Ligar o transformador como um autotransformador.

Um transformador convencional para ser um circuito com duas bobinas, por assim dizer, pode tornar-se um autotransformador se ligar as bobinas (primárias e secundárias) em série. Dependendo de como o fazemos, teremos um autotransformador abaixador de tensão ou elevador de tensão. 
Há quatro maneiras diferentes de fazer as conexões das bobinas (primárias e secundárias) para um transformador convencional tornar-se um autotransformador. Cada um com suas características técnicas distintas.

Possíveis ligações com as respectivas relações de tensões são: 

1. Primeiro caso: 

2. Segundo caso: 

3. Terceiro caso: 

4. O quarto caso: 

 Se observarmos atentamente cada imagem e as compararmos, veremos diferenças sutis em cada uma delas. Outra forma de visualizar os circuitos, de maneira  mais clara, seria: 

1. Primeiro caso: transformador convencional

2. Segundo caso: Transformador abaixador de tensão

3. Terceiro caso: Transformador elevador de tensão

Nota: Como você deve ter notado, não são quatro os diferentes tipos de conexões.

Autotransformadores

Ao contrário da crença popular, um autotransformador não necessariamente tem que ter uma única bobina, pode ter duas, três ou mais bobinas, tudo depende da classe de autotransformador em questão. 
Também muitas vezes usado para partidas de motores e reguladores de linhas de transmissão. 
Entre suas vantagens, destaca-se  o baixo preço baixo financeiro comparado a um transformador normal de características idênticas. Isto em relação à economia, em relação ao desempenho, deve-se destacar as seguintes vantagens: 

1. Menor corrente de excitação (Magnetização). O autotransformador necessita de menos quantidade de corrente para gerar o fluxo magnético no núcleo. 

2. A potência. O autotransformador entrega mais energia do que um transformador normal de especificações similares. 

3. Eficiência. O autotransformador é mais eficiente, tem melhor performance do que transformador normal, com características semelhantes. 

Quanto as desvantagens, vale a pena destacar a perda da isolação galvânica o primário e o secundário. 
Os autotransformadores podem ser utilizados da mesma forma que os transformadores convencionais, isto é, têm as mesmas utilidades. Além disso, um  transformador convencional de duas bobinas pode ser transformado em um autotransformador se conectado corretamente com veremos mais adiante. 

Como mostrado no desenho N1 e N2 representa o primário e o secundário do autotransformador, o que não significa que eles são duas bobinas diferentes, como já explicado pode ser uma única bobina, duas ou mais bobinas ligadas em série no mesmo núcleo . 
Nós também podemos observar que entre o primário e o secundário há uma linha comum 2-4, daí a desvantagem da perda de isolamento elétrico entre as duas voltagens (primária e secundária). 
A tensão E₁ que alimenta o primários e utilizada em comum com o secundário. Da mesma forma, a corrente I₀ é que gera o fluxo Φ_m. O valor de  fluxo Φ_m irá manter-se constante desde que permaneça constante a tensão E₁. 
Por outro lado, temos entre os pontos 3-4 o secundário do transformador, onde teremos uma tensão E_2, cuja equação considera a relação de espiras entre N1 e N2, da seguinte forma:

Agora ao se conectar a carga Z como  veremos no gráfico a seguir, obtém-se a intensidade de I_2:

Como existe uma corrente I₂ deve surgir, por compensação, a corrente I_1. O fluxo de corrente através da carga será I₂ - I₁ ainda temos a força magnetomotriz gerado por I₁ que deve ser igual e oposto ao gerado por I₂ - I _1, por isso temos:

que estaríamos reduzindo a equação:

Supondo que se trate de um autotransformador ideal, isto é, sem perdas, e que a corrente necessária para gerar fluxo magnético seja mínima, e a potência de entrada e saída sejam iguais:

Polaridade de transformadores monofásicos

1. POLARIDADE:

A polaridade é a marcação existente nos terminais (dos enrolamentos) dos transformadores indicando o sentido da circulação de corrente em um determinado instante em conseqüência do sentido do fluxo produzido.

A marcação da polaridade dos terminais dos enrolamentos de um transformador monofásico, indica quais são os terminais positivos e negativos em um determinado instante, isto é, a relação entre os sentidos momentâneos das forças eletromotrizes (fem) nos enrolamentos primário e secundário.

A polaridade depende de como são enroladas as espiras do primário e do secundário (figuras a seguir) que podem ter sentidos concordantes (defasado em 0°) ou discordantes (defasado e 180°. Este sentido tem aplicação direta quanto à polaridade da força eletromotriz (fem).

 Aplicando-se uma tensão V1 ao primário de ambos os transformadores, como indicada à figura acima, haverá circulação de correntes nestes enrolamentos, segundo o sentido mostrado. 

Admitindo que as tensões e consequentemente, as correntes estão crescendo então os correspondentes fluxos serão crescentes e seus sentidos indicados. 

No caso a, teria uma força eletromotriz (fem) induzida que tenderia a produzir a corrente I2 indicada.

Portanto, seria induzida uma força eletromotriz E2 no sentido indicado, que irá ser responsável por um fluxo Ø contrário ao Ø. Já no caso b, tal força eletromotriz (fem) deverá ter sentido oposto ao anterior, com o propósito de continuar produzindo um fluxo contrário ao indutor.

Ligando-se os terminais 1 e 1’ em curto e colocando-se um voltímetro entre 2 e 2’, verifica-se que as tensões induzidas (E1 e E2 ) irão subtrair-se (caso a) ou somar-se (caso b), originando daí a designação para os transformadores: 

a) sentido concordante dos enrolamentos;

b) sentido discordante dos enrolamentos; 

Caso a: polaridade subtrativa (mesmo sentido dos enrolamentos); 

Caso b: polaridade aditiva (sentidos contrários dos enrolamentos).

MARCAÇÃO DOS TERMINAIS:

A ABNT recomenda que os terminais de tensão superior sejam marcados com H1 e H2 e os de tensão inferior com X1 e X2 .

MÉTODOS DE ENSAIO:

• MÉTODO DO GOLPE INDUTIVO COM CORRENTE CONTÍNUA
• MÉTODO DA CORRENTE ALTERNADA
• MÉTODO DO TRANSFORMADOR PADRÃO.

MÉTODO DO GOLPE INDUTIVO COM CORRENTE CONTÍNUA:

Liga-se os terminais de tensão superior H1 e H2 a uma fonte de corrente contínua; - Instala-se um voltímetro entre esses terminais de modo a obter uma deflexão positiva ao se ligar a fonte CC, chave comutadora na posição 1, em seguida, coloca-se a chave comutadora na posição 2, transferindo-se o voltímetro para os terminais de baixa tensão; - Desliga-se a tensão de alimentação e observa-se o sentido de deflexão do voltímetro;

CONCLUSÃO (Lei de Lenz):

Quando as duas deflexões são em sentidos OPOSTOS, a polaridade é SUBTRATIVA; - quando as duas deflexões são em sentidos IGUAIS, a polaridade é ADITIVA; OBS: Este é o método recomendado pela ABNT para ensaios de transformadores de medida (TP e TC)

MÉTODO DA CORRENTE ALTERNADA:

Limitado a relações de transformação 30:1; - Aplica-se uma tensão alternada aos terminais de tensão superior com um voltímetro entre entes terminais; - Conforme a figura, conectar um voltímetro e ler a tensão das bobinas em série;

CONCLUSÃO: 

Se a primeira leitura do voltímetro for MAIOR que a segunda, a polaridade é SUBTRATIVA; se for MENOR, ADITIVA (pela própria definição de polaridade).

MÉTODO DO TRANSFORMADOR PADRÃO:

Compara-se o transformador a ser ensaiado com um transformador padrão de polaridade conhecida que tenha a mesma relação de transformação.

Liga-se entre si, na tensão inferior, os terminais da esquerda, conectando-se um voltímetro entre os terminais da direita.

Aplica-se uma tensão reduzida nos enrolamentos de tensão superior que devem estar em paralelo (definindo-se assim a H1 e H2 do trafo ensaiado).

CONCLUSÃO:

Se o valor da tensão medida pelo Voltímetro for praticamente nula, os dois transformadores têm a mesma polaridade.

Se o valor da tensão medida pelo Voltímetro for o dobro da baixa tensão esperada, os dois transformadores têm a polaridade oposta.

Transformadores monofásicos em paralelo.

Algumas vezes em nossas casas ou mesmo no trabalho nos deparamos com situações onde temos um equipamento que trabalha em uma tensão diferente da rede da concessionária aí somos obrigados a usar transformadores afim de ajustar a tensão da concessionária à tensão de entrada do equipamento.
Até aí tudo bem, o problema começa quando não encontramos no mercado local um transformador com a potencia necessária para acionar a carga. Isso aconteceu comigo em minha ultima mudança, comprei em Porto Velho - RO, uma máquina de lavar louças, que no momento em que está esquentando a água que será usada durante a lavagem consome cerca de 2000 W em 127 V. Quando me mudei para Pernambuco, precisei comprar um transformador para a lava-louças, pois aqui a tensão da concessionária é 220 V. Fui em diversas lojas de material elétrico no centro de Recife e transformador com essa potência era vendido somente por encomenda, mas transformadores de 1000 W entrei em todas as lojas a pronta entrega e com preço justo, no meu caso ficou mais barato comprar dois transformadores de 1000 W do que comprar um de 2000 W, por conta do frete.
Sendo assim adquiri dois transformadores de 1000 W idênticos e em casa os coloquei para trabalhar em paralelo. Abaixo segue o método seguro para montagem (lembrando que essa montagem serve somente para transformadores monofásicos, para transformadores trifásicos existem outras exigências a serem respeitadas. O paralelismo de transformadores trifásicos tratarei em outro artigo).


As entradas primária do transformador são designadas com as letras H1 e H2. Em contrapartida, as saídas secundárias são designadas com letras a X1, X2 ... Xn. Se o caso de um transformador trifásico iria adicionar ao transformador H3 à entrada primária como regra.

Às vezes precisaremos ter dois transformadores em paralelo, especialmente se a carga é excessiva para um único transformador.
Para ser capaz de se conectar dois transformadores em paralelo deve respeitar as seguintes condições técnicas:

1. Tensões primárias: As tensões dos dois enrolamentos primários do transformador devem ser iguais.

2. Tensões secundárias: As tensões dos dois enrolamentos secundários dos transformadores devem ser iguais.

3. Impedância Z: As impedâncias dos dois transformadores devem ser idênticas.

4. Polaridades. As polaridades dos transformadores devem ser levadas em conta. Se as polaridades forem invertidas um curto-circuito ocorrerá.

A polaridade dos transformadores é um dos itens mais importantes quando se trata de paralelismo, sendo assim escreverei um "post" somente sobre esse assunto.

Fator de Potência e Fator de Carga

Fator de Potência e Fator de Carga

O fator de potência e o fator de carga são índices que demonstram se a utilização da energia é eficiente e se existem possibilidades de melhoria. O conhecimento e o gerenciamento desses índices proporciona maior eficiência e segurança às instalações e equipamentos, além da redução do custo com a energia elétrica. 1- Fator de Potência A energia elétrica é o ente que produz força motriz nas máquinas e equipamentos elétricos. Essa energia é utilizada de duas formas distintas: a energia ativa e a energia reativa. A energia ativa é que realmente executa as tarefas, isto é, faz os motores girarem, realizando o trabalho do dia a dia. A energia reativa forma um campo magnético necessário para que o eixo dos motores possa girar. A energia reativa está presente em: motores,  transformadores,  reatores, lâmpadas fluorescentes, etc. Se efetuarmos a composição destas duas formas de energia, achamos a energia aparente ou total.  Resumindo, o fator de potência é um índice que indica quanto da energia foi utilizada em trabalho e quanto foi utilizada em magnetização. O fator de potência (FP) é o quociente da potência ativa (kW) pela potência aparente                             (kVA). E, conforme o "Triângulo de Potências" abaixo mostrado, o fator de potência é                             igual ao cosseno do ângulo formado por essas duas potências.  Assim:       Fórmulas mais comuns: Para ilustrar a importância do fator de potência em uma instalação elétrica, vejamos o seguinte exemplo: Suponhamos a ampliação de uma indústria e que, para isto, seja necessário instalar um motor que opere com 100 kW e um FP = 0,67 (ou 67%). Para alimentar este motor será necessário dispor de um transformador de, no mínimo, 150 kVA de capacidade e a fiação  deverá ser adequada para suportar essa potência (150 kVA). Considerando a fórmula: Se melhorarmos o FP para  1,0 (ou 100%), será necessário somente um transformador de 100 kVA, conforme demostrado a seguir: Origens de um baixo fator de potência Tudo o que exige uma energia reativa elevada, acaba causando um baixo fator de potência: a) Nível de tensão da instalação acima da nominal; b) Motores trabalhando a vazio durante grande parte do tempo; c) Motores superdimensionados para as respectivas cargas; d) Grandes transformadores alimentando pequenas cargas, por muito tempo; e) Transformadores ligados em vazio, por longos períodos; f) Lâmpadas de descarga (vapor de mercúrio, fluorescentes, etc), sem correção individual do fator de potência; g) Grande quantidade de motores de pequena potência. Conseqüências de um baixo fator de potência Um baixo fator de potência mostra que a energia está sendo mal aproveitada. Além do custo adicional da energia (cobrança de energia e demanda reativa excedentes),  as instalações correm vários riscos: a) Variações de tensão que, por sua vez, podem ocasionar a queima de motores; b) Perdas de energia dentro de sua instalação; c) Redução do aproveitamento da capacidade dos transformadores; d) Condutores aquecidos; e e) Diminuição da vida útil da instalação. Como melhorar o fator de potência Para melhorar o FP deve-se reduzir o consumo de energia reativa, ou seja, solicitar menos energia reativa da concessionária. As alternativas para melhorar o fator de potência são as seguintes: a) Alternativa operacional: A alternativa operacional procura eliminar as distorções que porventura existam na instalação. As providênciasbásicas para eliminar estas distorções são: verificação do nível de tensão da instalação; elevação do consumo de quilowatt-hora, se isto convier; dimensionamento correto dos motores, transformadores e outros equipamentos; e                     utilização e operação conveniente dos equipamentos, como motores e transformadores. É importante ressaltar que embora a eliminação de parte das distorções existentes não seja, em muitas vezes, o suficiente para melhorar o FP a níveis desejados, a mesma deve ser sempre utilizada antes da opção pela alternativa da instalação de capacitores, devido a razões econômicas e de segurança. b) Instalação de Capacitores Para a instalação de capacitores a maioria das concessionárias de energia disponibilizam normas as quais tem como objetivo normatizar e disciplinar as instalações de capacitores. Algumas considerações Efetuando-se uma correção adequada do fator de potência, obtém-se as seguintes                   vantagens: eliminação da cobrança da energia e demanda reativa excedentes nas contas de                        energia elétrica; redução das perdas de energia elétrica; os condutores tornam-se menos aquecidos; diminuição das variações de tensão; liberação de uma parte da capacidade do(s) transformador(es), que pode ser                        aproveitada por outras cargas; Energia e Demanda Reativas Excedentes O art. 64 da Resolução nº 456,  de 29.11.2000, da ANEEL, estabelece um nível máximo para a utilização de energia reativa pela unidade consumidora, em função da energia ativa consumida. O fator de potência indica qual a porcentagem da potência total fornecida é efetivamente usada como potência ativa. Por este princípio, o nível máximo de energia reativa fornecida, sem cobrança, é o definido pelo fator de potência de referência = 92% ou 0,92.  Valores inferiores indicam excedente de reativo, que será faturado na conta de energia elétrica. O faturamento da energia e demanda reativas excedentes utiliza as tarifas de consumo e demanda de potência ativas de forma a se efetuar a cobrança da energia ativa reprimida no sistema elétrico. Sempre que o fator de potência de uma unidade consumidora for inferior a 0,92 ou                         92,00%, cabe a cobrança da energia e demanda reativas excedentes. Na estrutura tarifária convencional a energia e a demanda reativas excedentes são mensuradas através do fator de potência médio mensal. O fator de potência médio mensal é calculado com base nos valores medidos mensalmente de energia ativa (kWh) e energia reativa (KVArh). Na estrutura tarifária horo-sazonal a  determinação do fator de potência é horária e não média mensal como na tarifa convencional. O fator de potência horário é calculado com base nos valores de energia ativa (kWh) e energia reativa (kVArh) medidos de hora em hora. No período de 6 (seis) horas consecutivas,  compreendendo o horário entre 23h30m e                   06h30m, o  MEP considera apenas a energia reativa capacitiva verificada,  para o cálculo o                   FP horário. Durante o período diário complementar a este, o MEP considera apenas a energia reativa indutiva verificada, para o cálculo o FP horário. O período exato de cada consumidor é definido em função do seu horário de ponta. A Celesc possui duas situações: a) FP  capacitivo: 23h30 às 05h30     FP   indutivo:    05h30 às 23h30 Utilizado quando o horário de ponta do consumidor é das xxh30 às xxh30. b) FP  capacitivo: 24h00 às 06h00      FP  indutivo:    06h00 às 24h00 Utilizado quando o horário de ponta do consumidor é das xxh00m às xxh00m. Alguns consumidores ligados antes da publicação da Resolução nº 456,  de 29.11.2000 possuem horário de ponta diferenciado, não mais disponível a partir daquela data. Para consumidores novos, ou anteriormente faturados nas modalidades Convencional ou Monômio, é concedido  um período de ajustes, de 3 (três) ciclos consecutivos e completos de faturamento, durante o qual,  o faturamento será realizado com base no fator de potência médio mensal. Durante o período de ajustes, a concessionária informará os valores de faturamento do reativo excedente que seriam efetivados através da medição                          do fator de potência médio horário. 2 - Fator de Carga O Fator de Carga (FC) é um índice que demonstra se a energia consumida está sendo utilizada de maneira racional e econômica. Este índice varia entre zero a um, e é obtido pela relação entre a demanda média e a demanda máxima, durante um período definido. O fator de carga é expresso pela relação entre a energia ativa consumida num determinado período de tempo e a energia ativa total que poderia ser consumida, caso a demanda medida do período (demanda máxima)  fosse utilizada durante todo o tempo. Em que: kWh    = consumo de energia ativa kW      = demanda de potência ativa medida t           = nº de horas ocorridas no intervalo Considerando valores apurados no mesmo período de tempo. O fator de carga também pode ser expresso em percentual,  calculado com a aplicação da expressão: No caso de consumidores enquadrados no Sistema Tarifário horo-sazonal,  o fator de carga é definido por segmento horo-sazonal (ponta e fora de ponta), conforme as seguintes expressões: Em que: FC      = fator de carga kWh  = consumo em kWh,  ocorrido no segmento kW    = demanda medida em kW, ocorrida no segmento p        = segmento de ponta fp       = segmento de fora de ponta t         = tempo em horas, ocorrido no segmento Considerando valores apurados no mesmo período de tempo. A melhoria (aumento) do fator de carga, além de diminuir o preço médio pago pela energia consumida, conduz a um melhor aproveitamento da instalação elétrica, inclusive de motores e equipamentos e à otimização dos investimentos nas instalações. O fator de carga da unidade consumidora depende, entre outras coisas, das características dos equipamentos elétricos e do regime de operação dos mesmos, que por sua vez tem relação com a atividade executada no local. Formas simples de avaliar se é  possível melhorar o FC de  sua unidade consumidora: acompanhar o FC de diversos períodos (faturamentos), identificando o regime de                     operação dos equipamentos (forma de utilização, processo de produção)  para fatores                        de carga diferentes. Avaliar se é possível implementar o regime de operação do período de maior eficiência                 (maior FC) para os demais períodos; comparar seu índice com o FC de outras unidades consumidoras que realizem  a                         mesma atividade. Se o FC de outra unidade for maior, verificar o regime de                               operação dos equipamentos e avaliar a possibilidade de  implementá-lo em sua unidade; Comparar seu índice com o  fator de carga típico do seu ramo de atividade. Curva de Carga de uma instalação Em uma instalação consumidora de energia elétrica existem normalmente várias cargas e, como seu funcionamento nem sempre é simultâneo, a cada instante pode ser solicitada uma demanda diferente, dando origem à "curva de carga" da instalação, que é a representação gráfica das demandas nos seus horários de ocorrência. No gráfico a seguir, representativo da curva de carga, a área em azul corresponde ao consumo da energia elétrica da instalação no intervalo de tempo "t"; a demanda média corresponde ao consumo dividido pelo tempo "t" e a demanda máxima corresponde à maior potência demandada no intervalo de tempo. Preço Médio da Energia  A determinação  do preço médio da energia elétrica (relação entre o valor faturado relativo aos itens que compõem o fornecimento de energia elétrica e o consumo físico (kWh) do período)  possibilita: determinação do custo da energia/produção; acompanhamento simplificado do preço da energia ao longo do período; comparação com o custo de outros energéticos ou fornecedores. O preço médio da energia consumida varia mensalmente com o fator de carga: para fatores de carga crescentes, temos preços médios decrescentes e vice-versa, conforme demonstrado nas expressões a seguir: 1 - Tarifa Convencional 2 - Tarifa horo-sazonal Azul 3 - Tarifa horo-sazonal Verde A fim de demonstrar a influência do FC no preço médio do kWh consumidor, apresentamos um exemplo comparativo mostrando duas situações. Considerando duas empresas que executam a mesma atividade, mas com fatores de carga diferentes. 1ª - FC = 0,4  2ª - FC = 0,65 Conclusões: A empresa com o melhor (maior) FC possui  um  custo médio da energia inferior (11,35%) A melhoria (aumento) do FC  otimiza a utilização da energia elétrica e reduz os custos com esse insumo, aumentando  a competitividade. Obs.: Tarifas de Consumo e Demanda vigentes em 05/2006 - Grupo A4 - modalidade Convencional. Evite estes desperdícios de energia Equipamentos funcionando simultaneamente quando poderiam operar em horários distintos; Equipamentos energizados sem produzir em determinados períodos; Falta de programação para a utilização de energia; e Curtos-circuitos e fugas de energia. Medidas para aumentar o fator de carga a) Alternativa Funcional: visa especialmente corrigir distorções existentes, quanto às instalações  elétricas e o funcionamento dos equipamentos elétrico. A correção dessas distorções é importante porque além de reduzir o preço médio da energia, aumenta a segurança das  instalações. Para tanto devem ser tomadas as seguintes providências: Evitar a "partida" (ligação)  de motores com carga e/ou a partida simultânea; Instalar chaves especiais de partida dos motores, para redução da corrente elétrica; Dimensionar corretamente as instalações e equipamentos de  proteção; e Efetuar manutenção preventiva, tanto das instalações quanto dos equipamentos. b) Alternativa Operacional: a ser aplicada depois da correção das distorções funcionais. b.1) Redução da demanda conservando o mesmo consumo, através da reprogramação do funcionamento dos equipamentos, evitando-se que funcionem ao mesmo tempo. Procedimentos: Fazer um cronograma de utilização dos equipamentos elétricos,  anotando a potência e o                       período de trabalho de cada um (levantamento das cargas e do seu horário de               funcionamento); Selecionar os equipamentos que possam operar fora do período de demanda máxima,             reduzindo assim a demanda medida; Reprogramar o período de funcionamento das cargas passíveis de deslocamento; b.2) Aumento do consumo mensal do kWh, sem aumentar a demanda,  com conseqüente aumento de produção, utilizando-se os equipamentos por um número maior de horas.           Procedimentos: Verificar se existe colocação no mercado, do incremento na produção; Verificar máquinas e horários ociosos; e Adicionar mais turnos de trabalho, se a análise econômico-financeira for viável.

