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Baterias PTC2527 – Anteprojeto de Formatura Guido Stolfi – 05 / 2014 Guido Stolfi 1 / 87 O que é uma Bateria? • Célula Eletroquímica – Converte energia química em elétrica através de reação de óxido-redução • Estrutura: – Anodo: eletrodo negativo, libera elétrons ao circuito externo enquanto é oxidado – Catodo: eletrodo positivo, absorve elétrons do circuito externo enquanto é reduzido quimicamente – Eletrólito: condutor iônico, transfere carga elétrica entre anodo e catodo na forma de íons – Separador: permeável aos íons, evita contato elétrico entre anodo e catodo Guido Stolfi 2 / 87 O que é uma Bateria? • Bateria: – Estritamente, é um conjunto de células associadas em série e/ou paralelo, para aumentar a voltagem e / ou capacidade de energia – Uso coloquial genérico para células secundárias • Pilha: – Denominação genérica, originária da “Pilha de Volta” Guido Stolfi 3 / 87 Origens • Pilha de Volta – Descoberta de Alessandro Volta (Itália, 1800) – “Pilha” de células Zn-H – Anodo: Zinco – Catodo: Cobre ou Prata – Eletrólito: Solução de Ácido Sulfúrico ou água salgada – Separador: Tecido ou papel – Reação anódica: Zn → Zn2+ + 2 e− – Reação catódica: 2 H++ 2 e− → H2 – Voltagem: ~ 0,7 V por célula Guido Stolfi 4 / 87 Célula Partiana (Bagdá, 250 A.C.) Guido Stolfi 5 / 87 Pilhas e Baterias Guido Stolfi 6 / 87 Classificação das Células Eletroquímicas • Célula Primária • Célula Secundária • Célula de Reserva • Célula de Combustível Guido Stolfi 7 / 87 Célula Primária • • • • • • • Reação química irreversível Não são projetadas para (ou não podem) ser recarregadas Alta capacidade específica (Wh / kg ou Wh / cm3) Longa vida em uso e armazenamento Baixo custo, ampla disponibilidade Livres de manutenção Uso geral (“Pilhas Inclusas”) • Ex.: Leclanché (Zn/MnO2), Alcalina (Zn/MnO2 /KOH), Lítio (Li/SO2, Li/MnO2,), Óxido de Prata (Zn/Ag2O), Mercúrio (Zn/HgO) Guido Stolfi 8 / 87 Célula Primária DE + DE CÁTIONS CATODO DE FLUXO ELETRÓLITO ÂNIONS ANODO – Reação anódica (oxidação): Li → Li+ + e− – Reação catódica (redução): MnO2 + e− → MnO2 − – Reação total de descarga: Li + MnO2 → Li+ + MnO2− (LiMnO2) FLUXO - ELÉTRONS FLUXO CARGA • Operação durante a descarga (exemplo): Guido Stolfi 9 / 87 Célula Secundária • • • • • • • Reação química reversível Projetada para ser recarregada invertendo o sentido da corrente Custo maior, porém mais econômicas ao longo do uso Boa capacidade específica (Wh / kg ou Wh / cm3) Alta capacidade de corrente de descarga Menor retenção de carga Uso geral e como armazenamento de energia • Ex.: Chumbo-ácido (Pb/PbO2), Níquel-Cádmio (Cd/NiOOH), Lítio-íon (LiC/LiCoO2), Ferro-níquel (Fe/NiOOH), Sódio-enxofre (Na/S) Guido Stolfi 10 / 87 Célula Secundária DE + DE FLUXO CÁTIONS CATODO DE FLUXO ELETRÓLITO ÂNIONS ANODO – Reação anódica (oxidação): Cd + 2 OH− → Cd(OH)2 + 2 e− – Reação catódica (redução): NiOOH + H2O + e − →OH− + Ni(OH)2 – Reação total de descarga: Cd + 2 NiOOH + 2 H2O → → Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2 - ELÉTRONS FLUXO CARGA • Operação durante a descarga (exemplo): Guido Stolfi 11 / 87 Célula Secundária DE + ELÉTRONS DE DE FLUXO CÁTIONS FLUXO - ELETRÓLITO ÂNIONS ANODO CATODO – Sentido da corrente inverte – Catodo e Anodo trocam de denominação – Reação anódica (oxidação): Ni(OH)2 + OH− → NiOOH + H2O + e − – Reação catódica (redução): Cd(OH)2 + 2 