Conhecendo as baterias

Conhecendo as baterias

(Parte 1 de 4)

rev. nov.98

nov 97 rev. jun.04

C - 022 DOCUMENTAÇÃO MBT - ENERGIA AUTÔNOMA

Conhecendo as baterias

Dr Michel G. E. Brosset Engª Ghislaine C. Bodereau

MBT COMÉRCIO E REPRESENTAÇÕES LTDA e-mail : mbt@matrix.com.br tel/fax 013 - 3841 6006 / 3841 5010

Introdução

Primeira Parte : carga da bateria

1 - Estudo da operação de carga 2 - Carregadores “inteligentes” 3 - Outros meios de carga

Segunda Parte : funcionamento da bateria

1 - Princípio de funcionamento da bateria 2 - Componentes da bateria 3 - Reações químicas durante o ciclo carga/descarga

4 - Critérios para carregar corretamente a bateria

Terceira Parte : sistema automotivo e sistema de serviço

1 - Sistema automotivo 2 - Sistema de serviço 3 - Usando o sistema automotivo como sistema de serviço

4 - Caso das cargas lente e rápida

Conclusão

descarregadas !”, ou “duram pouco”, ou “...não agüentam a carga”, ou “...pifam logo”, etc..

Nas marinas, nos campings, em fim em todo lugar onde há concentração de veículos, é comum ouvir exclamações exasperadas como : “ as minhas baterias estão novamente As sugestões que inevitavelmente seguem não variam muito :

–instale um segundo alternador, –substitua o alternador por outro mais potente,

–faça carga lenta ( ou rápida ),

–amplie o banco de bateria,

–ponha um alternador para cada banco de bateria,

– etc..

Já se sabe que essas “soluções” não funcionam. Por que ?

Porque há uma diferença fundamental entre o funcionamento do sistema automotivo ( bateria / alternador ), que auxilia os motores de propulsão, e o do sistema “reserva de energia” (bateria de serviço / carregador ). O conhecimento dessa diferença é de primeira importância para o usuário ; a explicação detalhada se encontra na 3ª parte deste documento.

Por falta de informação, muitos donos de barco e marinheiros usam com toda boa fé os aparelhos específicos do primeiro sistema para o segundo ; assim dos alternadores automotivos quase universalmente usados para recarregar a bateria de serviço, o que dá os resultados que sabemos. Por outro lado, o uso de carregadores inadequados é também responsável por muitos problemas.

Este estudo tem como propósito esclarecer o funcionamento da bateria a fim de ver por que as “soluções” listadas acima não dão certo, mostrar as diferenças entre o sistema automotivo e o sistema de serviço e propor soluções mais adequadas.

Para entender as razões de tanta desgraça com as baterias, convém estudar, antes de mais nada, um ciclo de carga correto e ver quais são os pontos fundamentais do processo.

Para carregar uma bateria é preciso introduzir-na uma certa quantidade de

“AmpèresHoras” pelo meio de uma corrente elétrica (corrente de carga). Todavia, a bateria não armazena “AmpèresHoras” passivamente, mas desenvolve uma certa repulsão à corrente de carga. Como consequência, o carregador deve ser programado para se ajustar constantemente às condições da bateria e superar sua resistência. Vamos ver passo a passo como se desenvolve uma operação de carga e quais são as conseqüências.

1 - ESTUDO DA OPERAÇÃO DE CARGA

Vamos acompanhar um ciclo de carga realizado manualmente por um operador (atento e paciente...) que dispõe de um carregador manual com um voltímetro de precisão na faixa 1-15 V, um amperímetro e um botão de regulagem da corrente.

Amperímetro Voltímetro

Botão de regulagem

A bateria que usamos é do tipo ciclável, com capacidade nominal 100Ah, sendo a sua tensão 1,8 V ( bateria quase totalmente descarregada ). Nessa altura, é preciso repor uns 90Ah para carregar a bateria até 100%

Depois de ligar o carregador, o operador regula a corrente de carga em 10 A ( 10% da capacidade nominal, valor comumente escolhido para carregadores manuais ). A tensão sobe e se equilibra num certo valor V1 que depende da carga residual, do estado da bateria, da sua resistência interna, da temperatura, do tipo, etc.).