Associação de transformadores monofásicos

Em alguns momentos de nossas vidas profissionais podemos nos deparar com certos problemas onde a falta de um equipamento específico pode trazer transtornos imensos, entretanto com uma boa base de conhecimento em eletrotécnica podemos contornar várias dessas situações de maneira técnica, sem improvisos e com muita segurança.
A cerca de dois anos, fui solicitado por um dos encarregados com quem trabalhei a ajuda-lo com o seguinte problema: Iluminar a câmara da serpentina de um forno petroquímico de coque. Esse ambiente configurava um espaço confinado por isso deveria ser iluminado com extra baixa tensão, que para aquela ocasião era 24 V. O problema começava aí, tinhamos apenas um transformador para esse trabalho, sendo este monofásico 380/24 V e não tinha potência suficiente para atender a carga de lâmpadas instaladas no interior do forno.
Depois de uma consulta ha varias lojas de materiais elétricos do comercio local verificamos a indisponibilidade de um transformador monofásico maior, que atendesse nossa demanda e que também coubesse no interior do quadro, tentamos também um transformador trifásico com a potência pretendida, mas as lojas não dispunham para pronta entrega e o prazo para atendimento do pedido que nos foi dado era impraticável, entretanto observamos que as lojas dispunham de transformadores idênticos ao já tinhamos, então a solução foi comprar mais dois transformadores e associa-los de forma a compor um equivalente trifásico e assim suprir nossa demanda de carga. Compramos três transformadores monofásicos idênticos ao que já tinhamos, para compor um banco de transformadores, sendo três de serviço e um reserva para o caso de manutenções ou queima de um deles.
As associações de transformadores podem ser feitas das seguintes formas:

No que diz respeito às bobinas primária e secundária, a pode ser ligado de formas diferentes, tendo quatro casos possíveis :. Y / Y, Y / Δ, Δ / Y, Δ / Δ e podem ligar os enrolamentos primários em estrela ou delta como as bobinas secundárias.Dependendo de como o fazemos, ou outras características técnicas. Assim, a proporção de tensões de entrada e de saída não depende apenas da relação de voltas das bobinas primária e secundária, mas também depende de como eles estão ligados aos enrolamentos primários e os enrolamentos secundários.

A ligação estrela / estrela (Y / Y).

Neste tipo de ligação são dois neutro, uma das bobinas primária e os enrolamentos secundários sobre o outro. O problema surge quando estes neutros não estão ligados à terra, desta forma os sinais senoidais de saída do secundário saem distorcidas. Só não é necessário ligar o neutro à terra quando o sistema trifásico é muito equilibrado. Além disso, devemos notar que há uma defasagem entre as tensões de entrada e tensões de saída.

A ligação estrela / triângulo (Y / Δ).

Com este tipo de ligação, a corrente no enrolamento das bobinas secundárias é 58% da corrente de carga. A distorção das tensões de saída não são tão graves como em conexão Y / Y. Devemos também ressaltar que há uma defasagem entre tensão de entrada e saída de 30 °. Este tipo de ligação pode ser utilizado em aplicações de redução de tensão.

A ligação triângulo / triângulo (Δ / Δ).

Este tipo de ligação tem a desvantagem de não ter neutro, nem no primário nem no secundário. Outra desvantagem é que o isolamento elétrico é mais caro do que outra ligação (Y), para as mesmas características técnicas. 

Neste circuito as tensões de entrada e de saída estão em fase. 
Este sistema de ligação é usado em sistemas trifásicos em que a tensão não é muito alta.  A principal vantagem deste modo de conexão é que mesmo que as cargas não estejam bem equilibradas as tensões mantem um bom equilíbrio. 
Na foto abaixo você pode ver como as conexões entre os três transformadores monofásicos são feitas: 

A conexão delta / estrela (Δ / Y).

Com uma conexão deste tipo conseguimos uma tensão de saída defasada de 30 °  em relação as tensões de entrada.

A principal vantagem deste tipo de conexão é que o custo econômico do isolamento interno do transformador  é consideravelmente reduzido. 
No entanto, a desvantagem de o deslocamento de fase de 30 ° que pode ser negativa, uma vez que a ligação em paralelo com outra fonte de energia requer uma série de medidas para garantia da ligação correta entre os bancos de transformadores, por outro lado, no caso deste banco de transformador ter de alimentar um conjunto de cargas isoladas este defasamento não representa qualquer inconveniente. Além disso, vemos no desenho que o secundário tem um neutro, este tipo de conexão é usada para aplicações de elevação de tensões. 

A conexão delta aberto.

O diagrama a seguir mostra dois transformadores monofásicos ligados entre si na forma de triângulo aberto ou delta aberto.

Esta maneira de se conectar dois transformadores monofásicos não é amplamente utilizada. Usada apenas quando estamos em uma emergência. O problema com esta conexão é que a energia é perdida em linhas em torno de 13,4%, portanto, ele não é viável. A operação é o mesmo que uma conexão Δ / Δ.

 

Baterias (primeira parte)

Baterias, tipos e usos

Vantagens e Limitações das Baterias Chumbo-Ácido

É a bateria mais econômica quando o problema do peso pode ser desprezado. É bastante usada em equipamentos hospitalares, cadeira de rodas elétricas, luz de emergência e no-breaks. Inventadas em 1859 pelo físico francês Gaston Planté, as baterias de chumbo ácido foram as primeiras baterias para uso comercial. Atualmente as baterias de chumbo-ácido são usadas em automóveis, empilhadeiras e grandes sistemas de fornecimento de energia elétrica ininterrupta (no-breaks).

Durante a metade dos anos 70, os pesquisadores desenvolveram uma bateria chumbo-ácido livre de manutenção, que pode operar em qualquer posição. O eletrólito líquido foi transformado em separadores umedecidos e o invólucro foi selado. Válvulas de segurança foram adicionadas para permitir a liberação do gás durante a carga e descarga. Direcionada a várias aplicações, surgiram duas designações para essas baterias. São elas: SLA (sealed lead acid – bateria selada chumbo-ácido), também conhecida com o nome comercial de Gelcell e as baterias VRLA (valve regulated lead acid – bateria chumbo-ácido regulada por válvula). Tecnicamente ambas as baterias são as mesmas. Não há uma definição clara de quando uma bateria deixa de ser SLA e passa a ser VLRA. Engenheiros podem argumentar que a palavra “bateria selada” é um engano já que nenhuma bateria pode ser totalmente selada. Em essência, todas são reguladas com válvulas. A bateria SLA tem uma faixa típica de capacidade que vai de 0,2 Ah até 30 Ah. Os usos típicos são no-breaks para computadores, pequenas unidades de iluminação de emergência, ventiladores para cuidar da saúde dos pacientes e cadeiras de rodas elétricas. Por causa do baixo custo e da pequena manutenção, as baterias seladas são a melhor escolha para instrumentos biomédicos e de cuidados com a saúde em hospitais e casas de repouso. As baterias VRLA são usadas em aplicações estacionárias. Sua capacidade vai de 30 Ah até vários milhares de Ah e são encontradas em no-breaks de grande porte, para reserva de energia. Usos típicos são em repetidoras telefônicas, centros de distribuição de energia, hospitais, bancos aeroportos e instalações militares.

Ao contrário das baterias de chumbo-ácido com eletrólito líquido, ambas as baterias SLA e VRLA são projetadas para uma baixa sobre-tensão, de forma a evitar a formação de gases durante a carga. Carga em excesso pode causar aparecimento de gás e depleção de água. Conseqüentemente, as baterias SLA e VRLA não podem nunca ser recarregadas em todo seu potencial. Entre as baterias recarregáveis modernas, a família das baterias de chumbo-ácido tem a menor densidade de energia. Como estamos nos focando em aplicações portáteis vamos tratar daqui para diante exclusivamente das baterias SLA. As baterias SLA não estão sujeitas ao efeito memória. Deixar a bateria em carga flutuante por um período de tempo prolongado não causa nenhum dano. A retenção de carga é a melhor entre todas as baterias recarregáveis. Enquanto que as baterias NiCd se autodescarregam aproximadamente 40 % da sua energia armazenada em três meses, a bateria SLA se autodescarrega na mesma quantidade no período de 01 ano.

A bateria SLA é relativamente barata de se comprar, mas os custos operacionais podem ser maiores que os das baterias NiCd se ciclos a plena carga são exigidos em uma base repetitiva. As baterias SLA devem sempre ser armazenadas carregadas. Deixar a bateria descarregada causa sulfação, uma condição que torna difícil, se não impossível, de se recarregar as baterias.

Diferente das baterias de NiCd, as baterias SLA não gostam de ciclos profundos. Uma descarga completa causa uma tensão extra e cada ciclo de carga/descarga rouba uma pequena quantidade da capacidade da bateria. Essa perda é muito pequena enquanto a bateria está em boa condição de operação, mas se torna mais aguda uma vez que a performance cai abaixo de 80% da sua capacidade nominal. Esta característica de redução também se aplica para outras químicas de baterias em graus variáveis. Para prevenir a bateria de estar “estressada” através de descarga profunda repetitiva, uma bateria SLA de maior capacidade é recomendada. Dependendo da profundidade de descarga e temperatura de operação, a bateria SLA fornece 200 a 300 ciclos de carga/descarga. A primeira razão para seu ciclo de vida relativamente curto é corrosão da grade do eletrodo positivo, depleção do material ativo e expansão das placas positivas. Essas mudanças são predominantes em temperaturas de operação mais altas. Aplicar ciclos de carga/descarga não previnem ou invertem essa tendência.

Existem alguns métodos que melhoram a performance e prolongam a vida da bateria SLA. A temperatura de operação otimizada para uma bateria VRLA é de 25°C (77°F).

Em geral, cada 8°C (15°F) de aumento de temperatura irá cortar a vida da bateria pela metade. A bateria VRLA que deveria durar 10 anos a 25°C estaria boa para apenas 5 anos se operada a 33°C (95°F). A mesma bateria agüentaria pouco mais de um ano a uma temperatura de 42°C (107°F).

Vantagens

Barato e simples de se fabricar -- em termos de custo por watt horas, a bateria

SLA é a menos cara.

Tecnologia madura, confiável e bem-compreendida -- quando usada

corretamente, a bateria SLA é durável e fornece serviço seguro.

Auto-descarga baixa -- a auto-descarga está entre as mais baixas em sistemas de

baterias recarregáveis.

Exigências de manutenção baixas – sem memória; nenhum eletrólito para encher.

Capaz de taxas elevadas de descarga.

Limitações

Não pode ser armazenada em uma condição descarregada – a tensão da célula

não pode cair abaixo de 2,10 Volts

Densidade baixa da energia

Permite somente um número limitado de ciclos cheios de descarga -- bem

adequado para aplicações de espera que requerem somente descargas profundas

ocasionais.

Meio hostil -- o eletrólito e o conteúdo da carga podem causar danos ambientais.

Limitações do transporte em baterias de chumbo-ácido – existem interesses

ambientais a respeito do derramamento no caso de um acidente.

Fuga térmica pode ocorrer com carregamento impróprio.

A bateria SLA tem uma densidade de energia relativamente baixa comparada com

outras baterias recarregáveis, tornando-a inadequada para dispositivos de mão

que exigem um tamanho compacto. Além disso, a performance em baixas

temperaturas é amplamente reduzida.

A bateria SLA é taxada em 0,2 C ou 5 horas de descarga. Algumas baterias são

até taxadas a uma baixa descarga de 20 horas. Tempos de descarga maiores

produzem leituras de capacidade maiores. A bateria SLA funciona bem em altos

pulsos de corrente.

Em termos de descarte, a SLA é menos prejudicial do que a bateria de NiCd mas o

alto conteúdo de carga torna a SLA inimiga do ambiente. As baterias de chumboácido

devem ser recicladas.

 Ligação série e paralelo de baterias

Na maioria dos casos, uma única célula não fornece uma tensão alta suficiente e uma conexão em série é necessária para se conseguir uma tensão maior. Baterias à base de Níquel fornecem uma tensão de bateria de 1,25 Volts por célula. Uma bateria de Chumbo-Ácido fornece 2 Volts por célula e a maioria das baterias de Lítio-Íon são de 3,6 Volts.

Os sistemas de manganês e Lítio-Íon-Polímero às vezes usam 3,7 Volts como tensão nominal da bateria. Essa é a razão para freqüentes tensões pouco familiares, tal como 11,1 Volts para um conjunto de 3 baterias com química de manganês.

Baterias à base de Níquel são freqüentemente especificadas em 1,2 Volts. Não há diferença entre uma bateria entre 1,2 e 1,25 Volts; é simplesmente a preferência do fabricante.. Ao passo que baterias comerciais tendem a serem identificadas com 1,2 Volts por célula, baterias industriais, militares e de aviação ainda estão marcadas com a indicação de 1,25 Volts por célula. Um conjunto de 5 baterias à base de Níquel ligadas em série, fornece 6V (6,25 Volts com uma identificação de 1,25 Volts por célula) e um conjunto de 6 baterias fornece 7,2 Volts (7,5 Volts com uma identificação de 1,25 Volts por célula). A Chumbo-Ácido portátil vem em formato de 3 células (6 Volts) e em 6 células (12 Volts).

A família de Lítio-Íon tem 3,6 Volts para um conjunto de 1 célula, 7,2 Volts para um conjunto de 2 células e 10,8 Volts para um conjunto de 3 células. As baterias de 3,6 Volts e 7,2 Volts são comumente usadas em telefones celulares; laptops usam conjuntos de 10,8 Volts. Na ligação em série, a tensão do conjunto é igual à soma das tensões de cada bateria. A corrente do conjunto é igual à corrente de uma bateria. Tem sido uma tendência diminuir a tensão das baterias para dispositivos portáteis leves, tal como telefones celulares. Isso foi possível graças aos avanços na microeletrônica.

