima de descarga por 5 segundos: corrente máxima fornecida pela bateria em uma descarga de 5 segundos (ACTPOWER,2019).
5.7.8 Ciclo
Ciclo é o processo em que se descarrega totalmente uma bateria, para em seguida carregá-la totalmente. A vida útil de uma bateria é definida em número de ciclos (ACTPOWER,2019).
5.7.9 Dimensões
Estes definem se a bateria pode ser alocada no espaço dimensionado, ou em caso de troca do banco de baterias, se as novas baterias cabem no armário ou estante existentes na instalação (ACTPOWER,2019).
5.8 MANUTENÇÃO
Os modelos VRLA-AGM são comumente chamadas livres de manutenção, este termo indica que apenas a bateria não é acessível para troca de seus componentes internos, porém, efetuar um controle dos agentes externos é importante e vai garantir que a transferência de energia ocorra conforme o projeto original. Alguns procedimentos que podem ser adotados (ACTPOWER,2019).
Limpeza e verificação das conexões;
Controle da temperatura ambiente;
Medição da resistência interna de cada bateria, construindo um histórico que ajudará na verificação do estado da bateria;
Efetuar um ciclo de carga e descarga;
Verificar a corrente de recarga;
As verificações devem ser referenciadas conforme o manual da bateria fornecido pelo fabricante.
5.9 CAUSAS DE FALHA
Baterias são elemento suscetíveis a falhas, a correta manutenção e o controle de agentes externos (temperatura, torque de aperto das conexões, entre outros.), podem fazer com que estas alcancem a vida útil projetada. Alguns itens merecem atenção especial (VADER,2011).
5.9.1 Falha por Temperatura
A temperatura de referência para se definir a capacidade nominal da bateria é de 25ºC. Em temperaturas superiores à capacidade nominal aumenta, em temperaturas inferiores diminui. A figura 12 mostra os efeitos da temperatura na vida útil de uma bateria (ACTPOWER,2019).
Figura 12 - Efeitos da temperatura na vida útil da bateria
Com o aumento da temperatura, temos um aumento na velocidade das reações químicas. Para cada 10ºC de aumento, a velocidade dobra (Arhenius). Ocorre que com temperaturas elevadas temos (LACTEC,2010):
Aumento da corrente de corrosão, que pode vir a danificar as grades;
Aumento da decomposição da água, diminuindo o eletrólito;
Desprendimento do material ativo das grades;
Temperatura em que ocorre dano das baterias é de 55ºC;
5.9.2 Falha por Auto Descarga
Baterias que ficam armazenadas, devem ser recarregadas a cada 3 meses sob pena das placas sofrerem um processo irreversível de sulfatação. Quando uma bateria está em descarga (ou auto descarga), formam-se pequenos grãos de sulfato que tendem a crescer e, com o tempo, criam uma barreira isolante que pode diminuir ou mesmo interromper o fluxo de corrente entre os polos de uma bateria. Uma curva característica de auto descarga pode ser vista na figura 13 (ACTPOWER,2019).
Figura 13 - Curva de auto descarga
5.9.3 Sobrecarga
Baterias que são mantidas com uma tensão de flutuação e / ou carga acima das especificadas pelo fabricante tendem a sofrer sobre temperatura e consequentemente danos às placas e eletrólitos (ACTPOWER,2019).
5.9.4 Descarga Abaixo da Tensão de Final de Descarga
Quando são submetidas a ciclo de descarga e permanecem neste estado mesmo após a tensão da bateria estar abaixo do valor de final de descarga, as mesmas ficam com as placas positivas e negativas descarregadas (ACTPOWER,2019).
Descargas regulares a mais de 80% de sua capacidade, sem recargas de equalização podem resultar em danos nas células que raramente podem ser revertidos (ACTPOWER,2019).
5.9.5 Número de Ciclos de Carga e Descarga Suportados
Baterias VRLA-AGM possuem um número limitado de ciclos de carga, que dependem da profundidade da descarga (DOD), conforme figura 14. A profundidade de descarga está relacionada a quanto de energia é retirada da bateria. Uma profundidade de descarga de 20% indica que a bateria ainda possui 80% de carga. (ACTPOWER,2019).