e− → Cd + 2 OH− – Reação total de carga: Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2 → → Cd + 2 NiOOH + 2 H2O FLUXO GERADOR • Operação durante a carga (exemplo): Guido Stolfi 12 / 87 Célula de Reserva • • • • • • • • Célula Primária de Ativação Um dos elementos / reagentes está separado dos demais Ativação por fusão, ruptura de barreira, gás, água do mar etc. Vida extremamente longa em reserva ( 10 ~ 50 anos) Rápida ativação ( milissegundos) Alta capacidade específica Curta vida útil após ativação Uso militar, equipamentos de emergência • Ex.: Magnésio-água (Mg/AgCl + H2O ), Zinco-manganês+água salgada, Zinco-amônia (Zn/PbO2 + NH4SCN), Lítio-clorato (Li + SOCl2), Guido Stolfi 13 / 87 Célula de Reserva Civil: Ativação por Imersão em água salgada Militar: Ativação por Impacto/ centrifuga Guido Stolfi 14 / 87 Célula de Combustível • • • • • Célula Primária Um ou mais dos elementos são inseridos continuamente Eletrodos inertes, em geral catalisadores Em estado experimental em muitos casos Uso aeroespacial, outras aplicações emergentes • Ex.: Hidrogênio-oxigênio (H2 / O2), Metanol-ar (CH3OH / O2) Guido Stolfi 15 / 87 DE FLUXO + PERMEÁVEL H MEMBRANA H2O CATODO + ELÉTRONS ANODO 2 O 2 H – Membrana permeável: Freon + ácido trifluorometanosulfônico – Eletrodos: PTFE / platina / carbono – Reação anódica: – H2 → 2 H+ + 2 e− – Reação catódica: – ½ O2 + 2 H+ + 2 e− → H2O CARGA Célula de Combustível – Reação total de descarga: H2 + ½ O2 → H2O Guido Stolfi 16 / 87 Características Gerais das Células Eletroquímicas Guido Stolfi 17 / 87 Voltagem da Célula Potencial eletromotivo padrão para reações químicas Oxidante Eo (V) Redutor Oxidante Eo (V) Redutor F2 +2.87 F- H3O+ 0.00 H2 (g) S2 +2.10 SO42- CH3CO2H -0.12 CH3CHO MnO4- +1.69 MnO2 Pb2+ -0.13 Pb MnO4- +1.51 Mn2+ Sn2+ -0.14 Sn Au3+ +1.50 Au Ni2+ -0.23 Ni PbO2 +1.45 Pb2+ Cd2+ -0.40 Cd Cl2 (aq) +1.39 Cl- Fe2+ -0.44 Fe Cr2O72- +1.33 Cr3+ Zn2+ -0.76 Zn O2 (g) +1.23 H2O Al3+ -1.66 Al Br2 +1.07 Br- Mg2+ -2.37 Mg NO3- +0.96 NO(g) Na+ -2.71 Na Ag+ +0.80 Ag Ba2+ -2.90 Ba Fe3+ +0.77 Fe2+ K+ -2.92 K I2 (aq) +0.62 I- Li+ -3.02 Li Cu2+ +0.34 Cu CH3CHO +0.19 CH3CH2OH SO42- +0.17 SO2 S4O62- +0.09 S2O32Guido Stolfi 18 / 87 c R p c CARGA Vout o E I e R R Circuito Equivalente da Célula • E0 = Voltagem teórica, depende dos materiais do anodo e catodo, do eletrólito e da temperatura • Re = Resistência de condução do eletrólito (iônica) e dos eletrodos (ôhmica) • Rp = Polarização de ativação (energia necessária para vencer a polarização dos eletrodos) • Rc = Polarização por concentração (devida à variação de concentração dos íons na vizinhança dos eletrodos) Guido Stolfi 19 / 87 c R p c CARGA Vout o E I e R R Circuito Equivalente da Célula Guido Stolfi 20 / 87 Descarga da Célula • À medida que os reagentes são consumidos: • Tensão em aberto diminui pouco • Tensão em carga diminui mais • Resistência interna aumenta Guido Stolfi 21 / 87 Efeito da Temperatura • À medida que a temperatura aumenta: • Capacidade total aumenta • Resistência interna diminui • Corrente de fuga (auto-descarga) aumenta Guido Stolfi 22 / 87 Capacidade de uma Bateria – Vida útil: enquanto a tensão em operação estiver acima da tensão final – Tensão final: ponto a partir do qual a energia disponível cai rapidamente, ou – Ponto a partir do qual a bateria perde capacidade de recarga (células secundárias) – Capacidade total: pode ser medida