Para alcançar a mesma energia com tensões menores, maiores correntes são necessárias. Com maiores correntes, uma baixa resistência interna da bateria é crítica. Isso apresenta um desafio se dispositivos de proteção são usados. Conjuntos com menos células em série geralmente funcionam melhor que aqueles com 12 baterias ou mais. Similar a uma corrente, quanto mais elos ela tiver, maior será a probabilidade de um se romper. Em baterias de tensões mais elevadas, combinações precisas de células tornam-se muito importantes, especialmente se altas correntes de carga são puxadas ou se o conjunto é operado em temperaturas frias. Conexões em paralelo são usadas para a obtenção de altas taxas Ah (ampére hora).

Quando possível, projetistas de conjuntos de baterias preferem usar baterias maiores. Isso não pode ser sempre praticado porque novas químicas de baterias vêm em tamanhos limitados. Freqüentemente, uma conexão paralela é a única opção de aumentar a capacidade da bateria. Também é necessária a utilização em paralelo se as dimensões do conjunto restringirem o uso de baterias maiores. Entre as químicas de baterias, a de Lítio-Íon é a que melhor permite conexão paralela. Na ligação em paralelo a corrente do conjunto é igual à soma das correntes de cada bateria. A tensão do conjunto é igual à tensão de uma bateria.

Circuitos de proteção

A maioria dos conjuntos de baterias inclui algum tipo de proteção para proteger a bateria e o equipamento, no caso da ocorrência de mau funcionamento. A proteção mais básica é um fusível que se abre caso uma excessiva corrente for tirada. Alguns fusíveis se abrem permanentemente e tornam a bateria inútil uma vez que o filamento é quebrado; outros fusíveis são baseados em um PolyswitchTM, que se assemelha a um fusível reajustável.Em corrente excessiva, o PolyswitchTM cria uma alta resistência, inibindo o fluxo de corrente.

Quando a condição se normaliza, a resistência do comutador reverte para a posição “ON”, permitindo retomar a operação normal. Comutadores de estado sólido também são utilizados para romper a corrente. Ambos comutadores de estado sólido e a PolyswitchTM têm uma resistência residual para a posição “ON” durante operação normal, causando um aumento na resistência interna da bateria. Um circuito de proteção mais completo é encontrado em baterias intrinsecamente seguras.

Essas baterias são usadas em rádios de duas vias, detectores de gases e outros instrumentos eletrônicos que operam em uma área perigosa tal como refinarias de óleo e elevadores de grãos. O circuito de proteção previne correntes excessivas, que pode conduzir a um alto aquecimento e faísca elétrica. Existem vários níveis de segurança intrínseca, cada uma servindo para um nível específico de perigo. A exigência para segurança intrínseca varia de país para país. O custo de compra de uma bateria intrinsecamente segura é de 2 ou 3 vezes o de uma bateria normal. Conjuntos de Lítio-Íon comerciais contêm um dos mais exatos circuitos de proteção na indústria de bateria. Esses circuitos garantem a segurança sob todas as circunstâncias quando nas mãos do público. Tipicamente, um Transistor de Efeito de Campo(FET) se abre se a tensão de carga de qualquer de qualquer célula alcançar 4,30 Volts e um fusível é ativado se a temperatura da célula se aproximar de 90°C(194°F). A bateria de Lítio-Íon é tipicamente descarregada para 3 Volts por célula. Durante armazenagem prolongada, contudo, uma descarga abaixo do nível de corte é possível. Nem todos os carregadores são projetados para aplicar uma carga uma vez que a bateria de Lítio-Íon tenha caído para menos de 2,5 Volts por célula. Quanto mais células conectadas em série, mais complexo o circuito de proteção se torna. Quatro células é o limite prático para aplicações comerciais.

O circuito de proteção interno de um telefone celular quando na posição “ON” tem uma resistência de 50 a 100 m?. O circuito normalmente consiste em dois comutadores ligados em série. Um é responsável pelo corte em sobrecarga e o outro pelo corte em subtensão. A resistência combinada desses dois dispositivos virtualmente dobra a resistência interna do conjunto de baterias, especialmente se apenas uma célula é usada. Alguns pequenos conjuntos de Lítio-Íon com química de manganês, contendo uma ou duas células, podem não incluir um circuito de proteção eletrônico. O manganês é mais tolerante que os outros sistemas, se sobrecarregado. A ausência de um circuito de proteção economiza dinheiro, mas um novo problema surge. Usuários de telefones celulares têm acesso a carregadores que podem não ser aprovados pelo fabricante da bateria. Disponível a um baixo custo para carro e viagem, esses carregadores podem depender de um circuito de proteção da bateria para terminar à carga completa. Sem o circuito de proteção, a tensão da célula da bateria aumenta demais e sobrecarrega a bateria. Aparentemente ainda segura, um dano irreversível na bateria freqüentemente ocorre.

Aumento do aquecimento e “inchaço” da bateria são comuns sob essas circunstâncias. Tais situações devem ser evitadas a toda hora. Os fabricantes estão freqüentemente perdendo dinheiro quando precisam trocar essas baterias sob garantia. Baterias de Lítio-Íon com eletrodos de cobalto, por exemplo, requerem proteção completamente segura, principalmente considerando que eletricidade estática ou um carregador danificado pode destruir o circuito de proteção da bateria. Tal dano freqüentemente faz com que o circuito de proteção comute para  a posição “ON” sem conhecimento do usuário. Uma bateria com um circuito de proteção defeituoso pode funcionar normalmente, mas não fornece a segurança exigida. Se carregada além dos limites seguros de tensão com um carregador mal projetado, a bateria pode se aquecer, então se expandir e em alguns casos abrir com chama. Dar curto em tal bateria pode também ser perigoso.

Fabricantes de baterias de Lítio-Íon se privam de mencionar explosão. “Abertura com chama” é a terminologia aceita. Embora mais lenta na reação do que na explosão, a abertura com chama pode ser muito violenta. Isso pode danificar o equipamento onde a bateria estava conectada. A maioria dos fabricantes não vende as células de Lítio-Íon soltas, mas as disponibilizam em um conjunto de bateria, completa com circuito de proteção. Essa precaução é compreensível quando se considera o perigo de explosão e fogo se a bateria é carregada e descarregada além dos seus limites de segurança. A maioria das casas montadoras de baterias devem certificar a montagem do conjunto e do circuito de proteção pretendidos a serem usados com o fabricante antes desses itens serem aprovados para venda.

Carregadores de baterias

Existem duas variedades distintas de carregadores: os carregadores pessoais e os carregadores industriais. O carregador pessoal é vendido em separado ou é oferecido com produtos tais como telefones celulares, laptops e câmeras de vídeo. Estes carregadores são baratos de serem comprados e funcionam bem quando usados para a aplicação pretendida. O carregador pessoal oferece razoável tempo de carga. Em comparação, o carregador industrial é projetado para uso fabril. Esses carregadores são feitos para uso repetitivo.

Disponível em configurações simples ou multi-compartimento, os carregadores industriais são oferecidos pelo fabricante do equipamento original. Em alguns casos, os carregadores podem também ser obtidos de fabricantes terceirizados. Enquanto os fabricantes de equipamento original oferecem condições básicas, os fabricantes terceirizados freqüentemente incluem características especiais, tais como carregamento a pulso negativo, função de descarga para condicionamento da bateria, e indicação de estado de carga e estado de “saúde”. Muitos fabricantes terceirizados estão preparados para construírem quantidades baixas de carregadores personalizados. Outros benefícios que fornecedores terceirizados podem oferecer, incluem preços atrativos e performance superior.

Nem todos os fabricantes terceirizados de carregadores possuem um padrão de qualidade que a indústria exige. O comprador precisa estar ciente de possíveis compromissos de qualidade e performance quando estiver comprando esses carregadores a preços de desconto. Algumas unidades podem não resistir ao uso repetitivo; outros podem desenvolver problemas de manutenção tais como contatos de baterias queimados ou quebrados. Sobrecarga não controlada é outro problema em muitos carregadores, especialmente os que carregam baterias à base de Níquel. Altas temperaturas durante carga durante muito tempo, estragam as baterias. A sobrecarga ocorre quando o carregador mantém a baterias a uma temperatura que é quente para se tocar (mais de 60 graus). Algumas elevações de temperatura não podem ser evitadas quando baterias à base de Níquel estiverem sendo carregadas. Um pico de temperatura é alcançado quando a bateria se aproxima da carga completa. A temperatura deve estar razoável quando a luz indicadora de fim de carga aparecer e a bateria tiver mudado para carga pulsante. A bateria deve eventualmente esfriar-se para a temperatura ambiente.

Se a temperatura não cair e permanecer acima da temperatura ambiente, o carregador está operando incorretamente. Em tal caso, a bateria deve ser removida o mais rápido possível depois que a luz indicadora de fim de carga tiver se acendido. Qualquer carregamento pulsante prolongado irá danificar a bateria. Este cuidado se aplica especialmente às baterias de NiMH porque elas não absorvem a sobrecarga muito bem. De fato, uma NiMH com alta carga pulsante pode esfriar até a temperatura de toque e ainda estar em uma condição de dano por sobrecarga. Tal bateria teria uma baixa vida de serviço.Uma bateria à base de Lítio nunca deve ficar quente em um carregador. Se isto acontece, a bateria está com problema ou o carregador não está funcionando  adequadamente. Pare de usar essa bateria e/ou o carregador.

É preferível armazenar as baterias em uma prateleira e aplicar uma carga de pico antes do uso, do que deixar a bateria no carregador por dias. Até com carga pulsante aparentemente correta, as baterias de NiCd produzem formação cristalina (também conhecida como “memória”) quando deixadas no carregador. Por causa da elevada autodescarga, uma corrente de pico é necessária antes do uso. A maioria dos carregadores de Li-Íon permite que a bateria permaneça conectada sem infligir dano. Existem 3 tipos de carregadores para baterias à base de Níquel:

Carregadores Lentos

Também conhecidos por “Carregadores Normais”, aplicam uma taxa de carga fixa em aproximadamente 0,1 C. O tempo médio de carga para esse tipo de carregador é de 14 a 16 horas. Na maioria dos casos não ocorre detecção de carga completa para alterar para uma taxa de carga mais baixa no final do ciclo de carga. Se a corrente de carga é ajustada corretamente, a bateria em um carregador lento, se mantém morna ao toque, quando completamente carregada. Neste caso, a bateria não precisa ser removida imediatamente após estar totalmente carregada, mas não deve ficar no carregador por mais de um dia. Quanto mais cedo a bateria for removida após estar completamente carregada, melhor é.

Um problema surge se uma bateria de menor capacidade é carregada com um carregador projetado para baterias de maiores capacidades. Embora o carregador execute bem a fase inicial de carga, a bateria começa a se esquentar passados 70% do nível de carga. Pelo fato de não haver condições de diminuir a corrente de carga ou de terminar de carregar, na segunda fase do ciclo de carga irá ocorrer sobrecarga devido ao aquecimento. Se um carregador alternativo não estiver disponível, o usuário é aconselhado a observar a temperatura da bateria que está sendo carregada e desconectar a bateria quando estiver quente ao toque.

O oposto pode ocorrer quando uma bateria de maior capacidade é carregada em um aparelho projetado para carregar baterias de menor capacidade. Em tal caso, um carregamento completo nunca será alcançado. As baterias permanecem frias durante a carga e não irão render o esperado. Uma bateria à base de Níquel que seja continuamente sub-carregada irá eventualmente perder sua habilidade de aceitar uma carga completa devido à “memória”.

Carregadores Rápidos

É um dos mais populares. Está posicionado entre os carregadores lentos e os carregadores super-rápidos tanto quanto ao tempo de carga como quanto ao preço. O tempo de carga médio é de 3 a 6 horas e a taxa de carga é de aproximadamente 0,3 C. Controle de carga é necessário para terminar a carga quando a bateria estiver carregada. O carregador rápido bem projetado fornece melhor serviço para baterias à base de Níquel do que os carregadores lentos. Baterias duram mais se carregadas com altas correntes, visto que elas permanecem frias e não são sobrecarregadas.

Carregadores Super-Rápidos

Os carregadores super-rápidos oferecem várias vantagens em relação aos outros carregadores; o mais óbvio é o menor tempo de carga. Por causa do maior fornecimento de energia e dos circuitos de controle serem mais caros, o carregador super-rápido custa mais que os carregadores lentos, mas o investimento é retornado no fornecimento de uma boa performance das baterias, que duram mais. A uma taxa de carga de 1 C, uma bateria vazia de NiCd tipicamente carrega em pouco mais de uma hora. Quando a bateria está completamente carregada, alguns carregadores comutam para um modo de carga de pico, administrado por um temporizador que completa o ciclo de carga a uma corrente de carga reduzida. Uma vez completamente carregada, o carregador altera para a carga pulsante. Esta carga de manutenção compensa a autodescarga da bateria. Carregadores modernos super-rápidos, geralmente utilizam baterias de NiCd e NiMH.

Devido à alta corrente gerada pelos carregadores e a necessidade de monitorar a bateria durante a carga, é importante carregar apenas baterias especificadas pelo fabricante. Alguns fabricantes de baterias codificam as baterias eletricamente para identificarem sua química e a taxa de carga. O carregador então ajusta a corrente de carga correta e o algoritmo para a bateria apropriada. As baterias de Chumbo-Ácido e lítio-íon são carregadas com diferentes algoritmos e não são compatíveis com os métodos de carga usados para baterias à base de Níquel. É melhor o carregamento rápido de baterias à base de Níquel. Sabe-se que ao carregar no modo lento, é criada uma formação cristalina em baterias à base de Níquel, um fenômeno que diminui a performance da bateria e encurta seu tempo de vida útil.

A temperatura da bateria durante a carga deve ser razoável e o pico de temperatura deve ser mantido o menor possível. Não é recomendável deixar baterias à base de Níquel no carregador por mais de poucos dias, até com uma ajustagem correta da corrente de carga pulsante. Um carregador projetado para carregar baterias de NiMh pode também utilizar  baterias de NiCd. Mas o contrário não é válido. Um carregador feito apenas para baterias NiCd pode sobrecarregar baterias de NiMh. Carregadores para baterias à base de Lítio são mais definidos em termos de método de carga e tempo de carga. Isto é, em parte, devido ao regime de carga restrito e às condições exigidas por essas baterias. Métodos de carga rápida não diminuem significativamente o tempo de carga para essas baterias. Uma taxa de carga superior a 1 C deve ser evitada porque tal corrente alta pode induzir ao depósito de Lítio. Com a maioria das baterias, uma taxa acima de 1 C não é possível.

O circuito de proteção limita a quantidade de corrente que a bateria pode aceitar. A bateria à base de lítio tem um metabolismo lento e pode levar tempo para absorver a energia. Carregadores de chumbo ácido servem a mercados industriais tais como hospitais e unidades de cuidados de saúde. Os tempos de carga são muito grandes e não podem ser encurtados. A maioria dos carregadores de Chumbo-Ácido carrega a bateria em 14 horas. Por causa de sua baixa densidade de energia, esse tipo de  bateria não é usada com freqüencia em pequenos dispositivos portáteis.

Carregando Baterias de Níquel-Cádmio

Fabricantes de baterias de NiCd recomendam que baterias novas sejam carregadas em modo lento por 24 horas antes do uso. Uma carga lenta ajuda a conduzir às células dentro das baterias um nível de carga igual, porque cada célula se auto descarrega em diferentes níveis de capacidade. Durante longa armazenagem, o eletrólito tende a ir para o fundo da célula. Alguns fabricantes de baterias não carregam completamente suas baterias antes da expedição. Estas baterias atingem seu potencial total apenas depois de o cliente ter realizado diversos ciclos de carga e descarga, com um analisador de bateria ou através do uso normal.

Em muitos casos, de 50 a 100 ciclos de carga e descarga são necessários para se carregar completamente uma bateria à base de Níquel. Células de qualidade, tais como as produzidas pela Sanyo e pela Panasonic, são conhecidas por atenderem à especificação completa após pouco mais de 5 a 7 ciclos de carga e descarga. A maioria das células recarregáveis são equipadas com uma abertura de segurança para liberar excesso de pressão se carregadas incorretamente. A abertura de segurança em uma célula de NiCd abre de 1034 a 1379 kPa (150 a 200 psi). Em comparação, a pressão de um pneu de carro é tipicamente 240 kPa (35 psi). Carregadores rápidos comerciais freqüentemente não são projetados para proteger a bateria. É especialmente verdade que carregadores de baterias de NiCd medem o estado de carga da bateria exclusivamente através da sensibilidade de temperatura. Embora simples e barata no projeto, a terminação de carga por sensibilidade de temperatura não é precisa.

Os termistores usados, comumente apresentam ampla tolerância; seus posicionamentos com respeito às células não são consistentes. Temperaturas ambientes e exposição ao sol enquanto carregando também afetam a precisão da detecção de carga cheia. Para prevenir o risco de interrupção(cutoff) e assegurar carga cheia sob a maioria das condições, fabricantes de carregadores usam 50°C(122°F) como temperatura recomendada para interrupção(cut-off). Embora uma prolongada temperatura acima de 45°C (113°F) seja prejudicial para a bateria, um curto pico de temperatura acima desse nível é freqüentemente inevitável. Carregadores de NiCd mais avançados sentem a taxa de elevação de temperatura, definido como dT/dt, ou a mudança na temperatura durante o tempo de carga, em vez de responder a uma temperatura absoluta. dT/dt é definido como “variação temperatura / variação tempo”. Por causa da massa relativamente grande de uma célula e da propagação vagarosa do calor, usando esse método de carga, a bateria irá também entrar em uma curta condição de sobrecarga antes de uma carga cheia ser detectada. O método dT/dt apenas funciona com carregadores rápidos.

Detecção mais precisa de carga cheia para baterias de NiCd pode ser alcançada com o uso de um micro controlador que monitora a tensão da bateria e termina a carga quando um certo sinal de tensão ocorre. Uma queda na tensão significa que a bateria atingiu carga completa. Isso é conhecido como “Negative Delta V” (NDV) (Delta V negativo). NDV é o método de detecção de carga cheia recomendado para carregadores de NiCd de carga aberta porque ele oferece um rápido tempo de resposta. A detecção de carga NDV também funciona bem com uma bateria parcialmente ou totalmente carregada. Se uma bateria totalmente carregada é inserida, a tensão terminal aumenta rapidamente, depois cai rapidamente. Tal carga dura apenas poucos minutos e as células permanecem frias. Carregadores de NiCd baseados em detecção de carga completa NDV, tipicamente respondem a uma queda de tensão de 10 a 30 mV por célula. São preferidos carregadores que respondem a um decréscimo de tensão muito pequeno aos que requerem uma queda maior.