Figura 14 - Número de ciclos de carga e descarga em função da profundidade de descarga
Fonte: ACTPOWER,2019.
Quanto mais profunda for a descarga, menor o número de ciclos possíveis, devido a características construtivas das placas (ACTPOWER,2019).
5.10 ESTADO DAS BATERIAS
Segundo Chagas (2007), para um perfeito funcionamento das baterias, essas devem ser mantidas carregadas. Os sistemas de gerenciamento de baterias ou carregadores possuem três estados possíveis de funcionamento, a saber.
Estado de descarga
No estado de descarga há consumo da carga da bateria, e o controle do sistema monitora a corrente e a tensão que a bateria possui no ciclo de descarga. Há o desligamento quando a bateria atinge o nível máximo de descarga e a tensão
Vida em uso cíclico conforme a profundidade de descarga.
mínima de descarga. O efeito de descarregar a bateria abaixo da tensão mínima de descarga e o dano irreversível da mesma (CHAGAS,2007).
Estado de carga
Durante o estado de carga o carregador injeta corrente e tensão de forma controlada na bateria, de maneira que a mesma atinja o estado de carga máxima. A corrente e tensão de carga são definidas pelos fabricantes das baterias. Sobre tensão e sobre corrente na bateria pode provocar danos irreversíveis (CHAGAS,2007).
Estado de flutuação
No estado de flutuação os carregadores mantêm a bateria com a tensão de flutuação que tem a função de evitar a auto descarga. Neste estado a bateria é mantida em equilíbrio eletroquímico, não sujeita a carga ou descarga (CHAGAS,2007).
5.11 PRINCIPAIS PARÂMETROS DE CONTROLE
5.11.1 Tensão
A monitoração da tensão aplicada à bateria indica se há falhas no circuito carregador ou no circuito de controle. A sobrecarga aplicada na bateria tem o efeito de aumentar a temperatura interna e faz com que haja evaporação da água contida no eletrólito, causando o efeito conhecido como dry-out. Já a descarga abaixo da tensão final de descarga especificada pelo fabricante provoca danos permanentes às placas, no efeito de acúmulo de sal nas mesmas, que é conhecido como sulfatação, que provoca o isolamento da placa positiva ou negativa e com isso a ausência de tensão nos polos da bateria (BATTERY,2019).
5.11.2 Corrente
Monitorando a corrente é possível verificar se o circuito carregador não está impondo corrente de carga maior que a recomendada pelo fabricante, o efeito de corrente excessiva é a perda de água do eletrólito e com isso a diminuição da capacidade da bateria (BATTERY,2019).
5.11.3 Temperatura
A temperatura deve ser monitorada para verificar se a mesma está dentro da especificada pelo fabricante. A temperatura normalmente especificada é de 25ºC e acima desse valor temos uma redução da vida útil da bateria (BATTERY,2019).
5.11.4 Teste Ôhmico ou de Impedância
A determinação da resistência interna da bateria pode identificar corrosão das placas e defeitos mecânicos. O fabricante indica a resistência inicial e, caso haja alguma bateria com aumento desproporcional desta medida isto indica fim de vida útil, essa medida se relaciona diretamente com a quantidade de carga que a bateria possui. Na figura 15 podemos ver o modelo elétrico de uma bateria (BATTERY,2019).
Figura 15 - Modelo físico de uma bateria chumbo ácida (Randles Model)
A impedância da bateria é constituída de uma parte resistiva, formada por R1 que representa a resistência de contato (charge resistance), e R2 que representa a resistência interna, além de uma capacitância C (double layer capacitor) e uma indutância L. A indutância é normalmente desconsiderada em baixas frequências, por este motivo não é representado no circuito equivalente (BATTERY,2019).
