Uma Revisão sobre Baterias: Parte I

Olá caros leitores. Nos últimos artigos venho escrevendo sobre diversos assuntos relacionados à modelagem dinâmica e às estratégias de controle aplicadas ao conversor Buck. Mais especificamente no artigo intitulado “Controle Multimalhas Aplicado ao Conversor Buck MCC“, citei a possibilidade de se projetar um carregador de baterias empregando o conceito de “Controle Multimalhas”. Pensando nisso, resolvi fazer uma série de posts sobre baterias, antes de entrarmos no projeto do carregador propriamente dito. Acredito que assim o conteúdo ficará mais completo.

Nesta primeira parte irei abordar os seguintes tópicos:

• Introdução
• Princípio de Funcionamento das Baterias
• Classificação das Baterias
• Principais Termos Técnicos
• Problemas mais Comuns
• Métodos de Carregamento
• Conclusão
• Referências

Vamos ao que interessa!

Introdução

Os sistemas de armazenamento de energia (ESS, do inglês Energy Storage Systems) ganharam destaque recentemente, com o crescente interesse por fontes de energia renováveis. Devido à geração intermitente desse tipo de fonte, como é o caso da energia fotovoltaica e da eólica, tecnologias de armazenamento têm sido consideradas por muitos como a solução para esse gargalo [1]. Em diversos países, o armazenamento de energia também vem sendo utilizado para sanar outras demandas do sistema elétrico, tais como a estabilização das variações de tensão que ocorrem nas redes de distribuição [2, 3] ou a eliminação de sobrecargas nas linhas de transmissão [4, 5, 6].

Na indústria, já há algum tempo, esse tipo de tecnologia vem sendo incorporado em equipamentos eletrônicos e em veículos elétricos/híbridos (VEH). Especificamente na indústria automotiva, o seu uso tem sido motivado, principalmente, pelas preocupações ambientais e pela instabilidade do mercado de petróleo (algo que reflete na segurança energética de países muito dependentes desse combustível) [7].

A Figura 1 apresenta, de forma sucinta, a classificação dos principais sistemas de armazenamento de energia quanto ao tipo de aplicação. Dentre estes, as baterias são comumente empregadas em VEH, em sistemas fotovoltaicos e em sistemas ininterruptos de energia (UPS – Uninterrupt Power Supply).  Dada a sua importância no contexto atual, este artigo irá focar nos principais aspectos construtivos e no princípio de funcionamento desse tipo de dispositivo.

Princípio de Funcionamento das Baterias

Uma bateria é constituída por uma ou mais células eletroquímicas ligadas em série ou em paralelo, ou ainda através de uma combinação mista de ambas. Nessas células, a energia química armazenada é convertida em energia elétrica, a partir de reações eletroquímicas, podendo fornecer corrente elétrica para um circuito externo através de seus eletrodos denominados de ânodo (polaridade negativa) e de cátodo (polaridade positiva), os quais são separados por um eletrólito [8].

Durante a descarga da bateria, reações eletroquímicas ocorrem no ânodo (oxidação) e no cátodo (redução) com migração de elétrons entre os eletrodos através do circuito metálico externo e migração de íons através do eletrólito [9]. A Figura 2 ilustra o esquema de uma célula eletroquímica descarregando sobre uma carga resistiva, incluindo também as respectivas equações químicas. Em contrapartida, durante a etapa de carga as reações se invertem seguindo percursos inversos tanto para a condução iônica como eletrônica.

Em uma bateria eletroquímica, o produto de duas grandezas importantes fornece a quantidade de energia armazenada por esse dispositivo. Estas grandezas são: tensão elétrica, medida em Volts (V) e capacidade, medida em Ampère-hora (Ah). Teoricamente, uma bateria de 50 Ah pode fornecer 5 A durante 10 horas ou 50 A durante 1 hora. Entretanto, na prática, observa-se que as operações de descarga de uma bateria são influenciadas por efeitos não-lineares, os quais influenciam diretamente o seu tempo de vida [10].