Para obter uma queda de tensão suficiente, a taxa de carga deve ser de 0,5 C ou maior. Taxas de carga menores que 0,5 C produzem um decréscimo de tensão muito superficial, que é geralmente muito difícil de ser medido. Carregadores usando o NDV devem incluir outros métodos de terminação de carga para fornecerem carregamento de segurança sob todas as condições. A maioria dos carregadores também monitora a temperatura da bateria. O fator de eficiência de carga de uma bateria NiCd padrão é melhor em carga rápida do que em carga lenta. A uma taxa de carga de 1 C, a eficiência de carga típica é 91%. Em uma carga lenta (0,1 C), a eficiência cai para 71%. A uma taxa de 1 C, o tempo de carga de uma NiCd é superficialmente maior que 60 minutos (66 minutos em uma eficiência de carga assumida em 91%). A uma taxa de carga de 0,1 C, o tempo de carga de uma NiCd vazia é de aproximadamente 14 horas. Durante os primeiros 70% do ciclo de carga, a eficiência de carga de uma bateria de NiCd é perto de 100%. Quase toda a energia é absorvida e a bateria permanece fria.

Passado o limiar de carga dos 70%, a bateria gradualmente perde a habilidade de aceitar carga. As células começam a gerar gases, a pressão aumenta e a temperatura cai. A aceitação de carga diminui quando a bateria alcança o estado de carga de 80 a 90%. Uma vez alcançada a carga completa, a bateria entra em sobrecarga. A figura a seguir mostra a relação da tensão da célula, pressão e temperatura quando uma NiCd está sendo carregada (essas características são similares em baterias de NiMH).

 Baterias de NiCd de altíssima capacidade tendem a se aquecer mais do que as NiCd padrão se carregadas a 1 C ou mais. Isto é parcialmente devido à resistência interna mais alta da bateria de alta capacidade. A otimização de carga pode ser alcançada aplicando-se corrente no estado inicial de carga, depois reduzindo a uma taxa menor conforme a aceitação decresce. Isso evita aumento de temperatura excessivo e ainda assegura baterias completamente carregadas. Intercalar pulsos de descarga entre pulsos de carga melhora a aceitação de carga das baterias à base de Níquel.

Esse método é comumente referido como ”carregamento reverso”. Esse método de carga estimula a área de superfície nos eletrodos, resultando em uma performance elevada e aumento da vida de serviço. O carregamento reverso também melhora o carregamento rápido porque ele ajuda a recombinar os gases gerados durante a carga. O resultado é uma carga mais fria e mais eficiente do que os carregadores DC convencionais. Carregar pelo método de carregamento reverso minimiza a formação cristalina. Pesquisas realizadas na Alemanha têm mostrado que o método de carregamento reverso adiciona 15% na vida da bateria de NiCd. Após carga completa, a bateria é mantida com uma carga pulsante para compensar a autodescarga. A carga pulsante para baterias de NiCd fica entre 0,05 e 0,1 C. Em um esforço de reduzir o fenômeno de memória, existe uma tendência a correntes de carga pulsante menores.

Carregando Baterias de Níquel Metal Hidreto

Os carregadores de NiMH são muito similares aos de NiCd, mas a eletrônica interna é geralmente mais complexa. Para começar, a NiMH produz uma queda de tensão muito pequena quando completamente carregada. Este NDV é quase não existente em taxas de carga abaixo de 0,5°C e em temperaturas elevadas. O NDV de um carregador de NiMH deve responder a uma queda de tensão de 16mV ou menos. Aumentar a sensitividade do carregador para responder à pequena queda de tensão, freqüentemente termina a carga rápida por erro. Flutuações de tensão e ruído induzido pela bateria e pelo carregador podem enganar o circuito de detecção NDV, se o circuito for ajustado muito precisamente.

A popularidade das baterias de NiMH introduziu muitas técnicas de carregamento inovadoras. Baterias de NiMH que usam o método NDV ou controle de interrupção térmico tendem a entregar maiores capacidades que aquelas carregadas por métodos menos agressivos. Este ganho é de aproximadamente 6% em uma bateria boa. Este aumento de capacidade é devido à curta sobrecarga a que a bateria é exposta. O aspecto negativo é um menor ciclo de vida. Ao invés de se esperar de 350 a 400 ciclos de serviço, essa bateria pode estar esgotada com 300 ciclos. Similar aos métodos de carga NiCd, a maioria dos carregadores rápidos de NiMH funcionam com o aumento da taxa de temperatura (dT/dt).

Uma elevação de temperatura em 1°C(1,8°F) por minuto é comumente usada para terminar a carga. A interrupção por temperatura absoluta é 60°C(140°F). Uma carga de pico de 0,1 C é adicionada por aproximadamente 30 minutos para maximizar a carga. A carga pulsante contínua que segue, mantém a bateria no estado de carga completa. Aplicar uma carga rápida inicial de 1 C funciona bem. Períodos de resfriamento de poucos minutos são adicionados quando certos picos de tensão são alcançados. A carga então continua a uma corrente mais baixa. Quando alcançar o começo da próxima carga, a corrente cai mais ainda. Este processo é repetido até que a bateria esteja completamente carregada. Conhecida como “carga de etapa diferencial”, esse método de carga funciona bem com baterias de NiCd e NiMH.

A corrente de carga se ajusta para o estado da carga, permitindo alta corrente no início e corrente mais moderada no final da carga. Isto evita o acúmulo excessivo de temperatura para o fim do ciclo de carga quando a bateria é menos capaz de aceitar carga. As baterias de NiMH devem ser carregadas em modo rápido, ao invés do modo lento. A quantidade de carga pulsante aplicada para manter carga completa é especialmente crítica. Pelo fato das baterias de NiMH não absorverem bem a sobrecarga, a carga pulsante deve ser ajustada mais baixa que a de NiCd. A carga pulsante recomendada para a bateria de NiMH é uma baixa carga de 0,05 C. Isto é o porquê do carregador original de NiCd não poder ser usado para carregar baterias de NiMH. A baixa taxa de carga pulsante é aceitável para a NiCd. É difícil, se não impossível, de carregar uma bateria de NiMH em modo lento. A uma taxa de 0,1 C e 0,3 C, os perfis de temperatura e tensão não exibem características definidas para medir precisamente o estado de carga cheia e o carregador deve depender de um temporizador. Pode ocorrer uma sobrecarga prejudicial se uma bateria parcialmente ou totalmente carregada for carregada em um carregador com um temporizador fixo.

O mesmo ocorre se a bateria tiver perdido a aceitação de carga devido à idade e puder reter apenas 50% da carga. Um temporizador fixo que entregue sempre uma carga de 100% sem considerar a condição da bateria, finalmente aplicaria muita carga. Sobrecarga poderia ocorrer até mesmo se a bateria de NiMH estivesse fria ao toque. Alguns carregadores mais baratos podem não aplicar uma carga completamente saturada. Nesses carregadores econômicos, a detecção de carga cheia pode ocorrer imediatamente depois de um pico de tensão ter sido alcançado ou o limiar de temperatura ser detectado. Estes carregadores comumente são promovidos através dos méritos de pequenos tempos de carga e preço razoável. A figura a seguir resume as características de carregadores lentos, rápidos e super-rápidos. Uma corrente de carga mais alta permite melhor detecção de carga cheia. Esses valores também se aplicam às baterias de NiMH e NiCd.

	Taxa de carga	Típico tempo de carga	Temperaturas máximas permissíveis de carga	Método de carga
Carregador lento	0.1C	14H	0ºC a 45ºC (32ºF 113°F)	Temporizador fixo. Sujeito à sobrecarga. Remover a bateria quando carregada
Carregador rápido	0.3-0.5	4H	10ºC a 45ºC (50ºF 113°F)	NDV ajustado para 10mV/célula, usa platô de tensão, temperatura absoluta e TIME-OUT-TIMER.(A 0.3C,dT/dt não consegue elevar suficientemente a temperatura para terminar a carga.)
Carregador super-Rápido	1C	1H+	10ºC a 45ºC (50ºF 113°F)	NDV responde a configuração maiores, usa dT/dt, platô de tensão, temperatura absoluta e TIME – OUT – TIMER.

Carregando Baterias Chumbo-Ácido

O algoritmo de carga para baterias de Chumbo-Ácido difere das de NiCd no limite de tensão, ao invés do limite de corrente ser usado. O tempo de carga de uma bateria de Chumbo-Ácido (selada) é de 12 a 16 horas. Com correntes de carga maiores, e métodos de carga multi-estágios, o tempo de carga pode ser reduzido para 10 horas ou menos. As baterias de Chumbo-Ácido não podem ser totalmente carregadas tão rapidamente quanto às de NiCd. Um carregador multi-estágio aplica carga de corrente constante, carga de pico e carga de flutuação, como mostrado na figura abaixo:

Durante a carga em corrente constante, a bateria carrega 70% em aproximadamente 5 horas; os 30% restantes são completados por uma lenta carga de pico. A corrente de pico dura outras 5 horas e é essencial para o bem estar da bateria. Isto pode ser comparado a um pequeno descanso após uma boa refeição antes de recomeçar o trabalho. Se a bateria não estiver completamente saturada, a bateria de Chumbo-Ácido irá eventualmente perder sua habilidade de aceitar uma carga completa e a performance da bateria será reduzida.

O terceiro estágio é a carga de flutuação, que compensa a autodescarga depois da bateria ter sido carregada completamente. É crítico o ajuste correto do limite de tensão da célula. Um limite de tensão crítico é de 2,30 Volts até 2,45 Volts. Se uma carga lenta é aceitável, ou se a temperatura ambiente puder exceder 30°C(86°F), o limite de tensão recomendável é 2,35 Volts por célula. Se for preciso um carregador rápido e a temperatura ambiente permanecer abaixo de 30°C, poderá ser usado de 2,40 a 2,45 Volts por célula. O limite de tensão de carga indicado na figura acima é uma tensão momentânea de pico e a bateria não pode permanecer nesse nível. Esta crista de tensão é usada apenas quando aplicar um ciclo de carga completa para uma bateria que tenha sido descarregada.

Uma vez completamente carregada e pronta para uso, uma carga de flutuação é aplicada, que é mantida constante a um nível de tensão mais baixo. A tensão de carga de flutuação recomendada para a maioria das baterias de Chumbo-Ácido de baixa pressão é entre 2,25 a 2,30 Volts por célula. Um bom acordo é 2,27 Volts. A tensão de carga de flutuação ótima muda com a temperatura. Uma temperatura maior exige tensões inferiores e uma temperatura inferior exige tensões maiores. Carregadores que são expostos a grandes flutuações de temperatura são equipados com sensores de temperatura para otimizarem a tensão de flutuação. Carregar uma bateria selada de Chumbo-Ácido usando técnicas de corrente de flutuação tradicional é como “dançar na cabeça de um alfinete”.

A bateria quer estar carregada completamente para evitar sulfação na placa negativa, mas não quer estar supersaturada, que causa corrosão na grade na placa positiva. Diferenças no envelhecimento das células criam outro desafio em achar a tensão de carga de flutuação otimizada. Com o desenvolvimento de bolsas de ar dentro das células, algumas baterias mostram geração de hidrogênio a partir da sobrecarga. Outras sofrem recombinação de oxigênio. Uma vez as células conectadas em série, o controle da tensão individual da célula é virtualmente impossível. Se a tensão aplicada na célula é muito alta ou muito baixa para uma dada célula, a célula mais fraca se deteriora mais e a condição dela se torna mais pronunciada com o tempo. Empresas têm desenvolvido dispositivos de balanceamento de células que corrigem alguns desses problemas, mas esses dispositivos apenas podem ser aplicados se o acesso às células individuais for possível. A ondulação (ripple) da tensão de carga também causa problemas em baterias de Chumbo-Ácido, especialmente nas de Chumbo-Ácido reguladas por válvulas.

O pico da tensão de ondulação constitui uma sobrecarga, causando geração de hidrogênio. Muito tem sido dito sobre carregar baterias de Chumbo-Ácido por pulsos. Embora existam vantagens óbvias de corrosão reduzida da célula, fabricantes e técnicos de serviço não estão de acordo a respeito das vantagens de tal método de carga. Algumas vantagens são aparentes se a carga por pulsos é aplicada corretamente, mas os resultados são não-conclusivos. Considerando que os ajustes de tensão da figura anterior se aplicam a baterias de Chumbo-Ácido de baixa pressão com uma válvula de escape de pressão de aproximadamente 34 kPa(5psi), as baterias cilíndricas seladas de Chumbo-Ácido (Hawker) requerem maiores ajustes de tensão. Estes limites de tensão devem ser ajustados de acordo com as especificações do fabricante.

A não aplicação do limiar de tensão recomendado para essas baterias causa uma queda gradual na capacidade devido à sulfação. Tipicamente, a célula Hawker tem um ajuste de escape de pressão de 345kPa (50psi). Isso permite alguma recombinação dos gases durante a carga. Uma bateria selada de Chumbo-Ácido deve ser armazenada em estado carregado. Uma carga de pico deve ser aplicada a cada 6 meses para evitar que a tensão caia para menos de 2,10 Volts por célula. As exigências da corrente de pico podem ser diferentes para cada fabricante. Sempre siga os intervalos de tempo recomendados pelo fabricante. Medindo a tensão de uma célula aberta enquanto armazenada, uma indicação de nível de carga aproximada pode ser obtida. A tensão de 2,11 Volts, se medida à temperatura ambiente, revela que a célula tem uma carga de 50% ou mais. Se a tensão está neste limiar, a bateria está em uma boa condição e apenas precisa de um prévio ciclo de carga completo para ser usada.

Se a tensão cai para menos de 2,10 Volts, vários ciclos de carga e descarga podem ser necessários para fazer a bateria ter performance total. Quando medir a tensão terminal de qualquer célula, a temperatura de armazenamento deve ser observada. Uma bateria fria aumenta a tensão e uma morna, diminui a tensão. Baterias plásticas seladas de Chumbo-Ácido que chegam dos vendedores com menos de 2,10 Volts por célula são rejeitadas por alguns compradores que inspecionam a bateria durante o controle de qualidade. Tensão baixa sugere que a bateria pode ter um suave curto, um defeito que não pode ser corrigido com a ciclagem. Embora a ciclagem possa aumentar a capacidade dessas baterias, os ciclos extras comprometem a vida de serviço da bateria. Além disso, o tempo e o equipamento exigidos para fazer a bateria estar completamente funcional, são acrescidos ao custo operacional. A célula Hawker pode ser armazenada a voltagens menores que 1,81 Volts. Contudo, quando estiver reativando as células, uma tensão de carga maior que a normal pode ser exigida para converter os grandes cristais de volta a um bom material ativo. O preço de uma célula Hawker é um pouco maior que a da equivalente de plástico, mas é mais barata que a de NiCd.

Também conhecida como “Ciclone”, essa célula é similar à de NiCd cilíndrica. Esta construção melhora a estabilidade da célula e fornece correntes de descarga maiores quando comparada com a selada de Chumbo-Ácido de placa plana. As baterias de Chumbo-Ácido são preferidas para utilização em sistemas de “No- Break”. Durante carga de flutuação prolongada, uma carga de pico periódica, também conhecida como “carga de equalização”, é recomendável para carregar completamente as placas e prevenir sulfação. Uma carga de equalização aumenta a tensão da bateria por várias horas para um nível de tensão acima do especificado pelo fabricante. Perda de eletrólito através da temperatura elevada pode ocorrer se a carga de equalização não for administrada corretamente. Pelo fato de não se poder adicionar nenhum líquido nos sistemas de baterias seladas de Chumbo-Ácido e nas de Chumbo-Ácido reguladas por válvula, uma redução do eletrólito causará um dano irreversível. Fabricantes e o pessoal de serviços estão freqüentemente divididos em relação aos benefícios da carga de equalização. Acredita-se que algum exercício, ou breve descarga periódica possa prolongar a vida da bateria de Chumbo-Ácido. Se aplicada uma vez por mês como parte de um programa de exercício, a profundidade de descarga deve apenas ser aproximadamente 10% da capacidade total.

Uma descarga total como parte de uma manutenção regular não é recomendada porque cada ciclo profundo de descarga rouba a vida de serviço da bateria. Mais experimentos são necessários para verificar as vantagens de exercitar baterias de Chumbo Ácido. Novamente, fabricantes e técnicos de serviço expressam diferentes visões de como manutenções preventivas devem ser executadas. Alguns especialistas preferem carga de pico enquanto que outros recomendam descargas programadas. Desconectar a carga de flutuação enquanto a bateria de Chumbo-Ácido regulada por válvula está em espera é outro método de prolongar a vida da bateria. De tempos em tempos, uma carga de pico é aplicada para reabastecer a energia perdida através da auto-descarga. Isso é feito para diminuir a corrosão da célula e prolongar a vida da bateria. A bateria é mantida como se estivesse em armazenamento. Isto apenas funciona em aplicações que não extraiam uma corrente de carga durante a espera. Em algumas aplicações, a bateria age como um amortecedor de energia e precisa estar abaixo da carga contínua.

IMPORTANTE: EM CASO DE RUPTURA, ELETRÓLITO VAZANDO OU QUALQUER OUTRA CAUSA DE EXPOSIÇÃO AO ELETRÓLITO, JOGUE ÁGUA IMEDIATAMENTE. SE OCORRER EXPOSIÇÃO AOS OLHOS, LAVE-OS POR 15 MINUTOS E CONSULTE UM MÉDICO IMEDIATAMENTE.

Carregando baterias de Lítio-Íon

O carregador de baterias de Lítio-Íon é um dispositivo limitador de tensão similar ao carregador de baterias de Chumbo-Ácido. A diferença está em uma maior tensão por célula, uma tolerância de tensão menor e a ausência de carga de flutuação ou pulsante quando a carga completa é alcançada. Enquanto as baterias de Chumbo-Ácido oferecem alguma flexibilidade em termos de interrupção de tensão, fabricantes de células de Lítio-Íon são muito rígidos em ajustar a tensão correta.

Quando o Lítio-Íon foi introduzido pela primeira vez, o sistema de grafite exigia um limite de tensão de carga de 4,10 Volts por célula. Embora tensões maiores entreguem densidades de energia maiores, a oxidação da célula limita a vida de serviço das células de grafite que foram carregadas abaixo do limiar de 4,10 Volts por célula. Esse efeito tem sido solucionado com aditivos químicos. A maioria das células de Lítio-Íon comerciais pode agora ser carregada a 4,20 Volts. A tolerância para todas as baterias de Lítio-Íon é um apertado +/- 0,05 Volts por célula. Baterias de Lítio-Íon militares e industriais projetadas para máximo ciclo de vida usam um limiar de tensão de fim de carga em torno de 3,90 Volts por célula.