Há uma relação entre aumento da impedância interna da bateria e seu fim de vida útil, conforme acontece os ciclos de carga e descarga há um aumento da impedância em relação à impedância inicial. Na figura 16 podemos observar o aumento da impedância interna, detectada por um software de monitoração, e as ações subsequentes, ou seja, alarme gerado para o administrador do sistema e a ação tomada pela área de manutenção, ou seja, a troca da bateria (BATTERY,2019).
Figura 16 - Exemplo de aumento da impedância da bateria
Fonte: BTECH,2019.
5.11.5 Teste Corrente Contínua
Para o teste em corrente continua tal técnica consiste em ler a tensão da bateria, conforme figura 17, em circuito aberto e depois aplicar uma resistência como
carga, e efetuar nova leitura. Com posse das duas leituras e através da aplicação da lei de Ohm, podemos calcular a resistência interna da bateria (BATTERY,2019).
Figura 17 - Modelo simplificado da resistência interna da bateria
Fonte: BATTERY,2019.
No método certificado pela norma IEC 61951-1:2005 ocorre a aplicação de dois valores de resistência diferentes, com períodos de aplicação distintos. No primeiro instante temos baixa corrente por 10 segundos, em seguida aplicamos alta corrente por 3 segundos, na figura 18 temos as quedas de tensão na bateria pela aplicação desse método. A análise dos resultados oferece um valor de resistência interna mais preciso. Esse método desconsidera a capacitância e a indutância intrínseca da bateria e por esse motivo não é possível estimar a capacidade da bateria e a vida útil. O método normalmente é empregado em baterias que alimentam cargas de corrente contínua (BATTERY,2019).
Figura 18 - Tensão na bateria ao aplicar a resistência pelo método da IEC
Fonte: BATTERY,2019.
5.11.6 Teste Corrente Alternada
É aplicado um sinal em corrente alternada com frequência de 90 a 1000 Hz, verificamos que a reatância capacitiva e indutiva vai a valores insignificantes, dessa maneira através da lei de Ohm podemos determinar com maior precisão o módulo da impedância Z, vista na figura 19. Este método é eficaz para determinarmos a vida útil da bateria e o estado de carga (BATTERY,2019).
Figura 19 - Modelo de impedância Z da bateria
Fonte: BATTERY,2019.
5.11.7 Imagem Térmica
Através de uma câmera de imagens térmicas é possível verificar se há aumento excessivo de temperatura na bateria ou em seus polos. Este pode ser causado por um curto circuito interno ou por algum mau contato nos conectores da bateria (BATTERY,2019).
5.12 DETERMINAÇÃO DO ESTADO DE CARGA E VIDA ÚTIL DA BATERIA
5.12.1 Estado de Carga (SOC)
O estado de carga ou SOC (State of charge) é a indicação da capacidade de carga contida na bateria, e é importante para que os circuitos de controle possam otimizar o processo de carga ou flutuação e determinar quanta energia a bateria ainda pode entregar (BATTERY,2019).
5.12.2 Estado de Carga pelo Método OCV (Open Circuit Voltage)
Podemos determinar o estado de carga através da tensão de circuito aberto da bateria. As diferentes composições das placas das baterias chumbo ácidas promovem leves alterações nas relações verificadas na figura 20. Por exemplo, o cálcio quando aditivado nas placas promove um crescimento na tensão de 5 a 8%. Ao medir a tensão de circuito aberto, a bateria deve estar em flutuação e desconectada da carga. Este método é muito utilizado em carros elétricos (cadeiras de rodas elétricas, carrinhos de golfe e motocicletas elétricas (BATTERY,2019).
Figura 20 - Relação entre SOC e a tensão de circuito aberto OCV, de totalmente descarregada a totalmente carregada.
Fonte: Adaptado de BATTERY,2019.
5.12.3 Determinação do Estado de Carga pelo Método da Impedância
Através da medição da impedância da bateria é possível verificar o estado de carga da mesma, bateria descarregadas possuem resistência interna maior, ao passo que ao receberem carga, tal valor tende ao nominal da bateria, que sempre é referenciado com a bateria carregada e a 25ºC. Na figura 21 temos uma relação entre o estado de carga e a tensão de circuito aberto (BATTERY,2019).