Classificação das Baterias

As baterias são classificadas em não recarregáveis (primárias) e em recarregáveis (secundárias), de acordo com o tipo das células que as compõem. As células primárias não são capazes de serem efetivamente recarregadas e, por isso, são descartadas quando sofrem uma descarga completa. Geralmente, esse tipo de bateria é utilizado em aplicações de baixa potência, tais como relógios de pulso, calculadoras, entre outros aparelhos portáteis [11]. Por outro lado, as células secundárias podem ser recarregadas às suas condições iniciais, ao se aplicar uma corrente no sentido oposto à corrente de descarga. Em razão disso, as baterias recarregáveis são conhecidas como baterias de armazenamento, ou acumuladores, e são utilizadas na maioria das aplicações por longos períodos, como em sistemas fotovoltaicos [12].

Segundo [13], as baterias recarregáveis também podem ser classificadas de acordo com os materiais ativos usados em sua construção, diferenciando-se os acumuladores de chumbo-ácido dos acumuladores alcalinos. Atualmente, as principais tecnologias de baterias secundárias são:

1. Chumbo-ácido;
2. Níquel-Cádmio (Ni-Cd);
3. Níquel-Hidreto Metálico (NiMH);
4. Íon de Lítio (Li-ion).

A Tabela 1 compara as particularidades das quatro tecnologias mais comuns, a partir da qual é possível observar uma superioridade das baterias Li-ion em relação às demais. De fato, esse tipo de bateira é o mais usado atualmente na maioria dos equipamentos eletrônicos, desde pequenos reprodutores de música até notebooks, além de aplicações militares, aeroespaciais e veículos elétricos. A sua popularidade e seu uso crescente em diversas aplicações se justificam por diversos fatores, com destaques para a sua densidade energética e pelo fato de não apresentarem efeito memória. Outro fator muito importante de se considerar é a sua tensão nominal que pode atingir 3,60 V por célula, o que requer menos células para se obter tensões maiores em comparação com outros tipos.

Tabela 1. Comparação entre as principais tecnologias de baterias recarregáveis.

Especificamente com relação às baterias de chumbo-ácido, existem ainda outros tipos de classificação. Segundo [3], é possível diferenciá-las quanto à forma de confinamento do eletrólito em: baterias abertas e baterias seladas. As primeiras, também conhecidas como baterias ventiladas, possuem um eletrólito liquido e livre (não é confinado no separador). Em razão disso, essa tecnologia necessita de verificação periódica e eventual correção do nível do eletrólito. Por outro lado, as baterias seladas possuem um eletrólito confinado no separador ou sob a forma de gel. Estas também são conhecidas como “livres de manutenção”, pois não necessitam de reposição de água. (Outra maneira de denominá-las é “baterias reguladas por válvula”).

Quanto ao tipo de aplicação, as baterias de chumbo-ácido podem ser classificadas em: acumuladores estacionários, acumuladores tracionários, acumuladores de arranque e acumuladores para aplicações específicas (por exemplo, aqueles utilizados em sistemas fotovoltaicos ou em veículos elétricos).

No geral, ao trabalharmos com baterias recarregáveis, precisamos levar em consideração alguns parâmetros, tais como capacidade, eficiência, vida útil, taxa de autodescarga, etc. Muitas vezes o carregamento é feito de maneira incorreta, comprometendo muito o desempenho e a vida útil das baterias. Os fatores que mais afetam o desempenho, a capacidade e, consequentemente, a vida útil, são: profundidade de descarga, número de ciclos, temperatura de operação, controle de carga/descarga, entre outros. Para um melhor entendimento sobre esses parâmetros, apresento a seguir uma lista dos principais termos técnicos relacionados às baterias.

Principais Termos Técnicos

Os seguintes termos foram escritos com base em [11] e [12], onde uma lista mais completa pode ser consultada.

Autodescarga

A autodescarga é o processo de descarregamento espontâneo das baterias, devido às perdas que ocorrem nas reações químicas internas quando elas não estão sendo utilizadas. Normalmente, a taxa de autodescarga é especificada como uma porcentagem da capacidade nominal que é perdida mensalmente. Esta taxa aumenta com o aumento da temperatura. Por esse motivo, é aconselhado abrigar as baterias em locais arejados.