O tempo de carga de todas as baterias de Lítio-Íon, quando carregadas a uma corrente inicial de 1 C, é de aproximadamente 3 horas. A bateria permanece fria durante a carga. A carga completa é alcançada depois que a tensão alcança o limiar de tensão superior e a corrente ter caído e se igualado a 3% da corrente de carga nominal. Aumentar a corrente de carga em um carregador de Lítio-Íon não faz diminuir muito o tempo de carga. Embora o pico de tensão seja alcançado mais rápido com correntes maiores, a carga de pico irá demorar mais.

Alguns carregadores afirmam carregar em modo rápido uma bateria de Lítio-Íon em 1 hora ou menos Nenhuma carga pulsante é aplicada porque a Lítio-Íon é incapaz de absorver sobrecarga. Carga pulsante poderia causar depósito de lítio metálico, uma condição que torna a célula instável. Ao invés disso, uma breve carga de pico é aplicada para compensar a pequena quantidade de autodescarga da bateria. Dependendo do carregador e da autodescarga da bateria, uma carga de pico pode ser implementada uma vez a cada 500 horas ou 20 dias. O que acontece se uma bateria é inadvertidamente sobrecarregada? Baterias de Lítio-Íon são projetadas para operar seguramente dentro da sua tensão normal de operação, mas tornam-se cada vez mais instáveis se carregadas em voltagens maiores.

Em uma tensão de carga abaixo de 4,3 Volts, a célula causa depósito de metal de lítio no anodo. Além disso, o material do catodo se torna um agente oxidante, perde instabilidade e libera oxigênio. Sobrecarga faz a célula se aquecer. Muita atenção tem sido aplicada na segurança das baterias de Lítio-Íon. Baterias de Lítio-Íon comerciais contém um circuito de proteção que previne a tensão da célula de ficar muito alta enquanto estiver sendo carregada. O limiar típico de segurança é ajustado para 4,30 Volts por célula. Além disso, a sensação de temperatura desconecta a carga se a temperatura interna se aproxima de 90°C(194°F). A maioria das células tem como característica uma mudança de pressão mecânica que permanentemente interrompe o caminho da corrente se um limiar de segurança é excedido. Circuitos internos de controle de tensão interrompem a bateria em sub-tensão ou sobre-tensão.

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A figura a seguir mostra os estágios de carga em uma bateria de Lítio-Íon:

Carregando Baterias de Lítio-Polímero

O processo de carga das baterias de Lítio-Polímero é similar ao de Lítio-Íon. Lítio-Polímero usa eletrólito seco e demora de 3 a 5 horas para carregar. Lítio-Íon Polímero com eletrólito de colóide (com gel), por outro lado, é quase idêntico ao de Lítio-Íon. De fato, o mesmo algoritmo de carga pode ser aplicado. Com a maioria dos carregadores, o usuário não precisa saber se a bateria que está sendo carregada é de Lítio-Íon ou Lítio-Íon polímero. Quase todas as baterias comerciais vendidas sob a tão chamada categoria Polímero são uma variedade da Lítio-Íon polímero usando algum tipo de eletrólito com gel.

Carregando baterias em altas e baixas temperaturas

Devem-se tomar alguns cuidados para se carregar baterias em ambientes submetidos a altas e baixas temperaturas. As baterias recarregáveis podem ser usadas sob uma faixa razoável de temperaturas. Isso, de qualquer modo, não significa automaticamente que as baterias podem também ser carregadas a essas condições de temperatura. Embora o uso de baterias sob altas e baixas temperaturas não possa sempre ser evitado, o tempo de carga deve ser controlado pelo usuário. Esforços devem ser feitos para carregar as baterias apenas sob temperaturas ambientes. Em geral, tecnologias mais antigas, tais como as de NiCd são mais tolerantes para carregar as baterias em temperaturas altas e baixas do que os sistemas mais avançados. A figura a seguir mostra as temperaturas permissíveis (carga lenta e rápida) para as baterias de NiCd, NiMH, Chumbo-Ácido e Lítio-Íon.

	Carga lenta (0,1 C)	Carga rápida (0.5 a 1,0C)
NIQUEL CÁDMIO	0ºC a 45°c (32ºF a 113ºF)	5ºC a 45°c (41ºF a 113ºF)
NIQUEL METAL HIDRETO	0ºC a 45°c (32ºF a 113ºF)	10ºC a 45°c (50ºF a 113ºF)
CHUMBO ÁCIDO	0ºC a 45°c (32ºF a 113ºF)	5ºC a 45°c (41ºF a 113ºF)
LÍTIO - ION	0ºC a 45°c (32ºF a 113ºF)	5ºC a 45°c (41ºF a 113ºF)

Baterias de NiCd podem ser carregadas em modo rápido em uma hora ou pouco mais, contudo, uma carga tão rápida somente pode ser aplicada em temperaturas entre 5°C e 45°C (41°F e 113°F). Temperaturas mais moderadas produzem melhores resultados. Quando carregar uma NiCd abaixo de 5°C (41°F), a capacidade de recombinar oxigênio e hidrogênio é extremamente reduzida e como resultado ocorre a criação de pressão. Em alguns casos, as células se abrem, liberando oxigênio e hidrogênio. Não somente os gases que escapam esvaziam o eletrólito, mas também o hidrogênio é altamente inflamável! Carregadores que utilizam o NDV (delta V negativo) para terminarem a carga completa, fornecem algum nível de proteção quando usados em modo rápido em baixas temperaturas.

Por causa da pobre aceitação de carga da bateria em baixas temperaturas, a energia da carga é convertida em oxigênio e em uma quantidade menor de hidrogênio. Essa reação causa queda de tensão na célula, terminando a carga através da detecção NDV. Quando isso ocorre, a bateria não pode ser totalmente carregada, mas a abertura é evitada ou minimizada. Para compensar a reação mais lenta a temperaturas abaixo de 5°C, uma taxa de carga baixa deve ser aplicada. Métodos de carga especiais estão disponíveis para carregar a temperaturas bem frias. Baterias industriais que precisam ser rapidamente carregadas em baixas temperaturas incluem um cobertor térmico que aquece a bateria para uma temperatura aceitável.

Entre baterias comerciais, as de NiCd são as únicas baterias que aceitam carga em temperaturas extremamente baixas. Carregar em altas temperaturas reduz a geração de oxigênio. Isto reduz o efeito NDV e dá uma maior precisão na detecção de carga completa. A aceitação de carga de uma NiCd em altas temperaturas é drasticamente reduzida. Uma bateria que forneça uma capacidade de 100% se carregada numa temperatura ambiente moderada pode apenas aceitar 70% se carregada a 45°C(113°F), e 45% se carregada a 60°C(140°F), conforme a figura abaixo. Condições similares se aplicam às baterias de NiMH. Uma razão para a pobre performance de baterias, especialmente se carregadas em altas temperaturas ambientes, é a interrupção prematura de carga. Isso é comum com os carregadores que usam temperatura absoluta para terminar a carga rápida.

A bateria NiMH é menos tolerante que a de NiCd se carregada sob altas e baixas temperaturas. A de NiMH não pode ser carregada em modo rápido abaixo de 10°C(45°F), nem pode ser carregada em modo lento abaixo de 0°C(32°F).

. A tabela a seguir mostra a tensão de pico em várias temperaturas quando carregando uma bateria selada de Chumbo-Ácido em modo de flutuação. Implementando compensação de temperatura no carregador para ajustar a carga em temperaturas extremas, prolonga a vida da bateria em até 15%. Isso é especialmente verdade quando está operando em altas temperaturas.

	0ºC(32ºF)	25ºC(77ºF)	40ºC(104ºF)
Limite de tensão na recarga	2.55Volts / Célula	2.45Volts / Célula	2.35Volts / Célula
Ensão de flutuação continua	2.35Volts / Célula ou menos	2.30Volts / Célula ou menos	2.25Volts / Célula ou menos

Esses limites de tensão devem ser aplicados para altas temperaturas. Nunca se deve permitir que uma bateria selada de Chumbo-Ácido se congele. Se isto acontecesse, a bateria seria permanentemente danificada e apenas forneceria poucos ciclos quando tivesse retornado à temperatura normal. Para aumentar a aceitação de carga de baterias seladas de Chumbo-Ácido em baixas temperaturas e evitar a fuga térmica em temperaturas mais quentes, o limite de tensão de um carregador deve ser compensado em aproximadamente 3mV por célula por grau Celsius. O ajuste de tensão tem um coeficiente negativo, significando que o limiar de tensão cai à medida que a temperatura aumenta.

Por exemplo, se o limite de tensão é ajustado para 2,40 Volts / célula a 20°C, o ajuste deve ser abaixado para 2,37 Volts / célula a 30°C e aumentado para 2,43 Volts / célula a 10°C. Isto representa uma correção de 30 mV por célula por 10 graus Celsius. As baterias de Lítio-Íon oferecem boa performance ao serem carregadas em baixas e altas temperaturas. Algumas células permitem carregar a 1 C de 0°C a 45°C (32°F a 113°F). A maioria das células de Lítio-Íon prefere uma corrente de carga menor quando a temperatura vai para baixo de 5°C (41°F) ou mais frio. Deve-se evitar carregar a temperaturas abaixo de 0°C porque pode ocorrer depósito de metal de lítio.

Carregadores Ultra-Rápidos

Alguns fabricantes de carregadores pretendem surpreendentemente reduzir os tempos de carga para 30 minutos ou menos. Com células bem balanceadas e operando em temperaturas ambientes razoáveis, baterias de NiCd projetadas para carregamento rápido podem de fato serem carregadas em um período muito curto. Isso é feito simplesmente despejando uma alta corrente de carga durante os primeiros 70% do ciclo de carga.

Algumas baterias de NiCd podem receber até 10 C. Detecção de estado de carga precisa e monitoramento de temperatura são essenciais. A alta corrente de carga deve ser reduzida a níveis mais baixos na segunda fase do ciclo de carga porque a eficiência de absorver carga é progressivamente reduzida à medida que a bateria passa para um estado de carga maior. Se a corrente de carga permanece muito alta em uma posterior fase do ciclo de carga, a energia excessiva se transforma em calor e pressão. Eventualmente ocorrem aberturas, liberando gás hidrogênio. Não somente os gases que escapam esvaziam o eletrólito, como também eles são altamente inflamáveis! Diversos fabricantes oferecem carregadores que creditam carregar completamente uma bateria de NiCd em metade do tempo dos carregadores convencionais. Baseado na tecnologia de carga por pulsos, esses carregadores intercalam um ou vários curtos pulsos de descarga entre cada pulso de carga. Isso promove a recombinação de gases de oxigênio e hidrogênio, resultando um reduzido acúmulo de pressão e uma temperatura da célula mais baixa.

Carregadores ultra rápidos baseados nesse princípio podem carregar uma bateria à base de Níquel em um tempo menor que os carregadores regulares, mas apenas aproximadamente até 90% do estado de carga. Uma carga pulsante é necessária para elevar a carga para 100%. Sabe-se que carregadores de pulsos reduzem a formação cristalina (memória) em baterias à base de Níquel. Usando esses carregadores, alguma melhoria na performance da bateria pode ser conseguida, especialmente se a bateria é afetada pela memória. O método de carga por pulsos não substitui descarga completa periódica. Para formações cristalinas mais severas em baterias à base de Níquel, uma descarga completa ou ciclo de recondicionamento é recomendável para recuperar a bateria. O carregamento ultra-rápido pode ser aplicado apenas para baterias em bom estado e aquelas projetadas para carregamento rápido. Algumas células simplesmente não são construídas para carregarem alta corrente.

Outro problema com carregadores ultra-rápidos acontece quando estão sendo carregadas baterias envelhecidas que comumente possuem alta resistência interna. Uma condutividade pobre se transforma em calor, que mais tarde acaba deteriorando as células. Conjuntos de baterias com células mal combinadas colocam um outro desafio. As células fracas que armazenam menos capacidade são carregadas antes daquelas com capacidades maiores e começam a se aquecer. Este processo as torna vulneráveis a danos futuros. O carregador ultra-rápido ideal primeiro verifica o tipo de bateria, mede seu estado de “saúde” e então aplica uma corrente de carga tolerável. Baterias de capacidade ultra-alta e aquelas que estão envelhecidas são identificadas, e o tempo de carga é prolongado por causa de uma resistência interna mais elevada. O carregador deve prevenir o acúmulo excessivo de temperatura. Detecção lenta do calor ao carregar rapidamente uma bateria, torna fácil a ocorrência de sobrecarrega. Isso é especialmente verdade para carregadores que controlam carga rápida usando exclusivamente detecção de temperatura.

Se o aumento da temperatura é medido corretamente na “pele” da célula, uma razoável e precisa detecção do estado de carga torna-se possível. Se feita na superfície externa da bateria, futuros atrasos ocorrerão. Qualquer exposição prolongada a uma temperatura de 45°C (113°F) prejudica a bateria. Novos conceitos de carregadores estão sendo estudados, o qual regula a corrente de carga de acordo com a aceitação de carga. Na carga inicial de uma bateria vazia, quando a aceitação está alta e pouco gás é gerado, uma corrente muito alta pode ser aplicada. Perto do final da carga, a corrente é diminuída.

Carregadores inteligentes

Novos sistemas de baterias exigem carregadores mais complexos do que com baterias com químicas mais antigas. Com os chips de carga de hoje, projetar um carregador ficou mais simples. Esses chips aplicam algoritmos de carga e são capazes de servir a maioria das químicas de baterias. À medida que o preço desses chips abaixa, engenheiros de projeto fazem um maior uso desse produto. Com o chip, um engenheiro pode focar totalmente no equipamento portátil ao invés de dedicar tempo para desenvolver um circuito de carga. O chip tem algumas limitações. O algoritmo de carga é fixado e não permite sintonia fina. Se uma carga pulsante é necessária para aumentar a tensão de uma Lítio-Íon que caiu abaixo de 2,5 Volts por célula para sua tensão de operação normal, a carga fornecida pelo chip pode não ser capaz de realizar essa função.

Do mesmo modo, se uma carga ultra-rápida é necessária para baterias à base de Níquel, o chip aplica uma corrente de carga fixa e não leva em consideração o estado de “saúde” da bateria. Além disso, uma carga de compensação de temperatura seria difícil de administrar se o chip não tiver essa característica. Usar um pequeno micro-controlador é uma alternativa. O custo do “Hardware” é aproximadamente o mesmo. Quando optar por um micro controlador, uma atualização interna personalizada (firmware) será necessária. Algumas características extras podem ser acrescentadas com um pequeno custo extra. Eles são carregadores rápidos baseados no estado de “saúde” da bateria. Temperaturas ambientes podem também ser levadas em conta. Se um chip ou micro-controlador é usado, componentes periféricos são exigidos.

Descarga de Baterias – Taxa C ( C-rate )

O propósito de uma bateria é o de armazenar energia e liberá-la em um tempo apropriado de uma maneira controlada. Ser capaz de armazenar uma grande quantidade de energia é uma coisa, a habilidade de satisfazer a capacidade de demanda é outra. O terceiro critério é o de ser capaz de entregar toda a energia disponível sem deixar energia preciosa para trás quando o equipamento é interrompido. A corrente de carga e descarga de uma bateria é medida em Taxa C (C-Rate). A maioria das baterias portáteis, com exceção das de Chumbo-Ácido, são taxadas em 1 C.

Uma descarga de 1 C extrai uma corrente igual à capacidade nominal. Por exemplo, uma bateria de 1000mAh fornece 1000mA por 1 hora se descarregada à taxa de 1 C. A mesma bateria descarregada a 0,5 C fornece 500 mA por 2 horas. A 2 C, a mesma bateria entrega 2000mA por 30 minutos. 1 C é freqüentemente atribuído como uma descarga de 1 hora; 0,5 C como 2 horas, e uma de 0,1 C como uma descarga de 10 horas.

A capacidade da bateria é comumente medida com um analisador de bateria. Se a leitura de capacidade do analisador é dada em porcentagem da taxa nominal, é indicado 100% se 1000mA puderem ser retirados de uma bateria com capacidade de 1000mAh para uma hora. Se a bateria dura apenas 30 minutos antes da interrupção, 50% é indicado. Uma nova bateria às vezes fornece mais do que 100% da capacidade. Em tal caso, a bateria é cautelosamente calculada e pode suportar tempo de descarga maior do que o especificado pelo fabricante. Quando descarregar uma bateria com um analisador de bateria que permita ajustar diferentes Taxas C (C-Rates) de descarga, uma leitura de capacidade maior é observada se a bateria for descarregada à uma Taxa C mais baixa e viceversa.

Ao descarregar uma bateria de 1000mAh a 2 C, ou 2000mA, o analisador deveria receber a capacidade total em 30 minutos. Teoricamente, a capacidade de leitura deve ser a mesma de uma descarga lenta, desde que quantidade idêntica de energia seja entregue, somente sobre um tempo mais curto. Porém devido à perda de energia que acontece dentro da bateria e a queda de tensão que faz com que a bateria alcance mais rapidamente o final da descarga. A leitura de capacidade é menor e pode ser de 97%. Descarregar a mesma bateria a 0,5 C, ou 500mA, acima de 2 horas, aumentaria a capacidade de leitura para aproximadamente 103%. A discrepância nas leituras de capacidade com diferentes Taxas C depende amplamente da resistência interna da bateria. Em uma nova bateria com uma boa característica de capacidade de corrente ou baixa resistência interna, a diferença nas leituras é apenas de poucos pontos porcentuais. Em uma bateria que apresente uma alta resistência interna, a diferença nas leituras de capacidade pode oscilar em ± 10% ou mais.

Uma bateria que não trabalha bem a uma taxa de descarga de 1 C é a selada de Chumbo-Ácido. Para obter uma leitura de capacidade prática, os fabricantes comumente taxam essas baterias em 0,05 C ou descarga de 20 horas. Até à esta taxa de descarga lenta, é freqüentemente difícil de alcançar a capacidade de 100%. Ao descarregar uma bateria selada de Chumbo-Ácido a uma descarga de 5 horas (0,2 C), as leituras de capacidade são correspondentemente menores. Para compensar as diferentes leituras em várias correntes de carga, os fabricantes oferecem um equilíbrio de capacidade. Baterias de Lítio-Íon/Polímero são protegidas eletronicamente contra altas descargas de corrente. Dependendo do tipo de bateria, a corrente de descarga é limitada algo em torno de 1 e 2 C. Essa proteção torna a Lítio-Íon inadequada para equipamentos biomédicos, ferramentas de energia e transceptores de alta potência. Essas aplicações são comumente reservadas para baterias de NiCd.