em A.h, W.h ou Joules (1 W.h = 3600 J) – Capacidade efetiva pode ser muito menor que a capacidade teórica (calculada a partir da energia química dos reagentes) Guido Stolfi 23 / 87 Capacidade Específica de uma Bateria – Energia disponível em relação à massa da bateria (em comparação com outras formas de energia) Material Energia (J / kg) Pilha alcalina, Lítio-íon 5 x 105 Bateria Chumbo-ácido 1,8 x 105 Célula de Combustível H2 5 x 106 ~ 3 x 105 Gasolina, GLP 4,6 x 107 Urânio (Fissão nuclear) 8 x 1013 • Capacidade efetiva depende da forma de descarga Guido Stolfi 24 / 87 Descarga com Resistência Constante L R Vcc 1,5 1,5 1 B R Ex.: Lanterna, rádio de pilha, etc. Desempenho varia ao longo do tempo Descarga mais rápida no início e lenta no final Guido Stolfi 25 / 87 Descarga com Corrente Constante c A Vcc 1,5 0,8 1 B I Ex.: Circuito com regulador de tensão linear Desempenho constante ao longo do tempo Descarga mais rápida Guido Stolfi 26 / 87 Descarga com Potência Constante o W Vcc 1,5 1 1 B P Ex.: Circuito com regulador de tensão chaveado Desempenho constante ao longo do tempo Descarga acelerada no final Guido Stolfi 27 / 87 Modos de Descarga – Para mesma potência disponível no final da vida da célula, o modo de descarga com potência constante possui a maior eficiência (maior vida útil da carga da bateria). – Capacidade da bateria depende do modo de descarga. Guido Stolfi 28 / 87 Curvas de Descarga de Células Tipos: P = Primária S = Secundária Guido Stolfi 29 / 87 Efeito da Temperatura Guido Stolfi 30 / 87 Auto Descarga (Vida Útil de Prateleira) Guido Stolfi 31 / 87 Áreas de Aplicação das Baterias Guido Stolfi 32 / 87 Capacidades Práticas e Teóricas Guido Stolfi 33 / 87 Células Primárias Guido Stolfi 34 / 87 Células Primárias Tipo Características Aplicações Zn-C / NH4Cl (Zn-MnO2, Leclanché) Baixo custo, variedade de tamanhos Brinquedos, lanternas, produtos de consumo de vida útil curta Zn-MnO2+KOH (Alcalina) Excelente capacidade, custo moderado, elevada vida útil Uso geral em equipamentos portáteis, sem fio, altas e baixas temperaturas Lítio Alta capacidade, longa vida útil e de prateleira Backup de memórias RAM, relógios Zn-Ag2O (Prata) Maior capacidade por peso, descarga com tensão constante Relógios, próteses auditivas Guido Stolfi 35 / 87 Curvas de Descarga Pilhas tamanho AA Guido Stolfi 36 / 87 Pilha Leclanché Guido Stolfi 37 / 87 Pilha Alcalina Guido Stolfi 38 / 87 Pilha de Zinco - Prata Descarga com resistência constante Guido Stolfi 39 / 87 Células de Lítio Eletrólito sólido: Li-LiI(Al2O3)/PbI2/Pb (1,9V) etc. Catodo sólido: Li-MnO2 (3,0V) , Li-FeS2 (1,5V), Li-CuO (1,5V) etc. Catodo Solúvel: Li-SO2 (3,0V), Li-SOCl2 (3,6V), Li-SO2Cl2 (3,9V) etc. Guido Stolfi 40 / 87 Curvas de Descarga Célula Li-SOCl2 (3,6V), tamanho “D”, Guido Stolfi 41 / 87 Curvas de Descarga – Células tipo “Moeda” Células Li-MnO2 (3,0V), tamanho CR2032 Guido Stolfi 42 / 87 Capacidade x Corrente x Temperatura Células Li-MnO2 (3,0V), tamanho CR2032 Guido Stolfi 43 / 87 Células Secundárias Guido Stolfi 44 / 87 Células Secundárias Tipo Chumbo-ácido Níquel-Cádmio Níquel – Hidreto Metálico Características Aplicações Baixo custo, bom desempenho em baixas temperaturas, alta capacidade de descarga Veículos, “No-Breaks”, energia solar/eólica, barcos Baixo custo, bom desempenho em baixas temperaturas, longa vida útil Ferramentas portáteis, equipamentos de comunicação, substituição