Capacidade

A capacidade indica quantos amperes de corrente é possível retirar de uma bateria num dado período de tempo. Esse termo é normalmente representado em Ampere-hora (1 Ah = 3600 coulombs), mas também pode ser representado em Watt-hora (Wh), quando nos referimos a energia que se pode extrair do dispositivo. Por exemplo, uma bateria de 42 Ah é capaz de fornecer 4,2 A durante 10 horas (4,2 A x 10 h = 42 Ah), ou 21 A durante 2 horas, ou 42 h durante 1 hora, e assim por diante. Destaca-se ainda que a capacidade disponível depende de um conjunto específico de condições, como taxa de descarga, temperatura, estado inicial de carga, etc.

Carga

Processo de carregamento da bateria, no qual a energia elétrica provinda de uma fonte externa é convertida em potencial eletroquímico no interior das células, restaurando assim sua energia química.

Ciclo

Corresponde à sequência de descarga e carga de uma bateria. A vida útil das baterias também é definida por uma determinada quantidade de ciclos completos.

Densidade de Energia vs. Densidade de Potência

A densidade de energia representa a quantidade de energia armazenada por unidade de massa (Wh/kg) ou volume (Wh/m³). Já a densidade de potência representa a rapidez com que determinada quantidade de energia pode ser transferida pelo dispositivo por unidade de massa (W/k) ou volume (Wh/m³).

Descarga

A descarga corresponde a retirada de corrente elétrica de uma bateria, por meio de uma carga (dispositivo elétrico ou eletrônico que drena energia quando conectado à bateria), através da conversão de energia química em energia elétrica. Normalmente, uma descarga profunda ocorre quando a descarga ultrapassa 50% da capacidade da bateria.

Eficiência

A eficiência pode ser determinada pela razão entre a quantidade de carga elétrica (Ah) retirada da bateria durante a descarga e a quantidade necessária para restaurar o estado de carga inicial, conhecida como eficiência coulômbica ou de ampere-hora. Alternativamente, é possível relacionar a energia (Wh) retirada da bateria durante a descarga com a energia total característica do estado de carga inicial. Nesse caso, obtemos a eficiência global ou de watt-hora, também conhecida como eficiência energética.

Estado de Carga

Popularmente conhecido como SOC (do inglês State of Charge), é a capacidade disponível na bateria em um determinado momento, expressa em porcentagem da carga nominal. Por exemplo, se 20 Ah foram retirados de uma bateria de capacidade nominal de 100 Ah completamente carregada, significa que o novo estado de carga vale 80%.

Estado de carga de 100% indica que a bateria está totalmente carregada, enquanto que 0% indicia que a mesma está totalmente descarregada. 

Estado de Vida

Também conhecido como SOH (do inglês State of Health), é a medição percentual da condição atual da bateria comparada com as condições iniciais. Esse valor é 100% quando a bateria está nova e diminui de acordo com o seu uso, pois a cada ciclo de carga/descarga uma pequena quantidade de massa ativa se desprende das placas reduzindo a capacidade da bateria.

Profundidade de Descarga

Este parâmetro indica, em termos percentual, o quanto da capacidade nominal foi retirado no processo de descarga. No exemplo do estado de carga, a profundidade de descarga corresponde a 20%, ou seja, é o valor complementar ao estado de carga.

Sobrecarga

Fornecimento de corrente a uma bateria após o término do processo de carga completa. A sobrecarga não aumenta a disponibilidade de energia na célula e pode resultar em gaseificação ou sobreaquecimento, ambos possuindo reflexos negativos na vida útil do dispositivo.

Taxa de Carga

É o valor de corrente elétrica aplicado a bateria durante o carregamento. Essa taxa é definida como uma fração da capacidade nominal da bateria. Por exemplo, uma bateria de 150 Ah de capacidade nominal, submetida a um intervalo de carga de 10 horas a corrente constante, tem sua taxa de carga definida da seguinte forma:

Analogamente, podemos definir diferentes taxas, como C/100 (100 h), C/20 (20 h), entre outras. Assim, para carregar a bateria do exemplo acima com uma taxa de C/20, seria necessária uma corrente de 7,5 A (150 Ah / 20 h).