Profundidade da Descarga

A tensão típica de “fim de descarga” para baterias à base de Níquel é de 1 Volt por célula. Neste nível de tensão, aproximadamente 99% da energia é gasto e a tensão começa a cair rapidamente se a descarga continuar. Deve-se evitar descarregar além da tensão de interrupção, especialmente sob carga pesada. Desde que as células em um conjunto de baterias não podem ser perfeitamente combinadas, ocorre um potencial de tensão negativo (reversão de célula) através de uma célula mais fraca se a descarga continuar além do ponto de interrupção. Quanto maior for o número de células conectadas em série, maior a probabilidade disto acontecer.

Uma bateria de NiCd pode tolerar uma quantidade limitada de reversão de célula, que é tipicamente de 0,2 Volts. Durante esse tempo, a polaridade do eletrodo positivo é invertida. Tal condição pode apenas ser sustentada por um breve momento porque a evolução de hidrogênio acontecesse no eletrodo positivo. Isto conduz ao acúmulo de pressão e abertura da célula. Se a célula é empurrada para a reversão de voltagem, a polaridade de ambos os eletrodos está sendo invertida, resultando um curto elétrico. Tal erro não pode ser corrigido e o conjunto precisará ser trocado.

Se a bateria é descarregada a uma taxa mais que 1 C, o ponto de fim de descarga de uma bateria a base de Níquel é 0,9 Volts por célula. Isso é feito para compensar a queda de tensão induzida pela resistência interna da célula, a fiação, dispositivos de proteção e contatos do conjunto. Um ponto de interrupção mais baixo também oferece melhor performance em baixas temperaturas. A tensão de fim de descarga recomendada para a bateria selada de Chumbo-Ácido é de 1,75 Volts por célula. Diferente da curva de descarga horizontal da NiCd, a bateria selada de Chumbo-Ácido tem uma queda de tensão gradual com um rápido declive em direção ao fim da descarga como mostrado na figura abaixo.

Características de descarga de baterias de NiCd, NiMH e de Chumbo-Ácido Embora esse decréscimo estável na tensão seja desvantajoso, ele tem uma vantagem porque o nível de tensão pode ser utilizado para mostrar o estado da carga da bateria. Contudo, as leituras de tensão flutuam com carga e as leituras do estado da carga são imprecisas. O ciclo de vida de uma bateria selada de Chumbo-Ácido está diretamente relacionada com a profundidade de descarga. O número típico de ciclos de carga/descarga a 25°C(77°F) no que diz respeito à profundidade de descarga é: 150 a 200 ciclos com 100% de profundidade de descarga (descarga completa); 400 a 500 ciclos com 50% de profundidade de descarga (descarga parcial); 1000 ciclos ou mais com 30% de profundidade de descarga (descarga rasa). A bateria selada de Chumbo-Ácido não deve ser descarregada além de 1,75 Volts por célula, nem pode ser armazenada em um estado descarregado. As células de uma bateria selada de Chumbo-Ácido “sulfatam”, uma condição que torna a bateria inútil se deixada nesse estado por alguns dias. Uma bateria de Lítio-Íon tipicamente descarrega para 3 volts por célula.

Alguns modelos (“spinel” e “coke”) podem ser descarregados para 2,5 Volts por célula. Quanto mais baixa tensão de fim de descarga, a bateria ganha alguns pontos porcentuais extras. Desde que os fabricantes de equipamento não possam especificar que tipo de bateria pode ser usado, a maioria dos equipamentos é projetado para uma interrupção de 3 Volts. Deve-se tomar cuidado para não descarregar muito uma bateria à base de Lítio. Descarregar uma bateria à base de Lítio abaixo de 2,5 Volts pode interromper o circuito de proteção da bateria. Algumas baterias de Lítio-Íon possuem uma interrupção de tensão muito baixa que desconecta permanentemente o conjunto se uma célula cair para 1,5 Volts. Esse cuidado proíbe recarga se a bateria tiver permanecido em um estado de tensão ilegal.

Uma descarga muito profunda pode causar a formação de derivação de cobre, que pode conduzir a um curto elétrico parcial ou total. O mesmo ocorre se a célula é levada para polaridade negativa e é mantida nesse estado por um instante. Uma bateria totalmente descarregada deve ser carregada a 0,1 C. Carregar uma bateria com uma derivação de cobre a uma taxa de 1 C causaria um aquecimento excessivo. Tal bateria deve ser inutilizada. Descarregar uma bateria muito profundamente é um problema; equipamento que interrompe antes da energia ser consumida é outro. Alguns dispositivos portáteis não são adequadamente adaptados para colher toda a energia armazenada dentro de uma bateria.

Energia valiosa pode ser deixada para trás se o ponto de interrupção de tensão for ajustado muito alto. Dispositivos digitais estão exigindo muito da bateria. Cargas pulsadas momentâneas, causam uma breve queda na tensão, o que pode empurrar a tensão para a região de interrupção. Baterias com alta resistência interna são particularmente vulneráveis à interrupção prematura. Se tal bateria é removida do equipamento e descarregada para um ponto de interrupção com um analisador de bateria em carga DC, um alto nível de capacidade residual pode ainda ser obtido. A maioria das baterias recarregáveis prefere uma descarga parcial ao invés de uma descarga completa. Descargas completas repetidas roubam a capacidade das baterias. A química da bateria que é a mais afetada por descarga profunda repetida é a de Chumbo-Ácido. Similar às baterias de Chumbo-Ácido, as baterias de Lítio-Íon preferem ser descarregadas superficialmente. Até 1000 ciclos podem ser alcançados se a bateria for parcialmente descarregada.

Além dos ciclos, a performance das baterias de Lítio-Íon também é afetada pelo envelhecimento. Perda de capacidade por envelhecimento é independente do uso. Contudo, em uso diário, existe a combinação de ambos. As baterias de NiCd são as menos afetadas por ciclos repetidos de descarga completa. Vários milhares de ciclos carga/descarga podem ser obtidos com esse sistema de bateria. Esta é a razão pela qual as baterias de NiCd funcionam bem, por exemplo, em rádios de duas vias que estão em constante uso. As de NiMH são mais delicadas no que dizem respeito a ciclos repetidos de descarga profunda.

Descarga por Pulsos

Químicas de baterias reagem diferentemente às exigências de descarregamento específico. Pelo fato de baterias serem dispositivos químicos que devem converter energia química em energia elétrica durante a descarga, a velocidade desta conversão determina as características de descarga de uma bateria. As baterias de Chumbo-Ácido funcionam melhor em descargas lentas de 20 horas. Uma descarga por pulsos também trabalha bem porque os períodos de descanso entre pulsos ajudam a dispersar as concentrações ácidas esgotadas de volta à da placa do eletrodo. Em termos de capacidade, esses dois métodos de descarga fornecem a máxima eficiência para essas químicas de baterias. Uma descarga à uma capacidade de 1 C fornece a mais pobre eficiência para baterias de Chumbo-Ácido.

O menor nível de conversão, ou polarização aumentada, manifestam-se em um aumento momentâneo da resistência interna devido à depleção de material ativo na reação. Diferentes métodos de descarga, especialmente descargas por pulsos, também afetam a longevidade de alguns tipos de baterias. Enquanto as de NiCd e Li-Íon são robustas e mostram deterioração mínima quando carregadas por pulsos, as de NiMh mostram um ciclo de vida reduzido quando alimentam cargas digitais.

Em estudo recente, a longevidade da bateria de NiMH foi observada descarregando-se essas baterias com cargas digitais e analógicas. Em ambos os testes a bateria se descarregou para 1,04 Volts por célula. A corrente de descarga analógica era de 500mA; o modo digital simulou as exigências do protocolo “Global System for Mobile Communications (GSM) e aplicou 1,65 amperes de corrente de pico por 12 milisegundos a cada 100 milisegundos. A corrente entre os picos era de 270 mA. (Note que o pulso GSM para voz é de aproximadamente 550?s a cada 4,5 milisegundos. Com a descarga analógica, a bateria de NiMH se desgastou gradualmente, fornecendo uma vida de serviço acima da média. A 700 ciclos, a bateria ainda fornecia 80% da capacidade. Em contraste, as células se enfraqueceram mais rapidamente com uma descarga digital. O limiar de capacidade de 80% foi alcançado depois de 300 ciclos. Este fenômeno indica que as características para baterias de NiMH se deterioram mais rapidamente com uma carga digital ao invés de uma carga analógica.

Descarga em altas e baixas temperaturas

Baterias funcionam melhor em temperaturas ambientes. A operação de baterias em locais de temperaturas elevadas, diminui suas vidas. Embora as baterias de Chumbo-Ácido forneçam a maior capacidade a temperaturas acima de 30° C, o prolongado uso sob tais condições diminuem a vida da bateria. Da mesma forma, as baterias Li-Íon funcionam melhor a altas temperaturas. Temperaturas elevadas temporariamente neutralizam a resistência interna da bateria, que é resultado do envelhecimento.

A energia ganha tem uma vida curtaporque a elevação de temperatura estimula o envelhecimento por futuro aumento da resistência interna. A química da NiMH se degrada rapidamente se carregada/descarregada (ciclo) em maiores temperaturas ambientes. A melhor vida de bateria e contagem de ciclo são alcançadas a 20°C (68°F). Cargas e descargas repetidas em temperaturas mais altas causarão perda de capacidade irreversível. Por exemplo, se operada a 30°C (86°F), o ciclo de vida é reduzido em 20%. A 40°C (104°F), a perda salta para enormes 40%. Se carregado e descarregado a 45°C (113°F), o ciclo de vida é apenas metade do que pode ser esperado se usado a uma temperatura ambienta razoável. Uma NiCd é também afetada pela operação em alta temperatura, mas para um grau menor.

Em baixas temperaturas, a performance de todas as químicas de baterias cai drasticamente. É importante lembrar que embora uma bateria seja capaz de operar em baixas temperaturas, isto automaticamente não significa que ela possa ser carregada sob essas condições. A aceitação de carga para a maioria das baterias em baixas temperaturas é extremamente restrita. Muitas baterias precisam estar acima de 0°C para se carregarem. Baterias de NiCd podem ser recarregadas a temperaturas abaixo de 0°C caso a taxa de carga seja reduzida para 0,1 C.

Os segredos da vida útil da bateria

A autonomia de um dispositivo portátil está relacionada com o tamanho da bateria e com a energia que ela pode reter? Na maioria dos casos, a resposta é sim. Mas com equipamento digital, a duração de tempo que uma bateria pode operar não é necessariamente linear à quantidade de energia armazenada na bateria. Nesse capítulo examinaremos como o tempo de autonomia para um dispositivo portátil pode não ser alcançado, especialmente após a bateria ter envelhecido. Listamos 4 motivos que afetam a performance da bateria: declínio de capacidade, aumento da resistência interna, elevada auto-descarga e prematura interrupção de tensão na descarga.

Declínio da Capacidade

A quantidade de carga que uma bateria pode reter, gradualmente diminui devido ao uso, envelhecimento, e com algumas químicas, falta de manutenção. Especificada para fornecer aproximadamente 100% da capacidade quando nova, a bateria eventualmente requer substituição quando a capacidade cai para o nível de 60 a 70%. O limiar de garantia é tipicamente de 80%. O armazenamento de energia de uma bateria pode ser dividido em 3 seções imaginárias consistindo em energia disponível, zona vazia (que pode ser utilizada novamente) e zona inutilizada. A figura a seguir ilustra essas 3 seções da bateria.

Em baterias à base de Níquel, a zona inutilizada pode estar na forma de uma formação cristalina, também chamada de memória. Um ciclo profundo pode freqüentemente restaurar a capacidade para serviço completo. A perda de aceitação de carga de baterias de Lítio-Íon/Polímero é devido a oxidação da célula, que ocorre naturalmente durante o uso e como parte do envelhecimento. A perda de capacidade é permanente porque os metais usados nas células são feitos para funcionarem por um tempo específico e estão sendo consumidos durantes seus tempos de serviço. A degradação do desempenho da bateria de Chumbo-Ácido é freqüentemente causada por sulfação, uma fina camada que se forma nas placas negativas das células, que inibem o fluxo de corrente. Além disso, existe uma corrosão da grade que se inicia na placa positiva.

Aumento da Resistência Interna

A resistência interna, também conhecida como impedância, determina a performance e o tempo de vida da bateria. Se medida com um sinal AC, a resistência interna da bateria é também chamada de impedância. A alta resistência interna corta o fluxo de energia da bateria da bateria para o equipamento. Enquanto uma bateria com baixa resistência interna pode entregar alta corrente quando exigida, uma bateria com alta resistência “desmorona” com corrente pesada. Embora a bateria possa reter capacidade suficiente, a tensão cai para a linha de interrupção e o indicador de “bateria fraca” é acionado. O equipamento pára de funcionar e a energia que permanece não é entregue. Uma bateria com baixa impedância fornece fluxo irrestrito de corrente e entrega toda a energia disponível. Uma bateria com impedância elevada não pode entregar os picos de alta-energia levando o equipamento a parar de funcionar prematuramente. A figura a seguir ilustra os efeitos da impedância na carga da bateria.

A bateria de NiCd tem a menor resistência interna de todos os sistemas de baterias comerciais, até após fornecer 1000 ciclos. Em comparação, a bateria de NiMH começa com uma resistência superficialmente maior e as leituras aumentam rapidamente após 300 a 400 ciclos. Manter uma bateria com baixa resistência interna é importante, especialmente com dispositivos digitais. Falta de manutenção em baterias à base de Níquel pode aumentar a resistência interna. Leituras de mais que o dobro da resistência normal têm sido observadas em baterias mal cuidadas. O recondicionamento livra as placas das células de formações cristalinas indesejáveis e restaura o fluxo de corrente adequado. A bateria de Lítio-Íon oferece características de resistência interna que estão entre as de NiMh e NiCd. O uso não contribui muito para o aumento da resistência, mas o envelhecimento contribui. A vida típica de uma bateria de Lítio-Íon é de 2 a 3 anos, estando ou não em uso.

Armazenar em local fresco e manter a bateria em um estado parcialmente carregado, quando não estiver sendo usada, retardam o processo de envelhecimento. A resistência interna das baterias de Lítio-Íon não pode ser melhorada com carga/descarga. A oxidação da célula, que causa alta resistência, é irreversível. A causa final de falha é a alta resistência interna. Energia pode ainda estar presente na bateria, mas não poderá ser entregue por muito tempo devido à pobre condutividade. Com esforço e paciência, baterias de Chumbo-Ácido podem às vezes serem melhoradas por carga/descarga, ou aplicando uma carga de pico ou de equalização. Similar a uma bola macia que se deforma quando apertada, a tensão de uma bateria com alta resistência interna modula a tensão de fornecimento.

Os pulsos de corrente empurram a tensão em direção à linha de fim de descarga, resultando em uma interrupção prematura. Quando se mede a tensão da bateria com um voltímetro depois que o equipamento tiver interrompido e a carga tiver sido removida, a tensão terminal comumente se recupera e a leitura de tensão parece normal. Medir a tensão terminal aberta é um método não confiável para estabelecer o estado da carga da bateria. Uma bateria com alta impedância pode funcionar bem se descarregada com uma corrente baixa DC, tal como uma lanterna, um toca CDs portátil ou um relógio de parede.

Com carga reduzida, virtualmente toda a energia armazenada pode ser recuperada e a deficiência devida à alta impedância é camuflada. A resistência interna de uma bateria pode ser medida com medidores de impedância. Vários métodos estão disponíveis, porém o mais comum é aplicar cargas DC e sinais AC. O método AC pode ser feito com diferentes freqüências. Dependendo do nível de perda de capacidade, cada técnica fornece leituras um pouco diferentes. Em uma boa bateria, as medições são razoalmente próximas; em uma bateria fraca, as leituras entre os métodos podem dispersar mais drasticamente. Analisadores de bateria modernos, oferecem medições de resistência interna como um teste rápido de bateria. Tais testes podem identificar baterias que falhariam devido à alta resistência interna, apesar da capacidade poder ainda ser aceitável.

Auto-Descarga Elevada

Todas as baterias exibem uma certa quantidade de auto-descarga; a maior é vista em baterias à base de Níquel. Como regra, uma bateria à base de Níquel descarrega 10 a 15% da sua capacidade nas primeiras 24 horas depois da carga, seguido por 10 a 15% a cada mês após isso. A auto-descarga na bateria de Lítio-Íon é mais baixa comparada aos sistemas à base de Níquel. A bateria de Lítio-Íon se auto-descarrega aproximadamente 5% nas primeiras 24 horas e 1 a 2% após isso. Adicionar o circuito de proteção aumenta a auto-descarga para 10% por mês. Uma das melhores baterias em termos de auto-descarga é o sistema de ChumboÁcido; ela apenas se auto-descarrega 5% por mês. Contudo a família de ChumboÁcido tem também a menor densidade de energia entre os atuais sistemas de energia. Isso torna o sistema inadequado para a maioria das aplicações portáteis de mão.

A altas temperaturas, a auto-descarga aumenta em todas as químicas de baterias. Tipicamente, a taxa dobra a cada 10°C (18°F). Grandes perdas de energia ocorrem através da auto-descarga se uma bateria é deixada em um veículo quente. Em algumas baterias mais antigas, a energia armazenada pode ir embora durante o curso do dia através da auto-descarga.

A auto-descarga de uma bateria aumenta com a idade e com o uso. Por exemplo, uma bateria de NiMH é boa para 300 a 400 ciclos, ao passo que uma de NiCd funciona adequadamente acima de 1000 ciclos antes que a auto-descarga afete a performance da bateria. Uma vez que a bateria apresente auto-descarga elevada, nenhum remédio está disponível para reverter o efeito. Os fatores que aceleram a auto-descarga em baterias à base de Níquel são separadores danificados, e alta contagem de ciclo, que promove inchaço na célula. No presente, nenhum teste rápido simples está disponível para medir a autodescarga da bateria. Um analisador de bateria pode ser usado para primeiro ler a capacidade inicial após carga completa, e depois medir a capacidade novamente após um período de descanso de 12 horas. Interrupção prematura de tensão Alguns equipamentos portáteis não utilizam completamente o espectro de tensão da bateria.