Após alguns momentos, notamos que a amperagem começa a diminuir e vai diminuindo até zero se nada for feito. A tensão V1 fica mais ou menos estável. Esse fenômeno tem uma explicação : logo que a corrente de carga se estabelece, a tensão interna da bateria cresce ; esta tensão, chamada “tensão contra-eletromotor”, se opõe à do carregador e aos poucos atinge V1, anulando totalmente a ação do mesmo.

Essa primeira tentativa durou uns 20 minutos. A bateria mal armazenou 2 ou 3 Ah e está longe de ser carregada. É evidente que, se o operador não intervir, a bateria não armazenará mais nada. Por conseguinte, é necessário re-estabelecer a corrente ao seu valor inicial de 10 A, girando o botão de regulagem do carregador. A tensão sobe até V2. Como anteriormente, a amperagem não fica estável mas decresce gradativamente, e é preciso girar novamente o botão de regulagem para repor a corrente em 10 A ; a tensão sobe para V3, e assim por diante.

Na prática, para manter a corrente ao valor escolhido, é necessário girar continuamente o botão de regulagem, o que eqüivale aumentar a tensão de carga progressivamente.

Depois de algumas horas, a tensão atinge 14,6 V (nesse momento, a carga da bateria é aproximadamente 80% do valor nominal). De repente, aparece uma mudança importante no comportamento da bateria : o eletrólito comece a borbulhar ( a bateria “ferve” ); o eletrólito se decompõe em oxigênio e hidrogênio. A bateria não aceita mais a carga e a corrente do carregador provoca a eletrólise da solução.

Se reduzirmos um pouco a tensão, para 14,4 V, o fenômeno pára imediatamente.

Vamos então continuar a operação mantendo a tensão em 14,4 V. Basta não tocar mais no botão de regulagem.

Como já sabemos, sob tensão constante a corrente diminui. Depois de 6 a 8 horas, o valor da corrente atinge 1A. Nesse momento, pode-se considerar que a bateria está carregada até 100%.

Uma corrente de 1A é bem pequena, mas é suficiente para manter uma mini-eletrólise, pouco perceptível, que no decorrer do tempo provoca a decomposição do eletrólito. É indispensável reduzir ainda mais a tensão, para 13,6 V (valor descoberto após várias tentativas), a fim de evitar totalmente esse fenômeno. Essa tensão, chamada “tensão de float” ( flutuação ), é ideal para manter uma bateria não utilizada em boa condição ( pode ser entre 13V e 13,8 V dependendo do tipo de bateria ).

Uma bateria não utilizada deve ser mantida carregada. A tensão de ‘float” pode ser aplicada por tempo indeterminado ; a corrente muito fraca é suficiente para compensar as perdas naturais da bateria e mantê-la completamente carregada sem que corresse o risco de ferver ou de ser danificada. Essa fase de “float” é uma vantagem importante oferecida pelos carregadores modernos (“inteligentes”) que podem ficar ligados o tempo todo na bateria sem necessidade de fiscalização.

O experimento descrito acima permite deduzir algumas observações interessantes :

1.É obviamente inviável operar o carregador manual como descrito. O resultado é que o operador deixa a bateria borbulhar, acreditando que está carregando enquanto, na realidade, está se estragando sem armazenar mais carga. É indispensável automatizar o carregador.

2.A operação de carga ideal se divide em 3 fases :

A.Primeira fase : corrente constante : a corrente é mantida constante enquanto a tensão sobe até o ponto quando acontece a decomposição do eletrólito ; ao final desta fase, a bateria acaba carregada entre 75 e 80% da sua capacidade nominal,

B.Segunda fase : tensão constante : a tensão fica a 14,4V enquanto a corrente diminui progressivamente até ~1% da capacidade nominal; nessa fase, a carga da bateria está completada até 100% ; é uma fase demorada, de 8 a 10 horas,

C.Terceira fase* : float : para manter a carga da bateria a 100% durante um tempo indefinido, a tensão do carregador tem que ser rebaixada para 13,8 V a fim de evitar todo risco de eletrólise.

* Na realidade essa fase não é tão simples mas não é do nosso propósito entrar em detalhes que só interessam especialistas. Basta saber que carregadores “inteli- gentes”, tipo STATPOWER TRUECHARGE ou TECSUP HI-TEC, mantenham e preservam as baterias para a maior satisfação do dono.