Taxa de Descarga

De maneira oposta ao item anterior, esta taxa corresponde ao valor de corrente elétrica durante o processo de descarga. Também é normalizada pela capacidade nominal da bateria.

Tensão de Circuito Aberto

Tensão medida nos terminais da bateria para um determinado estado de carga e a uma determinada temperatura, na condição em que não há corrente sendo drenada do dispositivo.

Tensão Nominal

Tensão média da bateria durante o processo de descarga com uma determinada taxa de descarga a uma determinada temperatura.

Vida Útil

Pode ser especificada pelo número de ciclos ou período de tempo, dependendo da aplicação. Indica até quando ou quantas vezes a bateria pode ser usada antes de apresentar falhas em satisfazer as especificações. Fatores como temperatura e profundidade de descarga estão inversamente relacionados com a vida cíclica da bateria, ou seja, quanto maior a temperatura de operação ou a profundidade da descarga, menor será a vida útil. Nas baterias de chumbo-ácido, por exemplo, o fim de sua vida útil é geralmente tomado como o instante em que a célula, estando totalmente carregada, pode fornecer apenas 80% da sua capacidade nominal.

Problemas mais Comuns

Devido aos processos químicos internos e ao uso incorreto das baterias, muitos problemas podem surgir com o tempo, principalmente em baterias de chumbo-ácido. Dentre estes, podemos destacar:

Corrosão e Oxidação das Partes Metálicas

Mais comum em baterias abertas (ou ventiladas), a corrosão é causada pelo excesso de abastecimento e consequente vazamento do eletrólito. O acúmulo de material ativo em contato com a caixa de ferro causa a corrosão da mesma. Com a caixa corroída, o risco de vazamento de eletrólito é muito grande. Além disso, o rendimento da bateria também diminui devido à fuga de corrente, que ocorre com a corrosão da pintura eletrostática da caixa.

Estratificação

A água e o ácido utilizados no eletrólito possuem densidades diferentes. Por esse motivo, se a bateria ficar por muito tempo sem uso, essa mistura irá se separar em camadas, ficando o ácido na parte inferior e a água na parte superior. Desse modo, os eletrodos serão corroídos por ficarem em contato com o ácido puro e, consequentemente, a capacidade da bateria será reduzida. Esse efeito é mais significante em baterias de chumbo-ácido.

Gaseificação

Pode ocorrer em baterias de chumbo-ácido e corresponde à produção de gás em um ou mais eletrodos. Este fenômeno ocorre em situações de sobrecarga, na qual toda corrente elétrica passa a ser consumida no processo de eletrólise da água contida no eletrólito, resultando na formação de bolhas de hidrogênio e de oxigênio. A liberação de gases leva à perda do eletrólito e ao aumento da resistência interna da bateria. No caso das baterias de chumbo-ácido, é possível repor a água perdida, no entanto, a persistência deste processo pode causar danos irreversíveis.

Sedimentação

Durante os ciclos de carga-descarga ocorre o desprendimento de material ativo dos eletrodos e sua sedimentação no fundo do vaso. Uma sedimentação acumulada pode levar ao curto-circuito das placas, inutilizando a bateria.

Sulfatação

Este problema ocorre tipicamente em baterias de chumbo-ácido, em condições normais de operação. Durante um processo de descarga forma-se uma camada de sulfato de chumbo na superfície das placas, o que impede o contato entre a parte ativa e o eletrólito, diminuindo assim a capacidade da bateria. Se a bateria permanecer por muito tempo descarregada ou se não for devidamente carregada, os pequenos cristais de sulfato de chumbo juntam-se formando cristais maiores. Estes, por sua vez, se tornam irreversíveis e a capacidade da bateria é reduzida permanentemente.

Métodos de Carregamento

Do ponto de vista da análise de circuitos elétricos, recarregar uma bateria consiste em restabelecer a energia que foi previamente removida, isto é, restabelecer a carga do “capacitor interno” por meio da injeção de corrente. Apesar de parecer simples, este processo requer atenção, pois o carregamento inadequado pode causar severa diminuição de vida útil, sobreaquecimento e, em certos casos, explosões [14].