Te n sã o d a b a te ri a Estado de carga (%)
Figura 21 - Estado da carga (OCV) em função da resistência interna
Fonte: Adaptado de BATTERY,2019.
5.12.4 Estado De Saúde (state of health - SOH)
O estado de saúde ou SOH (state of health) é a medida da capacidade da bateria entregar determinada saída em tensão e corrente. Esse indicador é vital para balizar os procedimentos de manutenção no sistema. Normalmente o controle é capaz de verificar se a bateria está em seu estado normal ou deve ser substituída (BATTERY,2019).
5.13 FALHAS EM BATERIAS CHUMBO ÁCIDAS SELADAS
Segundo Palacin e Guibert (2016), as principais falhas que ocorrem em baterias são a diminuição da capacidade de armazenar energia e o consequente aumento da resistência interna. Com isso há uma diminuição na tensão elétrica fornecida e perda de potência disponível para entregar em caso de necessidade. As falhas mais comuns são ocasionadas por choque mecânico que levam a quebras na conexão de terminais e a perda de eletrólito. Ainda há a possibilidade de que as falhas sejam ocasionadas devido ao uso, por exemplo uma sobrecarga que leva a perda de água no eletrólito.
Tensão de Circuito Aberto (OCV)
Resistê n cia – (m Oh m )
Corrosão da placa positiva, negativa ou fratura e perda de contato entre as grades pode ser evitada com uso de ligas metálicas de Pb-Ca (Chumbo-Cálcio) para as placas negativas e ligas de Pb-Ca-Sn (Chumbo-Cálcio-Estanho) para placas positivas. A perda do material ativo, que recobre as placas positivas e negativas, pode levar a curto-circuito interno.
Baterias armazenadas por muito tempo sem recarga sofrem um processo denominado de sulfatação, que é o crescimento de cristais de sulfato de chumbo no eletrodo negativo e a diminuição da concentração de sulfato de chumbo no eletrólito. Esse sal acaba por isolar a placa negativa e leva a bateria a falha por não permitir a passagem de corrente elétrica do polo positivo para o negativo. O processo de sulfatação também ocorre caso o circuito eletrônico que controla a carga da bateria esteja danificado e não possa prover tensão e corrente suficientes para manter a mesma carregada. Por outro lado, se este mesmo circuito aplicar tensão acima da recomendada pelo fabricante, a bateria é exposta a sobrecarga e ocorre o processo de gaseificação, ou seja, há perda de hidrogênio do eletrólito (PALACIN e GUILBERT,2019).
5.14 DESCARTE DE BATERIAS
Por serem elementos que contêm ácido sulfúrico, devem ser descartados por empresas especializadas, ou pelo próprio fabricante, sempre de acordo com a resolução do CONAMA nº 401/08 – Pilhas e baterias (POWERSAFE,2018).
O descarte é efetuado por empresas especializadas que possuem autorização para transporte, manuseio e reciclagem da mesma conforme resolução CONAMA Nº 257 de 30 de junho de 1999 (POWERSAFE,2018).
5.15 Medidores Comerciais
5.15.1 Medidor Hioki BT3554
Medidor que fornece diagnóstico completo da bateria através da medição da resistência interna e tensão elétrica, com tempo de medição de até 2 segundos,
indicando se o elemento sob teste passou, está em alarme ou com falha. Os valores medidos são armazenados na memória interna do dispositivo e depois podem ser exportados em formato de planilha eletrônica. A figura 22 mostra um medidor Hioki BT3554 (GETROTECH,2019).
Figura 22 - Medidor Hioki BT3554
Fonte: GETROTECH,2019.
Principais Características:
Frequência de medição 1khz ± 80Hz;
Faixa de medição de tensão: 6 a 60V;
Definição de valores inferiores e superiores de resistência interna, que irão afetar o estado de alarme, caso a medição indique valor fora desse intervalo.