2 - CARREGADORES “INTELIGENTES”

São chamados “inteligentes” os carregadores cujo programa de carga é de duas ou três fases conforme descrito acima, e que são automáticos ( que não requerem fiscalização permanente ). Existem dois tipos :

A. Carregador tipo “ UUI” ( fig. 1 )

A curva de 3 fases descrita acima é chamada “UUI” ou “duplo UI”. É a mais eficiente, sendo a bateria carregada até 100%. É a curva de funcionamento de todos os carregadores da STATPOWER e da TECSUP, e dos alternadores/ carregadores especiais.

B. Carregador tipo “UI” ( fig. 2 )

Voltando à operação de carga descrita no §1, poderíamos ter verificado durante a primeira fase que, quando a tensão atinge 13,8 V, a bateria já está com 70% da carga nominal. Se iniciarmos a terceira fase naquele momento, é evidente que a bateria não chegará aos 100% ; no fim da operação ficará com aprox. 80% da carga nominal, mas, em compensação, a corrente residual será 0,1 ou 0,2 A, valor sem grande perigo para a bateria. Desse modo, a fase “float” se encontra confundida com a segunda fase.

Baseando-se nessa observação, dá para imaginar um carregador ( ou um regulador de tensão de alternador ) de duas fases, mais simples e mais barato que um de três fases. É o sistema chamado “UI”, ou “simples UI”. É suficiente para aplicações rodoviárias ( o regulador UI é bem mais eficiente que o regulador automotivo usual quando se trata de carregar uma bateria ! ); convém também para barcos de serviço que navegam quase todos os dias.

O regulador BRS da BALMAR é baseado neste princípio.

Fig. 1 Curva de carga "UUI" tensão corrente (tempo)t

Vi 13,8 fase de corrente fase de tensãoconstante(6 a 8 h)fase de "floating" (tempo indefinido) valor da correntede floating < 1A ~1

A corrente de carga inicial depende da potência do carregador ; não é

FUNCIONAMENTO : automático ajustável. A tensão sobe do valor inicial Vi ( tensão da bateria ) até 14,4 V e fica constante. A corrente fica constante até a tensão atingir 14,4 V, em seguida decresce. Quando a corrente passa abaixo de 1 A, a tensão é rebaixada para 13,8V e fica neste patamar ( tensão de "floating" ); a corrente é quase zero.

VANTAGENS : - a bateria pode ser carregada até 100% - não há risco de a bateria ferver

- não requer a presença de um operador

- o carregador pode ficar sempre ligado à bateria não há

80% da carga20% da carga mantem a bateria

constante (1 a 3h) carregada a 100% tensão corrente

13,8 Vi valor da corrente de floating < 1 A

( fase "floating" )

Fig. 2 Curva da carga "UI"

A corrente de carga depende do carregador ; não é ajustável. A tensão sobe

FUNCIONAMENTO :automático do valor inicial Vi ( tensão da bateria ) até 13,8V e fica neste valor. A corrente fica constante durante um tempo e depois decresce antes a tensão atingir 13,8V, impedindo a carga completar 100%.

INCONVENIENTES :o nível de carga na bateria não ultrapassa 70%.

VANTAGENS :- não requer a presença de um operador, - sendo baixa a tensão de float,, não há risco de a bateria ferver,

- o carregador pode ficar sempre ligado à bateria, porém é recomendado verificar o nível do eletrólito cada mês.

Fig. 3 Curva de carga do carregador manual

A 12,6 tensão corrente

Ao início, o operador ajusta a corrente a, por exemplo, 10A, sendo a tensão

FUNCIONAMENTO : manual constante 12,6V. A medida que a resistência interna da bateria cresce, a corrente diminui. O operador reajusta a corrente para 10A. A tensão pula para, digamos, 13V. A corrente diminui, etc.. A regularidade dos patamares e os valores dependem da habilidade do operador.

INCONVENIENTES : - processo muito lento, - presença do operador obrigatória,

- quando a tensão ultrapassa 14,4V, a bateria ferve mas está longe de ser carregada.