O principal objetivo de um sistema de carregamento é carregar a bateria eficientemente, evitando os efeitos prejudicais do carregamento excessivo ou reduzido [11]. A Figura 3 mostra um exemplo de curvas típicas de carga e descarga de uma bateria. O perfil da tensão depende de fatores como temperatura, taxa de carga/descarga, das características construtivas da bateria, entre outros. Por esse motivo, cada tipo de bateria requer um método de carregamento particular. Como pode ser visto a seguir, diferentes métodos são utilizados pelos carregadores.

Corrente Constante

Este método é muito eficaz para diversos tipos de baterias. Consiste em aplicar uma corrente de valor fixo ao acumulador, desconectando-o quando sua tensão atingir o valor de final de carga. A Figura 4 mostra o comportamento da tensão da bateria durante o carregamento. Apesar de ter um bom desempenho, essa técnica pode provocar sobretensões e, consequentemente, gaseificação e sobreaquecimento, principalmente no final do processo. Uma forma de contornar esse problema é adotar uma corrente de carga mais baixa (i.e. taxa de carga menor), o que torna o processo mais lento.

Tensão Constante

Neste tipo de recarga, utiliza-se uma tensão constante com valor igual ao da tensão de carga máxima da bateria, a qual é especificada pelo fabricante. Trata-se de um método muito simples de ser implementado e controlado, porém, alguns aspectos devem ser considerados ao utilizá-lo. Um deles é o fato da corrente inicial de carga ser muito elevada, podendo chegar a 5 vezes o valor da corrente nominal da bateria, conforme ilustrado na Figura 5. O outro ponto negativo é o fato de não se garantir um balanceamento de carga entre as células. Consequentemente, algumas podem estar sujeitas a sobretensão e sobreaquecimento.

Tensão Flutuante

O carregamento por tensão flutuante é utilizado em aplicações onde a bateria se descarrega muito pouco. Esse método envolve uma tensão de carregamento constante com amplitude mais baixa do que a do método anterior, a fim de se evitar sobrecarga. Inicialmente, aplica-se uma tensão de valor fixo nos terminais da bateria e observa-se a corrente – quando esta chegar ao limite inferior, a tensão deve ser reduzida. A partir do momento em que a bateria começa a se descarregar, o controlador entra em ação elevando a tensão novamente. Um controle desse tipo garante que a bateria fique sempre carregada. No entanto, nem todas as baterias suportam esse método de carga, sendo mais utilizado em baterias de chumbo-ácido.

Uma outra opção para o modo flutuação consiste no uso do carregamento por histerese, o qual desconecta a bateria sempre que ela entra no modo standby. Então, de tempos em tempos a conecta novamente no modo tensão constante para repor a energia perdida em função da autodescarga, ou quando uma carga é acionada.

Carregamento Multiestágios

Uma forma de minimizar os problemas relacionados aos métodos anteriores é carregar a bateria em diferentes estágios. Geralmente, utiliza-se o método de corrente constante como estágio inicial, eliminando assim o pico de corrente visto no método de tensão constante. Em seguida, aplica-se o método de tensão constante para que a bateria atinja plena carga, sem riscos de sobretensão. No caso de baterias de chumbo-ácido, é comum utilizar ainda o controle de tensão flutuante como um terceiro estágio. A Figura 6 exemplifica o uso desse método de carga.

Existem ainda outros métodos mais inteligentes e sofisticados, baseados no estado de carga e na temperatura. Não cabe a este artigo entrar em detalhes, mas diversos trabalhos a respeito podem ser encontrados na literatura.

Ademais, destaca-se que as baterias podem ser carregadas em diferentes taxas dependendo da aplicação. Em razão disso, existem quatro tipos de carregamento: carga lenta, com duração de 14-16 horas a uma taxa de 0,1 C; carga rápida, com duração de 3-6 horas a uma taxa de 0,3 C; carga super-rápida, com duração de 1 hora a uma taxa de 1 C; e carga ultra-rápida, com duração de 10 a 60 minutos a uma taxa de 1 até 10 C. A Tabela 2 resume as principais características desses métodos de carregamento [15].