O equipamento interrompe antes que a tensão de fim de descarga seja alcançada e alguma energia preciosa da bateria permanece inutilizada. A ilustração abaixo mostra um equipamento com alta tensão de interrupção. O problema da interrupção de tensão é mais comum do que é comumente suposto. Por exemplo, uma certa marca de telefone celular que é alimentado com uma bateria de Lítio-Íon de célula simples interrompe a 3,3 Volts. A bateria de Lítio-Íon pode ser projetada para ser usada a 3 Volts e menos. Com uma descarga para 3,3 Volts, apenas aproximadamente 70% da esperada capacidade de 100% é utilizada. Outro telefone celular que use baterias de NiMH e NiCd interrompe a 5,7 Volts. As baterias à base de Níquel de 4 células são projetadas para descarregar até 5 Volts. Ao descarregar essas baterias para seus respectivos limiares de fim de descarga, depois do equipamento ter interrompido, pode-se extrair até 60% de capacidade da bateria. Alta capacidade residual é predominante em baterias que têm resistência interna elevada e são operadas a temperaturas ambientes mornas. Dispositivos digitais que carregam a bateria com picos de correntes, são mais receptivos à interrupção de tensão prematura, do que equipamento analógico.

Em muitos casos o problema de interrupção prematuro é induzido por uma célula com baixa tensão. Baixa tensão é freqüente em conjuntos de baterias que contém uma célula com um curto elétrico. Efeito memória também causa um decréscimo na tensão; contudo, isso está apenas presente em sistemas à base de Níquel. Além disso, a temperatura elevada diminui o nível de tensão em todos os sistemas de baterias. A redução de tensão devido a altas temperaturas é temporária e se normaliza uma vez que a bateria se esfrie.

Baterias Inteligentes

Uma bateria comum tem o problema de não ser capaz de mostrar a quantidade de energia de reserva que ela retém. Nem peso, cor, nem tamanho fornecem qualquer indicação do estado de carga e de “saúde” da bateria. O usuário está “a mercê” da bateria, quando se retira do carregador uma bateria recém carregada. A ajuda está às mãos. Um número crescente de novas baterias recarregáveis é fabricada com “inteligência”. Equipadas com um microchip, essas baterias são capazes de se comunicarem com o carregador e com o usuário para fornecerem informações estatísticas.

Aplicações típicas para baterias inteligentes são notebooks e câmeras de vídeo. Cada vez mais, essas baterias também são usadas em dispositivos biomédicos e aplicações de defesa. Existem vários tipos de baterias inteligentes, cada uma oferecendo diferentes complexidades, desempenho e custo. A bateria inteligente mais básica, pode conter apenas um chip para identificar sua química e dizer ao carregador qual algoritmo de carga aplicar. Outras baterias podem ser consideradas inteligentes simplesmente porque eles fornecem proteção contra sobrecarga, sob-descarga e curto-circuito. O que então torna uma bateria inteligente? Definições ainda variam entre organizações e fabricantes. Uma bateria inteligente deve ser capaz de fornecer indicações do estado de carga. Durante os anos 90, numerosas arquiteturas de baterias inteligentes com leitura do estado de carga emergiram. Elas se classificam em sistema de via única, sistema de via dupla e Barramento de Gerenciamento do Sistema (SMBus). A maioria dos sistemas de via dupla são baseados no protocolo SMBus. Iremos apenas falar sobre o sistema de via única e sobre o SMBus.

Sistema de via única

O sistema de via única é o mais simples e faz toda a comunicação de dados através de um único cabo. Uma bateria equipada com um sistema de via única usa apenas três cabos: o terminal positivo, o negativo e o terminal de dados. Por razões de segurança, a maioria dos fabricantes de baterias coloca um cabo separado para a medição da temperatura. A figura a seguir mostra o esquema de um sistema de cabo único.

O sistema de via única, armazena dados específicos da bateria e segue parâmetros da bateria, incluindo temperatura, tensão, corrente e carga restante. Por causa da simplicidade e do custo de hardware relativamente baixo, o sistema de via única tem uma ampla aceitação de mercado para telefones móveis de alta qualidade, rádios de comunicação de duas vias e filmadoras.

O SMBus

O SMBus é o mais completo de todos os sistemas. Ele representa um grande esforço da indústria de eletrônicos portáteis em padronizar um protocolo de comunicações e uma configuração de dados. O SMBus é um sistema de interface de dois cabos através do qual simples chips referentes à energia podem se comunicar com o resto do sistema. Um cabo controla os dados; o segundo é o relógio. A Duracell/ Intel SBS, em uso hoje, foi padronizada em 1993. Em anos anteriores, fabricantes de computadores tinham desenvolvido suas próprias baterias inteligentes. Com a nova especificação SBS, um padrão de interface maior se tornou possível. Projeto – A filosofia de projeto por trás da bateria SMBus é a de remover o controle de carga do carregador e fixar na bateria. Com um verdadeiro sistema SMBus, a bateria torna-se o mestre e o carregador serve de escravo que deve seguir as ordens da bateria.

O sistema SMBus permite que novas químicas de baterias sejam introduzidas sem que o carregador se torne obsoleto. Pelo fato da bateria controlar o carregador, a bateria gerencia os níveis de tensão e corrente, bem como os limiares de interrupção. O usuário não precisa saber qual química de bateria está sendo usada. Uma bateria SMBus contém dados permanentes e temporários. Os dados permanentes são programados dentro da bateria no momento em que são fabricadas e incluem o número de identificação (ID) da bateria, tipo de bateria, número serial, nome do fabricante e data de fabricação. Os dados temporários são obtidos durante o uso e consistem na contagem de ciclo, padrões do usuário e exigências de manutenção. Alguns dos dados temporários estão sendo substituídos e renovados durante a vida da bateria.

O SMBus é dividido em Nível 1, 2 e 3. O nível 1 tem sido eliminado porque ele não fornece carregamento de independente da química. O nível 2 é projetado para o carregamento no circuito interno do laptop. Um laptop que carregue sua bateria dentro da unidade é um típico exemplo de nível 2. Outra aplicação de nível 2 é uma bateria que contenha o circuito de carga dentro do conjunto. O nível 3 é reservado para carregadores externos com funções complexas. A maioria dos carregadores SMBus externos são baseados no nível 3. Infelizmente, esse nível é complexo e os carregadores são caros de se fabricar. Alguns carregadores mais baratos têm surgido, que acomodam baterias SMBus mas não são totalmente SBS. Fabricantes de baterias SMBus prontamente não aprovam esse atalho. A segurança é sempre uma preocupação, mas os clientes compram esses carregadores econômicos por causa do preço mais baixo.

A seguir é mostrado o esquema do sistema SMBus de duas vias.

Entre as mais populares baterias SMBus para computadores portáteis estão a “35” e “202”. Fabricadas pela Sony, Hitachi, GP Batteries, Moltech (anteriormente Energizer), Moli Energy e muitas outras. A figura a seguir mostra as baterias inteligentes “35” e “202”.

A maioria das baterias SMBus é equipada com um indicador de nível de carga. Quando se pressiona um botão de estado de carga em uma bateria que está completamente carregada, todas as luzes de sinalização são iluminadas. Em uma bateria parcialmente descarregada, metade das luzes é iluminada, e em uma bateria vazia, todas as luzes ficam permanecem apagadas, conforme figura abaixo:

Enquanto a informação de estado de carga mostrada em uma bateria ou tela de computador é útil, o medidor de carga retorna a 100% cada vez que a bateria é recarregada, independente do estado de “saúde” da bateria. Um sério erro de cálculo ocorre se uma bateria envelhecida mostrar 100% após uma carga completa, quando de fato a aceitação de carga caiu para 50% ou menos. A questão permanece: “100% de quê?” Um usuário não familiarizado com essa bateria tem menos informação sobre a vida útil do conjunto.

O que estraga a bateria definitivamente

Os problemas não corrigíveis da bateria são aqueles que não podem ser melhorados através de meios externos tal como dar à bateria uma carga completa ou aplicar repetidos ciclos de carga/descarga. As deficiências que denotam deterioração da bateria são: alta resistência interna, elevada autodescarga, curto elétrico de uma ou várias baterias, perda de eletrólito, oxidação, corrosão e avarias químicas gerais. Esses efeitos degenerativos não são causados apenas por uso normal e envelhecimento. O usuário pode ter um equipamento pobre de carregamento, pode operar e armazenar a bateria em temperaturas adversas e, no caso de baterias à base de Níquel, podem não manter a bateria adequadamente.

Autodescarga

A autodescarga é um fenômeno natural de qualquer bateria. Não é um defeito de fabricação, embora práticas inadequadas de fabricação, manutenção inapropriada e armazenamento pelo consumidor aumentem o problema. O nível de autodescarga difere em cada química e modelo de bateria. Baterias à base de Níquel de alto desempenho, com a área de superfície de eletrodo aumentada e eletrólitos supercondutores são sujeitos a maiores autodescargas que as baterias padrão com menores densidades de energia. A autodescarga é não linear e é mais alta exatamente após a carga, quando a bateria retém a capacidade total. Baterias de NiCd e NiMH exibem um alto nível de autodescarga. Se deixada na prateleira, uma nova bateria de NiCd perde aproximadamente 10% da sua capacidade nas primeiras 24 horas após ter sido removida do carregador.

A taxa de autodescarga se fixa em 10% por mês mais tarde. A uma temperatura mais elevada, a taxa de autodescarga dobra a cada aumento de 10°C (18°F). A autodescarga de uma NiMH é aproximadamente 30% maior que a de NiCd. O principal contribuidor para autodescarga em baterias de Níquel e à base de Lítio é uma alta contagem de ciclo e/ou idade avançada. Com ciclos aumentados, as placas da bateria tendem a se inchar. Uma vez aumentadas, as placas pressionam mais firmemente contra o delicado separador, resultando em uma autodescarga aumentada. Isso é comum no envelhecimento de baterias de NiCd e NiMH, mas pode também ser visto em sistemas de Chumbo Ácido. Carregar materiais menos ativos nas placas pode reduzir o inchaço da placa nas baterias à base de Níquel. Isso melhora a expansão e contração enquanto carregando e descarregando.

Além disso, a característica de carga é aumentada e o ciclo de vida é prolongado. A autodescarga da bateria de Lítio-Íon é 5% nas primeiras 24 horas após a carga e em média 1 a 2% por mês depois disso. Alta contagem de ciclo e envelhecimento têm pouco efeito na autodescarga em baterias à base de Lítio. Uma bateria selada de Chumbo-Ácido se autodescarrega a uma taxa de apenas 5% por mês ou 50% por ano. Repetidos ciclos profundos aumentam a autodescarga. Ao se dar ciclos profundos, o eletrólito é arrastado para dentro do separador, resultando em uma formação cristalina similar à de uma bateria de NiCd. A autodescarga de uma bateria é mais bem medida com um analisador de bateria. O procedimento se inicia carregando a bateria. A capacidade é lida aplicando-se uma descarga controlada. A bateria é então recarregada e colocada na prateleira por 24 horas, após o que a capacidade é medida novamente. A discrepância entre as leituras de capacidade revela o nível de autodescarga. Medidas de autodescarga mais precisas podem ser obtidas permitindo-se que a bateria descanse pelo menos 72 horas antes de efetuar a leitura. O período de descanso maior compensa a relativamente elevada autodescarga imediatamente após a carga. A 72 horas, a autodescarga deve estar entre 15 e 20%.

As mais uniformes leituras de autodescarga são obtidas após 7 dias. Em alguns analisadores de bateria, o usuário pode escolher ajustar os períodos de descansos desejados em que a autodescarga será medida. Pesquisas estão sendo conduzidas para encontrar uma maneira de se medir a autodescarga de uma bateria em minutos, se não em segundos. A precisão e a repetibilidade de tal tecnologia são ainda desconhecidos. O desafio é encontrar uma fórmula que aplique em todas as baterias principais e que inclua as químicas comuns.

Má combinação da bateria

A má combinação das baterias pode ser encontrada tanto em conjuntos novíssimos quando em conjuntos envelhecidos. Um pobre controle de qualidade no nível de fabricação da bateria e combinação inadequada das baterias quando se montam conjuntos de baterias, causam conjuntos de baterias desequilibrados. Uma bateria fraca armazena menos capacidade e é descarregada mais rapidamente que uma bateria forte. Esse desbalanceamento causa reversão da bateria em uma célula fraca se a bateria for descarregada abaixo de 1 Volt/célula. A bateria fraca, alcança carga completa primeiramente e entra em uma sobrecarga geradora de calor enquanto uma bateria mais forte ainda aceita carga e permanece fresca.

Em ambas situações, a bateria fraca está em desvantagem, tornando-a mais fraca e contribuindo para uma condição mais aguda de má combinação da bateria. Fabricantes de ferramentas de energia escolhem baterias de alta qualidade por causa da sua durabilidade sob duras condições de carga e temperaturas extremas. Baterias mais baratas têm sido tentadas, mas falha prematura e a conseqüente reposição são mais custosas que o investimento inicial. A capacidade de combinação entre as baterias em um conjunto de baterias deve estar dentro de mais ou menos 2,5%. Existe uma forte correlação entre baterias bem balanceadas e a longevidade do conjunto de baterias. Baterias à base de Lítio possuem tolerâncias de combinação mais severas que as baterias à base de Níquel. A combinação justa de todas as baterias do conjunto é especialmente importante em químicas à base de Lítio.

Todas as baterias devem alcançar o limiar de tensão de fim de descarga ao mesmo tempo. O ponto de carga completa deve ser alcançado em unissonância por todas as baterias. Se as baterias forem desbalanceadas, a bateria mais fraca será descarregada a um ponto de tensão mais baixo antes da interrupção ocorrer. Na carga, essa bateria mais fraca irá atingir o estado de carga completa antes das outras, fazendo com que a tensão aumente mais que nas baterias mais fortes. Esse balanço de tensão maior colocará indevido esforço na bateria mais fraca. Cada bateria em um conjunto à base de Lítio é monitorada eletronicamente para garantir a apropriada combinação das baterias. Um circuito eletrônico é adicionado em alguns conjuntos que compensam as diferenças nas tensões da bateria.

A bateria de Lítio-Íon é controlada abaixo do nível da célula para garantir segurança a toda hora. Pelo fato dessa química ainda ser relativamente nova e imprevisível sob condições extremas, os fabricantes não querem correr riscos indevidos. Essa química é considerada muito segura, considerando o grande número de baterias de Lítio-Íon que estão em uso.

Baterias em curto

Os fabricantes são incapazes de explicar porque algumas baterias desenvolvem um curto-circuito quando as baterias estão ainda relativamente novas. Há um número de razões possíveis que contribuem para essa forma irreversível de falha da bateria. Suspeita-se que seja causado por partículas estranhas que contaminam as baterias durante a fabricação. Outra causa possível são manchas ásperas nas placas, que danificam o separador. Melhor controle de qualidade no nível de matéria prima e mínima interface humana durante o processo de fabricação têm reduzido amplamente a taxa de “mortalidade infantil” das baterias recarregáveis. Reversão da polaridade da bateria causada por descargas profundas também contribui para baterias em curto. Isso comumente ocorre se uma bateria à base de Níquel estiver sendo completamente esvaziada sob uma carga pesada.

Uma bateria de NiCd é projetada com alguma proteção de tensão reversa e uma pequena corrente reversa da grandeza de miliamperes pode ser tolerada. Uma alta corrente, contudo, faz com que uma bateria reversamente polarizada desenvolva um curto-circuito permanente. Outra causa de curto circuito é a deterioração do separador através de uma formação cristalina não controlada. Aplicar picos momentâneos alta corrente em uma tentativa de reparar baterias em curto tem tido sucesso. O curto pode dasaparecer temporariamente, mas o dano ao material do separador permanece. A bateria reparada, geralmente exibe uma autodescarga elevada e o curto freqüentemente retorna. Substituir uma bateria em curto em um conjunto envelhecido não é recomendado, a menos que a nova bateria seja combinada com as outras em termos de tensão e capacidade.

Senão, um desbalanceamento pode ocorrer. Tentativas de substituir baterias defeituosas têm comumente conduzido a falhas de bateria após aproximadamente 6 meses de uso. É melhor não perturbar as baterias em um conjunto de baterias, mas permitir que elas envelheçam naturalmente. Manter as baterias enquanto elas estão ainda em boa condição de funcionamento ajudarão a prevenir falha prematura. Curtos em uma bateria de Lítio-Íon são incomuns. Circuitos de proteção monitoram uma bateria de Lítio-Íon “doente” e torna o conjunto inútil se irregularidades de tensão forem detectadas. Carregar tal conjunto geraria calor excessivo (caso o circuito de proteção permita). Os circuitos de controle de temperatura da bateria são projetados para terminar a carga.

Perda de eletrólito

Embora selada, as células da bateria podem perder um pouco de eletrólito durante sua vida. Perda típica de umidade ocorre se o lacre abre devido à pressão excessiva. Isso ocorre se a bateria for carregada em temperaturas muito baixas ou muito altas. Uma vez aberto, o lacre das baterias à base de Níquel pode nunca mais fechar adequadamente, resultando em um depósito de pó branco em volta da abertura do lacre. Perdas podem também ocorrer se a capa da bateria não for corretamente lacrada no processo de fabricação. A perda de eletrólito resulta em uma diminuição da capacidade, um defeito que não pode ser corrigido. Perda de eletrólito em baterias seladas de chumbo-ácido é um problema que ocorre. A sobrecarga é a principal causa. O ajuste cauteloso de carga e tensões de flutuação reduz a perda de eletrólito. Uma bateria de Lítio-Íon corretamente carregada, e adequadamente projetada nunca deve gerar gases.

Como resultado, a bateria de Lítio-Íon não perde eletrólito através da abertura. Mas apesar do que está sendo dito, as baterias à base de Lítio podem gerar uma pressão interna sob certas condições. Provisões são feitas para manter a segurança da bateria e do equipamento caso isso ocorra. Algumas baterias incluem um comutador elétrico que se abre se a pressão da célula alcançar um nível crítico. Outras células possuem uma membrana que libera os gases com segurança se houver necessidade. A liberação controlada da pressão previne o inchaço da bateria durante a geração de pressão. A maioria das características de segurança das baterias à base de Lítio é unidirecional; significando que uma vez ativada, as baterias são inoperáveis depois disso. Isso é feito por razões de segurança.

Cuidados com as baterias

Armazenamento

As baterias são produtos perecíveis e começam a se deterior exatamente na hora em que elas deixam a fábrica. Por essa razão, não é aconselhável estocar baterias para uso futuro. Isso é especialmente verdade com baterias à base de Lítio. O comprador deve também estar ciente da data de fabricação. Evite adquirir estoque velho. Mantenha as baterias em um local fresco e em uma área de armazenamento seca. Refrigeradores são recomendados, mas congeladores devem ser evitados porque a maioria das químicas das baterias não é adequada para armazenamento em temperaturas abaixo do ponto de congelamento. Quando refrigerada, a bateria deve ser colocada em uma mala plástica para protegê-la contra condensação. A bateria de NiCd pode ser armazenada não vigiada por 5 anos ou mais.