Fig. 4 Curva de carga básica de um carregador

A 12,6

0 (tempo)t tensão corrente

O operador ajusta a corrente inicial, por exemplo 10A. A tensão sobe.

FUNCIONAMENTO : semi-automático A corrente cai um pouco. Quando a tensão atingir 14,4V, o carregador corta a alimentação. A tensão cai lentamente, não há mais corrente. Quando a tensão atingir 12,6V, o carregador liga-se novamente, fornecendo novamente a corrente de 10A, etc..

INCONVENIENTES :- pouco eficiente em fim de carga, - a bateria não chega a ser carregada nem até 80%,

- se deixar o carregador ligado, a bateria acaba fervendo,

- requer fiscalização constante.

manual automatizado

3 - OUTROS MEIOS DE CARGA

Os outros tipos de carregadores e os alternadores automotivos comuns não convém para carregar corretamente uma bateria. Vejamos por que :

A. Carregador manual ( fig.3 )

permanenteou acaba logo matando a bateria. Vantagem ( só na compra ) : preço barato ( e nem

Já vemos os inconvenientes deste tipo de aparelho : necessita uma fiscalização sempre ).

B. Carregador semi-automático ( fig. 4 )

É o tipo manual sumariamente automatizado.

Nesse tipo de aparelho, a corrente é mantida constante até a tensão atingir 14,4 V ; naquele momento, a alimentação do carregador está automaticamente desligada. Por conseguinte a tensão da bateria cai progressivamente ; quando atingir ~12,6 V, a alimentação volta a ser ligada. Isso resulta num sistema de pulsações liga-desliga entre 14,4 e 12,6V.

Aparentemente, tal carregador poderia ficar ligado à bateria em permanência sem provocar “fervura”, mas na verdade não pode e, de fato, os fabricantes sérios recomendam uma verificação periódica (pelo menos semanal ) do nível do eletrólito, o que é impossível em baterias seladas ( a MBT já teve problemas com carregadores desse tipo deixados ligados sem fiscalização suficiente ; resultado : baterias estragadas após alguns meses ).

Finalmente, comparado com o carregador manual, o carregador semi- automático representa um avanço, porém limitado :

–não pode ser abandonado por muito tempo sem fiscalização,

–sendo suprimida a fase de tensão constante, a carga final nunca ultrapassará os 70 ou

75% da carga nominal ; por causa disto a bateria perderá definitivamente a capacidade de recarregar até 100% após alguns meses (“memória” da bateria).

C. Alternador automotivo

O alternador automotivo é um péssimo carregador nas condições usuais de uso porque a sua tensão máxima de carga é insuficiente. A tensão do alternador automotivo está regulada de fábrica num valor fixo, 13,6V, enquanto é preciso que a tensão subisse até um valor entre 14,4V e 15,2 V ( o valor exato depende do tipo da bateria) para carregar uma bateria mas isso não é requisito para o funcionamento do sistema automotivo.

1 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA BATERIA

O elemento básico de uma bateria é um conjunto de duas placas, de composições diferentes, mergulhadas num líquido apropriado ( o eletrólito ) e mantidas afastadas uma da outra por um separador de material isolante porém poroso de modo que deixasse passar os íons SO4 e H2 e conseqüentemente a corrente elétrica.

O material ativo da placa positiva é o peróxido de chumbo PbO2. O material ativo da placa negativa é o chumbo metálico Pb sob forma esponjosa. O eletrólito é uma solução de ácido sulfúrico SO4H2 e água H2O.

A dissimetria química entre as duas placas de materiais diferentes gera uma tensão ( voltagem ) de aproximadamente 2 Volts.

LÂMPADA DE 2V

Fig. 5 Esquema de um elemento de 2V

Se ligarmos uma lâmpada de 2V entre as placas positiva e negativa, uma corrente se estabelece, circulando no circuito fechado constituído pela lâmpada, as placas e o eletrólito, e constatamos o seguinte :

- a lâmpada se acende ( circuito exterior ), - no interior da bateria, diversas reações químicas acontecem :

a) o material de cada placa se transforma parcialmente em sulfato de chumbo SO4Pb, b) o eletrólito perde uma parte do seu ácido sulfúrico SO4H2, e a proporção de água H2O aumenta.

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