5.15.2 Medidor ALBER CRT400
Medidor capaz de determinar a resistência interna da bateria, registra a tensão de flutuação e a resistência de conexão entre as células (uma bateria de 12V é composta por 6 células de 2V). A figura 23 mostra um medidor CRT 400 (UNIONSISTEMAS,2019).
Figura 23 - Medidor ALBER CRT 400
Fonte: UNIONSISTEMAS, 2019.
Principais Características:
Corrente de teste de 50 a 5 A.
Resolução de 4 a 400µΩ.
Frequência de teste não informada pelo fabricante.
6 MATERIAIS E MÉTODOS
6.1 Diagrama em Blocos do Sistema
Na figura 24 temos o diagrama em blocos do sistema, que é constituído pelo microprocessador Arduino UNO, que gerencia todas as conexões. O display LCD
apresenta as informações e os botões servem de comando para executar determinada rotina. Nos testes DC, o sensor de tensão coleta as informações da bateria, enquanto a placa de relés conecta e desconecta o resistor de carga, e ainda serve para pulsar a conexão do resistor de carga, de acordo com a frequência determinada pelo microprocessador. Nos testes de AC, o sensor de tensão faz a medição no resistor de shunt (Rs) e na bateria. A placa de relés seleciona qual medida será efetuada, visto que o sensor de medição é único, e o microprocessador faz o cálculo da corrente e tensão senoidal na bateria, obtendo o valor da resistência interna.
Fonte: Autoria propria.
6.2 Hardware utilizado
Para os testes com as baterias foi utilizado um microprocessador Arduino UNO, com uso de interfaces de medição de tensão e corrente. Para os chaveamentos de resistência sobre a bateria em teste, foi utilizado uma placa com 4 relés, comandados pelo microprocessador. A placa Arduino Uno é mostrada na figura 25:
Display LCD com botões Microprocessador Arduino Uno Amplificador de Áudio Sensor de tensão Placa de relés Oscilador Senoidal Bateria
Figura 25 - Placa Arduino UNO
Fonte: ARDUINO,2019.
Para a interface homem máquina foi aplicado um display LCD com 16 posições e duas linhas, com jogo de botões para comandos, mostrados na figura 26. A comunicação dos botões se dá na interface analógica A0, o display é acoplado diretamente na Placa Arduino UNO, deixando os pinos de conexão livres para as demais interfaces.
Figura 26 - Display com botões de comando
Fonte: USINAINFO,2019.
Para a medição da tensão contínua, foi utilizada uma interface de leitura de tensão, com capacidade de leitura de 0 a 25V, a interface pode ser vista na figura 27. A tensão lida foi aplicada na porta A1 de leitura analógica, e com o divisor resistivo que capta 20% do sinal de entrada, foi possível compatibilizar os níveis de tensão da placa Arduino UNO com as leituras necessárias.
Figura 27 - Sensor de tensão contínua
Para aplicação dos resistores e sinal senoidal, foi aplicado uma placa de relés que é comandada por porta digital do microprocessador. Essa placa tem capacidade máxima de 30A de corrente e tempo de comutação de 5 a 10 ms. A placa de relés é mostrada na figura 29:
Figura 28 - Placa de relés
Fonte: BYTEFLOP,2019.
Para a geração do sinal senoidal de 100, 500 e1000 Hz aplicado nas baterias em teste, foi utilizado um circuito integrado gerador de sinais modelo ICL 8038. O mesmo gera ondas senoidal, triangular e quadrada. O diagrama em blocos pode ser visto na figura 28.
Figura 29 - Circuito Integrado ICL 8038
Fonte: HARRYS,1998.
Como esse componente necessita de uma fonte simétrica, foi montado junto com o mesmo, em uma placa de aplicação de uso geral, conforme figura 31. Para a fonte simétrica foi aplicado o circuito integrado LM317 para controlar a tensão positiva, e o LM337 para controlar a tensão negativa. A escala de tensão ajustável é de 0 a 15V.
Figura 30 - Placa fonte simétrica e oscilador senoidal
Fonte: Autoria própria.