Tabela 2. Características de carga para diferentes taxas.

Conclusão

As baterias desempenham um papel fundamental no contexto atual da eletrônica de potência, estando presentes em diversas aplicações, tais com: sistemas aeroespaciais e militares, veículos elétricos/híbridos, sistemas de geração distribuída, sistemas ininterruptos de energia (nobreaks), entre outros. Diante disso, este artigo visou abordar, de forma sucinta, os principais aspectos relacionados a esse tipo de dispositivo, a fim de familiarizar o leitor com o tema.

Como foi visto, as baterias recarregáveis podem ser classificadas de acordo com os materiais ativos usados em sua construção. Devido às particularidades das diferentes tecnologias (chumbo-ácido, li-ion, etc), torna-se necessário adotar uma técnica de carga específica para cada uma delas, e é exatamente esse o assunto da segunda parte dessa série. Nela irei abordar mais a fundo cada uma dessas tecnologias, bem como os métodos de carga normalmente empregados.

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E se ficou com alguma dúvida ou tem alguma sugestão/cítica a fazer, fique a vontade para deixar seu comentário.

Referências

[1] Hussein Ibrahim, Adrian Ilinca, and Jean Perron. Energy storage systems characteristics and comparisons. Renewable and sustainable energy reviews, 12(5):1221{1250, 2008.

[2] Y. Wang, K. T. Tan, X. Y. Peng, and P. L. So. Coordinated control of distributed energy-storage systems for voltage regulation in distribution networks. IEEE Transactions on Power Delivery, 31(3):1132{1141, June 2016.

[3] M. Zeraati, M. E. Hamedani Golshan, and J. M. Guerrero. Distributed control of battery energy storage systems for voltage regulation in distribution networks with high pv penetration. IEEE Transactions on Smart Grid, 9(4):3582{3593, July 2018.

[4] Carl D Parker. Lead-acid battery energy-storage systems for electricity supply networks. Journal of Power Sources, 100(1-2):18{28, 2001.

[5] B. Bhargava and G. Dishaw. Application of an energy source power system stabilizer on the 10 mw battery energy storage system at chino substation. IEEE Transactions on Power Systems, 13(1):145{151, Feb 1998.

[6] A. D. Del Rosso and S. W. Eckroad. Energy storage for relief of transmission congestion. IEEE Transactions on Smart Grid, 5(2):1138{1146, March 2014.

[7] S. M. Lukic, J. Cao, R. C. Bansal, F. Rodriguez, and A. Emadi. Energy storage systems for automotive applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 55, n. 6, pp. 2258-2267, June 2008.

[8] C. M. D. Porciuncula, “Aplicação de modelos elétricos de bateria na predição do tempo de vida de dispositivos móveis,” (Dissertação), Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – Unijuí, 2012.

[9] Eduardo T. Serra et al, “Armazenamento de Energia: Situação Atual, Perspectiva e Recomendações”. Comitê de Energia da Academia Nacional de Engenharia, Dezembro 2016.

[10] M. Jongerden and B. R. Haverkort. “Battery modeling”. Technical Report, 2008. Disponível em: <https://www.researchgate.net/publication/239851603_Battery_Modeling>. Acesso em: 11 de abr. 2020.

[11] J. T. PINHO e M. A. GALDINO. “Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos”. Rio de Janeiro, 2014.

[12] D. LINDEN and T. REDDY. “Handbook of Batteries”. 3ª edição. McGraw-Hill Education, 2001.

[13] M. W. P. CHAGAS. “Novas Tecnologias para Avaliação de Baterias”. Dissertação (Mestrado) – IEP-LACTEC, 2007.

[14] LI-ION Battery Charger solution using the MSP430. Application Report: SLAA287. Texas Instruments, Dezembro de 2005. Disponível em: <http://www.ti.com/lit/an/slaa287a/slaa287a.pdf>. Acesso em: 10 abr. 2020.

[15] Battery University. “BU-401a: Fast and Ultra-fast Chargers”. Disponível em: <https://batteryuniversity.com/learn/article/ultra_fast_chargers>. Acesso em: 12 abr. 2020.