de pilhas alcalinas Selada, capacidade maior, menores problemas ecológicos Idem, veículos elétricos, aparelhos de consumo Guido Stolfi 45 / 87 Células Secundárias Tipo Características Aplicações Níquel - Ferro Durável, longa vida, alta robustez, baixa capacidade específica Aplicações estacionárias, material ferroviário Níquel - Hidrogênio Longa vida com descargas profundas Aeroespaciais, satélites Níquel – Zinco Alta capacidade específica, longa vida Veículos elétricos Alta capacidade específica, longa vida, carga rápida Equipamentos e ferramentas portáteis, veículos elétricos, aeroespaciais Lítio - Íon Guido Stolfi 46 / 87 Curvas de Descarga Guido Stolfi 47 / 87 Efeito da Temperatura Guido Stolfi 48 / 87 Vida Útil com Descarga Profunda Guido Stolfi 49 / 87 Curvas de Carga Carga a corrente constante Guido Stolfi 50 / 87 Métodos de Carga Recomendados Tipo Método recomendado Corrente de carga (xC) Tolerância a sobrecarga Faixa de temperatura Eficiência (Wh, %) Li - Ion CC, TC 0,2 Não -20 ~ +50 95 Pb - PbO CC, TC 0,07 Boa -40 ~ +50 75 Ni - Cd CC, TC 0,2 M. boa -50 ~ +40 60 “ selada CC 0,1 ~ 0,3 M. boa 0 ~ 40 60 Ni – Zn CC, TC 0,1 ~ 0,4 Boa -20 ~ +40 70 Ag - Zn CC 0,05 ~ 0,1 Fraca 0 ~ +50 75 Zn – MnO2 TC 0,01 ~ 0,2 Boa +10 ~ +30 60 CC = Corrente Constante TC = Tensão Constante Guido Stolfi 51 / 87 Célula Chumbo - Ácido Guido Stolfi 52 / 87 Curvas de Descarga (Baterias seladas) Guido Stolfi 53 / 87 Método de Recarga • • • • • • Corrente constante 0,1 x C (carga total em 12 h) (*) Corrente constante em duas etapas (8 h) Tensão constante (2,35V) com limitação de corrente (5h) Carga pulsada (medição de tensão sem carga) Compensação da auto descarga, a 0,01 x C Flutuação, tensão constante, ~0,15V acima da tensão em aberto (**) (*) (**) Guido Stolfi 54 / 87 Célula de Níquel - Cádmio Descarga para célula tamanho AA (650 mAh) RC, CC, PC Guido Stolfi 55 / 87 Célula de Níquel - Cádmio Carga de célula Ni-Cd selada Guido Stolfi 56 / 87 Métodos de Carga a) Tensão quase constante (carga com resistor) a) Controle por tempo b) Controle por temperatura c) Controle por queda de tensão (-10 mV) Guido Stolfi 57 / 87 Baterias Automotivas Ni - MH Módulos de 320V, 30 kWh (~ 10 litros de gasolina) Guido Stolfi 58 / 87 Células Secundárias de Lítio Características particulares: a) Alta densidade de energia e baixo peso (150 Wh/kg, 400 Wh/litro) b) Células de alta voltagem (até 4 V) c) Vida de prateleira longa (5 a 10 anos) d) Capacidade de corrente moderada e) Baixo desempenho em temperaturas reduzidas f) Baixa vida em número de ciclos g) Perigo de explosão Guido Stolfi 59 / 87 Célula de Lítio – Polímero Laminada Guido Stolfi 60 / 87 Curvas de Carga – Li-Ion Carga a corrente constante (1 x C) até 4,2 V (20 oC), depois tensão constante por 2 horas Guido Stolfi 61 / 87 Outras Aplicações Sistema de armazenamento de energia de 48 MWh (170 GJ) usando baterias de sódio / enxofre (alta temperatura) (NGK, Ohito, Japão) Guido Stolfi 62 / 87 Uso de Baterias em Circuitos Eletrônicos Guido Stolfi 63 / 87 Série Série-paralelo Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 NTC 8 B 4 B 8 B 4 B 4 B Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 7 B 3 B 7 B 3 B 3 B 2 F 1 F Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 6 B 2 B 6 B 2 B 2 B Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 Vcc 3 5 B 1 B 5 B 1 B 1 B +12V +12V +12V C T P Baterias (Associações de Células) Série-paralelo com Diodos de proteção, fusíveis etc. Guido Stolfi 64 / 87 Reguladores para uso com baterias • Situações a serem consideradas: 1- Voltagem final da bateria é maior que a tensão de trabalho da carga 2- Voltagem máxima (inicial e/ou em carga) é menor que a tensão de trabalho da carga 3- Voltagem máxima é maior e tensão final é menor que a tensão de trabalho 4- Carga suporta voltagem máxima e mínima da bateria. Guido Stolfi 65 / 87 1,224V = VFB mA 100 < Iout 1 6 4 u 0 k 4 4 2 R NR/FB k D N G 1 B 0 5 1 TPS736901 2 Vcc 9 5,4V = 0,9 x 6 = MIN Vin N E L R 1 R 3 9,6V = 1,6 x 6 = Max Vin Vcc 5,0 = Vout T U O V 5 VIN 1 1 U 0,1V > dropout V 1 – VBAT > VLOAD Ex.: Regulador linear LDO (Low Drop-Out) (corrente constante) Guido Stolfi 66 / 87 1 – VBAT > VLOAD N 1 L R 1 R 2 R u 0 1 N O OFF 2 NR/FB 4 Vcc 9 B L VIN u 0 1 5 O 1 1 U Ex.: Regulador Chaveado (“Buck” ou “Step-Down”) (potência constante) Guido Stolfi 67 / 87 2 – VBAT < VLOAD 1 Vcc 5,0 = VIN u 0 L R u 0 2 W 1 R 2 R MC34063 NR/FB 4 Vcc 2,8V = MIN Vin 3 S 1 B 1 V 3,6 = Max Vin 1 5 Vout 1 U L D Ex.: Regulador Chaveado (“Step-Up”) (potência constante) Guido Stolfi 68 / 87 u 0 1 C11 MSD7342-103 u 0 1 n 3 3 D10 5 4 2 W S D N G R19 4 10,0k 1 ADP1612 8 C 3 C10 9 C p 0 3 3 1 T 1 D VIN N E u 0 1 6 3 k 0 1 R18 FRQ B F 7 2 6 C Vcc 3,3 = Vout S S COMP 8 1 2,4V = MIN Vin 6 U Vcc 3 16,9k 1 B 5,5V = Max Vin R16 u 0 1 D D V k 0 1 R14 3 – VBAT MIN < VLOAD < VBAT MAX Ex.: Regulador SEPIC (“Single Ended Primary Inductance Converter”) Guido Stolfi 69 / 87 3 – VBAT MIN < VLOAD < VBAT MAX W S 1 1 u 0 Vcc 5,0 = Vout u 0 1 R 1 VCC NR/FB L 2 R Vcc 6 3,6V = 0,9 x 4 = MIN Vin VREF 1 B 1 D 6,4V = 1,6 x 4 = Max Vin VIN U Ex.: Regulador Chaveado Inversor (bateria não aterrada) Guido Stolfi 70 / 87 4 – VBAT MIN > VLOAD MIN e VBAT MAX < VLOAD MAX – Desempenho do equipamento pode sofrer variação ao longo da vida da bateria – Variação de desempenho indica estado de carga – Equipamento deve prever situação além do fim da vida útil – Casos típicos: relógio, calculadora, circuitos analógicos simples – Considerar tecnologias específicas de baterias com tensão de descarga constante Guido Stolfi 71 / 87 Reguladores para uso com baterias Considerações: – Corrente quiescente do regulador – Queda de tensão em diodos – Proteção por sub-tensão (“Under-Voltage Lockout”) em baterias secundárias – Função ON / OFF integrada ao regulador – Custo x Eficiência Guido Stolfi 72 / 87 1 C 4 D N G SDA 1 Vcc 3 B M41T0 k 1 N 3 T U O X O F u 5 1 R 1 SCL 6 1 D 32kHz 2 XIN 1 X 1 U 7 VCC 8 2 D VCC Baterias de Back-up Ex.: Bateria de Li-MnO2, 170 mAh Corrente consumida pelo relógio: 5 uA Guido Stolfi 73 / 87 Medição de Estado de Carga Problema: determinar a carga residual em uma bateria – Voltagem x temperatura – Contabilidade de Carga entrando / saindo – Medição de impedância – Identificação do tipo de bateria – Identificação de número de células – Detectar células em curto Guido Stolfi 74 / 87 Exemplo de Dispositivo para Medição Guido Stolfi 75 / 87 Identificação de Estado de Operação Guido Stolfi 76 / 87 Circuito para Controle de Carga Guido Stolfi 77 / 87 Circuito para Controle de Carga Guido Stolfi 78 / 87 Referências • David Linden, “Handbook of Batteries” – McGraw-Hill • Texas Instruments, “Battery Management Solutions” • Battery University – batteryuniversity.com • Unipower – Data Sheets Guido Stolfi 79 / 87