Com o propósito de amplificar o sinal do oscilador foi incorporado ao projeto um amplificador de áudio de 60W, que eleva a corrente senoidal aplicada a bateria. Baseado no circuito integrado TPS3118, possui tensão de alimentação de 8 a 24V, com saída máxima em 60W, compatível com autofalantes de 4 e 8 Ω, e pode ser visto na figura 32.
Figura 31 - Amplificador Mono 60W
Fonte: MULTIPEÇAS,2019.
As baterias para efetuar os testes foram divididas em três categorias: novas, usadas e com falha. Baterias novas são as de primeiro uso, ou seja, não foram aplicadas em nenhum sistema. Baterias usadas são aquelas que estão operacionais, porém já foram aplicadas em determinado sistema e utilizadas por determinado período. Já as baterias em falha são os elementos de controle, baterias que falharam em algum sistema e foram substituídas. Também temos baterias com polos revestidos de metal e baterias com polos de chumbo (sem revestimento metálico). A tabela 7 mostra os elementos que foram utilizados nos testes.
Tabela 7 - Características das baterias de teste
Modelo Cap.(Ah) Fabricante Ref. Polo Estado 12MVA5 5 Moura 25 Metalizado Nova 12MVA7 7 Moura 23 Metalizado Nova 12MVA9 9 Moura 18 Metalizado Nova 12MVA18 18 Moura 16 Metalizado Nova cp1250 5 Vision 25 Metalizado Falha wpi236w 9 Long 23 Metalizado Com falha
Df300 30 Freedom 5 Chumbo Nova
DF500 36 Freedom 7 Chumbo Usado
Fontes: Moura,2019. Vision,2019. LONG,2019. FREEDOM,2019.
6.3 Metodologia de testes
6.3.1 Teste DC
Nesses testes foi utilizado um microprocessador Arduino UNO, que mede a tensão em circuito aberto da bateria, e depois aplicava uma resistência de 2,2 Ω/50W, por 5 segundos, medindo a corrente e a tensão na bateria. A resistência interna (Ri) foi calculada utilizando a equação 7:
𝑅𝑖 =(𝑉𝑐𝑜−𝑉𝑏)
𝐼𝑏 (7)
Na equação 7, temos que Ri é a resistência interna da bateria, Vco é a tensão de circuito aberto, Vb é a tensão da bateria com o resistor de carga aplicado e Ib é a corrente resultante.
Figura 32 - Circuito para aplicação do resistor de teste
Fonte: Autoria própria.
Neste teste é efetuada a leitura de tensão de circuito aberto da bateria, através da porta analogia A1 do Arduino, que é armazenada em uma variável. Depois é aplicado a resistência R1 em paralelo com a bateria e efetuada a leitura da tensão Vb, com o valor da resistência R1 é calculada a corrente e depois aplicada a equação 7.
Figura 33 - Fluxograma Teste DC Fonte: autoria própria
Início
Testar bateria?
Pausa 3s
Sim
Ler tensão Voc
Aciona Relé D0 Pausa 5s Ler a tensão na bateria (Vb) Desliga Relé D0 Cálculo da corrente e resistência interna Envia o valor da Resistência para o display Não
Fonte: Autoria própria.
Na figura 35 temos o protótipo montado, foi aplicado o resistor de 50W com proteção de fita isolante e utilizando garras jacaré para a fixação, a leitura da corrente foi efetuada indiretamente pela queda de tensão no resistor. Para efetuar o teste basta pressionar o botão da direita no painel. Para zerar os resultados, é necessário pressionar o botão de reset.
Figura 34 - Protótipo montado com o resistor de carga de 2.2Ω/50W.
Fonte: autoria própria
6.3.2 Teste DC Pulsado
Nesse caso foi aplicada uma resistência de 2.2 Ω / 50W com frequência de 60 e 100Hz, utilizando o circuito da figura 32. A frequência foi obtida através do software do Arduino, pulsando um relé que ligava e desligava a resistência na bateria, através de um timer, com valores de 16, 67 e 10 ms. Nesse caso, a Equação 1 foi aplicada,