Para melhores resultados, uma bateria de NiCd deve ser completamente carregada, depois descarregada para 0 volts. Se esse procedimento for impraticável, uma descarga para 1 V/célula é aceitável. Uma bateria de NiCd completamente carregada deixada em autodescarga durante o armazenamento, está sujeita à formação cristalina (memória). A maioria das baterias é enviada com um estado de carga de 40%. Após seis meses de armazenagem ou mais, uma bateria à base de Níquel precisa ser carregada antes do uso. Uma carga lenta, seguida por um ou vários ciclos de carga/descarga, são necessários. Dependendo da duração do armazenamento e temperatura, a bateria pode requerer dois ou mais ciclos para readquir desempenho total. Quanto maior a temperatura de armazenamento, mais ciclos serão necessários.

A bateria de Lítio-Íon não gosta de armazenamento prolongado. Perda de capacidade irreversível ocorre após 6 a 12 meses, especialmente se a bateria for armazenada completamente cheia e em temperaturas mornas. Freqüentemente é necessário manter a bateria completamente carregada como no caso de resposta de emergência, segurança pública e defesa. Usar um laptop (ou algum outro dispositivo portátil) continuamente em uma fonte de energia externa com a bateria acoplada terá o mesmo efeito. A figura a seguir mostra a capacidade recuperável após armazenamento em diferentes níveis de carga e temperaturas.

Temperatura	Nível de carga de 40% (nível recomendado de carga de armazenamento)	Nível de carga de 100% (Nível típico de carga do usuário)
0ºC	98% após 1 ano	94% após 1 ano
25ºC	96% após 1 ano	80% após 1 ano
40ºC	85% após 1 ano	65% após 1 ano
60ºC	75% após 1 ano	60% após 3 meses

A combinação de uma condição de carga completa e alta temperatura não pode sempre ser evitada. Tal é o caso ao se manter uma bateria sobressalente no carro para um telefone móvel. As químicas de NiMH e Lítio-Íon são as mais severamente afetadas por armazenamento quente e operação. Entre a família de Lítio-Íon, o cobalto tem uma vantagem sobre o manganês em termos de armazenamento em temperaturas elevadas. A temperatura recomendada de armazenamento de uma bateria à base de Lítio é de 15°C (59°F) ou menos. Um nível de carga de 40% permite alguma autodescarga que naturalmente ocorre; e 15°C é uma temperatura prática e econômica de armazenamento, que pode ser alcançada sem caros sistemas de controle. Enquanto a maioria das baterias recarregáveis não pode ser armazenada em temperaturas de congelamento, algumas baterias comerciais de Lítio-Íon mais novas podem ser mantidas a temperaturas de -40°C sem aparentes efeitos colaterais. A bateria selada de Chumbo-Ácido pode ser armazenada por um ou dois anos, mas deve ser mantida em uma condição carregada. Uma carga periódica de pico é exigida, para prevenir que a tensão aberta da bateria caia para menos de 2,10 Volts. Dependendo do fabricante, algumas baterias de Chumbo-Ácido podem ser permitidas a cair para níveis de tensão mais baixos.

Quando autodescarregada abaixo de um limiar de tensão crítico ocorre sulfação na maioria das baterias de Chumbo-Ácido. A sulfação é uma camada de oxidação na placa negativa que altera as características de carga e descarga. Embora a ciclagem possa geralmente restaurar a perda de capacidade, a bateria deve ser recarregada antes que a tensão aberta da bateria caia abaixo de 2,10 Volts. A bateria selada de Chumbo-Ácido não pode ser armazenada abaixo das temperaturas de congelamento. Uma vez que o conjunto tenha sido congelado, ele é permanentemente danificado e a sua vida de serviço é drasticamente reduzido. Uma bateria previamente congelada apenas será capaz de entregar um número limitado de ciclos.

Preparação

Algumas baterias à base de Níquel não funcionam bem quando novas. Essa deficiência é freqüentemente causada pela falta de formatação na hora da fabricação. Baterias que não são suficientemente formatadas são destinadas à falha porque a capacidade inicial é baixa. O potencial completo é apenas alcançado depois da bateria ter sido carregada e descarregada algumas vezes. Em muitos casos, o usuário não tem a paciência de esperar até que o desempenho esperado seja alcançado. Ao invés, o cliente se utiliza do serviço de garantia. O momento mais crítico da vida de uma bateria é o chamado estágio de preparação. Uma analogia pode ser feita “domando-se” um novo motor de carro. O desempenho e eficiência de combustível pode não ser o melhor no começo, mas com cuidado e atenção o motor irá melhorar com o tempo. Se superestressado quando novo, o motor pode nunca fornecer o serviço econômico e seguro que é esperado. Sabe-se que algumas baterias formatadas inadequadamente, produzem menos que 10% da capacidade no estágio inicial de preparação.

Por ciclagem, a capacidade aumenta, e a bateria se tornará utilizável após 3 a 5 ciclos. Máximo desempenho em uma bateria de NiCd, por exemplo, é alcançado após 50 a 100 ciclos completos de carga/descarga. Essa função de preparação ocorre enquanto a bateria está sendo usada. Baterias de qualidade dos principais fabricantes japoneses não precisam de preparação estendida e podem ser usadas quase imediatamente. Após cinco ciclos completos, o desempenho é previsível e completamente repetitivo. O procedimento de preparação recomendado pelo fabricante deve ser seguido. Em muitos casos, uma carga pulsante de 24 horas é necessária. Verificar o desempenho com um analisador de bateria é aconselhável, especialmente se as baterias são usadas para aplicações críticas.

Baterias de Lítio-Íon necessitam de menos preparação que as equivalentes à base de Níquel. Fabricantes de baterias de Lítio-Íon insistem que a preparação não é um requerimento. A função de preparação nas baterias de Lítio-íon pode ser usada para verificar que a bateria está completamente funcional e produz a capacidade exigida. O circuito de proteção interno de baterias à base de Lítio pode ser a causa de alguns problemas. Por razões de segurança, muitas dessas baterias não permitem recarga se a bateria for descarregada abaixo de 2,5 Volts por célula. Se descarregada perto de 2,5 Volts e a bateria não for recarregada por um tempo, a autodescarga, futuramente descarrega o conjunto abaixo do nível de 2,5 Volts. Se, nesta hora a bateria for colocada no carregador, ela pode não ser recarregada. A bateria parece ter um circuito aberto e o usuário conseqüentemente exige substituição.

Garantia da bateria

Normalmente a garantia oferecida no mercado brasileiro é de 6 meses.Com falta de padrões de bateria, alguns fornecedores inescrupuilosos estão livres para desafiar reivindicações de garantia, até mesmo se um problema genuíno existir. Muitas baterias revelam apenas a química e a tensão no rótulo e não fazem referência à taxa de corrente (mAh). Como o usuário sabe qual taxa de capacidade usar quando testar a bateria? Em conjuntos de baterias que mostram a taxa mAh, alguns fabricantes de baterias podem ter usado a taxa de capacidade de pico. Isso é feito por razões promocionais para fazerem seus conjuntos parecerem ser melhores que os dos competidores. A capacidade de pico é baseada em uma taxa de descarga mais baixa porque a bateria produz leituras mais altas se descarregada lentamente. Para propósitos de garantia, para baterias de NICD, NIMH ou LI-ION, uma descarga de 0,2C ( 5 horas ) deve ser usada para avaliar a capacidade da bateria. Para baterias seladas, deve-se usar uma descarga de 0,05C (20 horas).

Reciclagem das baterias

Apesar da ênfase na pesquisa de bateria ter deslocado da NiCd para tecnologias mais novas, a bateria de NiCd continua sendo uma das baterias recarregáveis mais usadas. Mais de 75 milhões de baterias de NiCd foram vendidas nos Estados Unidos durante o ano 2000. Para onde vão as montanhas de baterias quando gastas? A resposta é: Reciclagem A bateria de Chumbo-Ácido tem conduzido o caminho na reciclagem. Deve se dar crédito à indústria automotiva na organização de maneiras de descarte de baterias de carro gastas. Nos Estados Unidos, 98% de todas as baterias de Chumbo-Ácido são recicladas. Comparado a latas de alumínio (65%), jornal (59%) e garrafas de vidro (37%), as baterias de chumbo-ácido são recuperadas muito eficientemente, devido em parte à legislação. Apenas 1 em 6 famílias na América do Norte reciclam baterias recarregáveis. Ensinar o público a trazer essas baterias para um centro de reciclagem é uma tarefa desafiadora. Proprietários de casas têm a menor taxa de retorno, mas isso deve ser melhorado uma vez que mais locais de reciclagem se tornam disponíveis e a consciência ambiental é mais bem enfatizada.

O descuidado descarte da bateria de NiCd é muito perigoso ao ambiente. Nossos oceanos já estão começando a mostrar traços de cádmio (junto com aspirina, penicilina e antidepressivos), mas a fonte da contaminação é desconhecida. Embora as baterias de NiMH sejam consideradas ambientalmente amigáveis, essa química está também sendo reciclada. O principal derivado é o Níquel, que é considerado semitóxico. A bateria de NiMH também contém um eletrólito que, em grandes quantidades, é perigoso ao ambiente. Se nenhum serviço de descarte estiver disponível em uma área, baterias individuais de NiMH podem ser descartadas junto com outros desperdícios domésticos. As baterias de Lítio não contêm metais tóxicos, contudo, existe a possibilidade de fogo se Lítio metálico for exposto à umidade enquanto as células estão se corroendo. A maioria das baterias de Lítio são não-recarregáveis e são usadas por organizações de defesa. Para descarte apropriado, essas baterias devem ser completamente descarregadas a fim de consumirem todo o Lítio metálico.

As baterias de Lítio-Íon não contêm Lítio metálico e o problema de descarte não existe. A maioria dos sistemas de Lítio, contudo, contém eletrólito tóxico e inflamável. As plantas de reciclagem de baterias requerem que as mesmas sejam separadas de acordo com a química. NiCd, NiMH, Lítio-Íon e Chumbo-Ácido são freqüentemente colocadas em caixas designadas no ponto de coleta. Separar baterias adiciona custo de reciclagem. A média dos consumidores não sabe qual química das baterias está sendo usada. Para a maioria, uma bateria é uma bateria. A logística de coleta, transporte e trabalho para separar as baterias tornam a reciclagem cara. O processo de reciclagem se inicia pela remoção do material combustível, tal como plástico e isolante usando um gás disparado por um oxidante térmico. Os gases do oxidante térmico são enviados para o purificador da planta onde são neutralizados para remover os poluentes. O processo deixa as baterias limpas e “nuas”, que contêm um valioso conteúdo de metal. As baterias então são cortadas em pedaços pequenos, que então são aquecidos até que o metal se liquidifique. As substâncias não metálicas são removidas com o calor. As diferentes ligas se combinam de acordo com seus pesos. O Cádmio é relativamente leve e se vaporiza facilmente em elevadas temperaturas. Em um processo que se parece com uma panela fervendo, um ventilador sopra o vapor de Cádmio para dentro de um grande tubo, que é resfriado com uma névoa de água. Isso faz com que o vapor se condense.

Um nível de pureza de 99,95% de Cádmio pode ser alcançado usando esse método. Os atuais métodos de reciclagem de bateria requerem uma alta quantidade de energia. Isso leva de 6 a 10 vezes a quantidade de energia para recuperar metais de baterias recicladas do que através de outros meios. Um novo processo está sendo explorado, o qual pode ser mais eficaz no custo e na energia. Um método é dissolver as baterias com uma solução reagente. O reagente gasto é reciclado sem formar quaisquer perdas sólidas, líquidas ou atmosféricas. Quem paga pela reciclagem das baterias? Países participantes impuseram suas próprias regras para tornar a reciclagem praticável. Na América do Norte, algumas plantas faturam por peso. As taxas variam de acordo com a química. Sistemas que produzem altas taxas de recuperação de metais têm o preço mais baixo que aqueles que produzem metais menos valiosos. A taxa de reciclagem da bateria de NiCd é muito alta porque a demanda de Cádmio é baixa. O custo de reciclagem de uma bateria alcalina é 33% menor que a de NiCd, porque a bateria alcalina contém ferro valioso. A bateria de NiMH produz o melhor retorno.

Reciclar NiMH produz Níquel suficiente para pagar o processo. Nem todos os países baseiam o custo de reciclagem pela química da bateria; alguns se baseiam apenas em tonelagem. O custo de se reciclar baterias é de aproximadamente 1000 a 2000 dólares por tonelada. A Europa espera alcançar um custo por tonelada de 300 dólares. Idealmente, isso incluiria transporte, contudo, movendo-se a mercadoria, é esperado dobrar o custo total. Por essa razão, a Europa construiu diversos locais menores de processamento em posições geográficas estratégicas. Subsídios significantes são ainda exigidos pelos fabricantes, agências e governos para suportar os programas de reciclagem das baterias. Esses subsídios estão na forma de uma taxa adicionada a cada bateria fabricada.

Cuidado: Sob nenhuma circunstância as baterias devem ser incineradas, o que poderá fazer com que elas explodam.

Importante: Em caso de ruptura, eletrólito vazando ou qualquer outra causa de exposição ao eletrólito, jogue água imediatamente. Se ocorrer exposição aos olhos, molhe-os com água por 15 minutos e consulte um médico imediatamente.

Como é medida a resistência interna da bateria?

Um número de técnicas é usado para medir a resistência interna da bateria. Um método comum é o teste de carga DC, que aplica uma corrente de descarga para a bateria enquanto mede a queda de tensão. Tensão sobre corrente fornece a resistência interna, conforme figura abaixo:

Método DC

O método AC, também conhecido como o teste de condutividade, mede as características eletroquímicas de uma bateria. Essa técnica aplica uma corrente alternada entre os terminais da bateria. Dependendo do tipo de fabricante e do tipo da bateria, a freqüência varia de 10 a 1000 Hz. O nível de impedância afeta o deslocamento de fase entre tensão e corrente e revela a condição da bateria. O método AC funciona melhor em baterias simples. A figura a seguir mostra o deslocamento de fase típico entre tensão e corrente quando uma bateria é  testada.

Método AC

Alguns medidores de resistência AC avaliam somente o fator de carga e se descuidam da informação de deslocamento de fase. Essa técnica é similar ao método DC. A tensão AC que é sobreposta na tensão DC da bateria atua como breves pulsos de carga e descarga. A amplitude da ondulação (Ripple) é utilizada para calcular a resistência interna da bateria. Medição da impedância, sozinha, não fornece uma conclusão definitiva quanto à performance da bateria. As leituras de m? podem variar amplamente e dependem da química da bateria, tamanho da bateria (taxa mAh), tipo de bateria, número de baterias conectadas em série, fiação e tipo de contato. Quando usa o método de impedância, uma bateria com uma performance conhecida deve ser medida e suas leituras usadas como referência. Para melhores resultados, uma leitura de referência deve estar em mãos para cada tipo de bateria. A tabela a seguir fornece uma diretriz para baterias de telefones móveis digitais baseados em leituras de impedância.

Mili-Ohm	Tensão da bateria	Ranking
75-150m?	3.6v	Excelente
150-250m?	3.6v	Bom
250-350m?	3.6v	Regular
350-500m?	3.6v	Pobre
Acima de 500m?	3.6v	Falho

As leituras m? são relacionadas à tensão da bateria. Baterias de tensão maior permitem maior resistência interna porque menos corrente é exigida para entregar a mesma energia. A relação entre tensão e m? não é totalmente linear. Existem certos componentes que estão sempre presentes se a bateria tem uma ou várias células. São eles fiação, contatos e circuitos de proteção. A temperatura também afeta a resistência interna da bateria. A resistência interna de uma bateria de Lítio-íon, por exemplo, mede 50 m? a 25 °C (77°F). Se a temperatura aumenta, a resistência interna diminui. A 40°C (104°C), a resistência interna cai para aproximadamente 43 m? e a 60°C (140°F) para 40 m?. Embora a bateria funcione melhor quando exposta ao calor, a exposição prolongada a elevadas temperaturas é perigosa.

A maioria das baterias fornece um aumento de tensão momentâneo quando aquecidas. Temperaturas frias têm um efeito drástico em todas as baterias. A 0°C (32°F), a resistência interna da mesma bateria de Lítio-Íon cai para 70 m?. A resistência aumenta para 80 m? a -10°C(50°F) e 100 m? a -20 °C (-4°F). As leituras de impedância funcionam melhor com baterias de Lítio-Íon porque a degradação do desempenho segue um padrão linear com oxidação da bateria. O desempenho das baterias de NiMH pode também ser medido com o método de impedância, mas as leituras são menos seguras. A leitura de uma baixa resistência automaticamente não constitui uma boa bateria. Leituras elevadas de impedância são freqüentemente causadas por memória, um fenômeno que é reversível.

Qual a diferença entre resistência interna e impedância?

Os termos “resistência interna” e “impedância” são freqüentemente misturados quando se referem à condutividade elétrica de uma bateria. As diferenças são: a resistência interna vê o condutor a partir de um valor puramente resistivo, ou resistência ôhmica. A maioria das cargas elétricas não é puramente resistiva, elas têm um elemento de reatância. Se uma corrente alternada (AC) for enviada através de uma bobina, por exemplo, uma indutância (campo magnético) será criada, que se opõe ao fluxo de corrente. Essa impedância AC é sempre maior que a resistência ôhmica do cabo de cobre.

Quanto maior a freqüência, maior a resistência indutiva se torna. Em comparação, enviar uma corrente direta (DC) por uma bobina constitui em curto elétrico porque existe apenas uma resistência ôhmica muito pequena. Similarmente, um capacitor não permite o fluxo de corrente direta, mas permite a passagem de corrente alternada. De fato, um capacitor é um componente isolador para corrente contínua. A resistência que está presente quando se envia uma corrente AC fluindo através de um capacitor é chamada de capacitância. Quanto maior a freqüência, menor a resistência capacitiva. Uma bateria como uma fonte de energia combina resistências ôhmicas, indutivas e capacitivas. A figura a seguir representa esses valores resistivos em um diagrama esquemático.

• R o = resistência ôhmica

• Q c = “loop” de fase constante (tipo de capacitância)

• L = indutor

• Z w = impedância de Warburg (movimento da partícula dentro do eletrólito)

• R t = resistência de transferência