Fbio Miguel de Oliveira Pereira

Licenciado em Cincias da Engenharia Electrotcnica e de Computadores

Sistema automtico de vigilncia de nvel de baterias em veculo autnomo

Dissertao para obteno do Grau de Mestre em Engenharia Electrotcnica e de Computadores

Orientador: Pedro Alexandre da Costa Sousa, Professor Doutor, Faculdade de Cincias e Tecnologia da

Universidade Nova de Lisboa

Co-orientador: Joo Paulo Pimento, Professor Doutor, Faculdade de Cincias e Tecnologia da

Universidade Nova de Lisboa

Jri:

Presidente: Prof. Doutor Jos Antnio Barata de Oliveira Arguente: Prof. Doutor Stanimir Soyanov Valtchev

Vogais: Prof. Doutor Pedro Alexandre da Costa Sousa Prof. Doutor Joo Paulo Branquinho Pimento

Setembro 2013

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Sistema automtico de vigilncia de nvel de baterias em veculo autnomo

Copyright Fbio Miguel de Oliveira Pereira, FCT/UNL, UNL

A Faculdade de Cincias e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa tm o direito,

perptuo e sem limites geogrficos, de arquivar e publicar esta dissertao atravs de

exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio

conhecido ou que venha a ser inventado, e de a divulgar atravs de repositrios cientficos e de

admitir a sua cpia e distribuio com objectivos educacionais ou de investigao, no

comerciais, desde que seja dado crdito ao autor e editor.

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v

Agradecimentos

Desde o incio do meu curso superior, contei com a confiana e o apoio de inmeras

pessoas e instituies que, de uma forma ou de outra, me ajudaram a atingir os diversos

objectivos a que me propus, e sem as quais esta Dissertao no teria sido possvel.

Em primeiro, gostaria de agradecer ao meu orientador, o Professor Pedro Alexandre

Sousa e ao meu Co-orientador, o Professor Joo Paulo Pimento, pela pacincia demonstrada

ao longo do meu percurso na Holos.

A todos os professores do Departamento de Engenharia Electrotcnica pela partilha de

saber, que levou directa ou indirectamente, realizao desta dissertao.

Queria deixar tambm um agradecimento a todos os meus colegas da Holos S.A. pela

partilha de conhecimentos e ajuda na realizao do trabalho, num ambiente de boa disposio.

Um agradecimento tambm aos restantes amigos e aos criados aqui nesta instituio,

pois foi com eles que convivi e vivi (Repblica dos bananas) bons momentos de

companheirismo.

Por fim, mas com especial relevo, um grande obrigado aos meus pais por todo o apoio

dado ao longo destes anos pois, sei que nem sempre foi fcil e a eles se deve em muito a

pessoa que hoje sou. Um agradecimento tambm a toda a minha restante famlia e amigos que

sempre me acompanharam ao longo de todo este percurso e, por tudo o que vai para alm do

mesmo.

A todos vs, muito obrigado!

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Sumrio

As baterias electroqumicas (daqui em diante descritas como apenas baterias, apesar de

existirem outros tipos das mesmas) tm a propriedade de conseguirem acumular energia que

posteriormente pode alimentar um circuito elctrico com a ausncia de uma ligao rede

eltrica, permitindo ento uma maior mobilidade do mesmo. Graas a este tipo de dispositivo

torna-se possvel o uso de ferramentas, veculos, e inmeros outros dispositivos elctricos em

locais onde no existem ligaes rede elctrica sem que haja a necessidade do transporte de

um gerador elctrico, o que facilita e agiliza em muito a execuo do respetivo trabalho. Esse

facto aumentou a mobilidade dos equipamentos de tal forma que actualmente todos os

equipamentos que tm necessidade de serem mveis o so graas s baterias.

Visto que as baterias so parte importante do nosso quotidiano tornou-se ento

importante estud-las de forma a torn-las o mais eficiente possvel, dado o reduzido tempo de

vida til destes dispositivos.

Nesta dissertao estuda-se a bateria, nomeadamente os seus ciclos de carga e

descarga e as formas mais indicadas de a carregar/descarregar sem que se ultrapassem os

limites impostos pela sua capacidade e pelas respectivas reaces qumicas responsveis pela

capacidade de armazenar a carga.

So analisados os grficos respectivos aos ciclos de forma a entender como a bateria

vai reagindo entrada/sada da carga. Com esses dados pretende-se optimizar o uso dessa

mesma bateria de modo a aumentar o seu tempo de vida, o que traz grandes vantagens para o

meio ambiente pois existem diversos problemas associados ao depsito das mesmas quando

atingem o seu final de vida til. Este de facto um dos grandes problemas das baterias, visto

que a reciclagem dos materiais compsitos das mesmas extremamente difcil de realizar.

Palavras-chave:

Bateria elctrica; ciclos carga-descarga, state of charge

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ix

Abstract

The electrochemical batteries (hereafter described only as batteries, although there are

other types of) have the property that they can accumulate energy that can then subsequently

drive an electrical circuit in the absence of a connection to the grid, allowing greater mobility.

With this kind of device it is possible the use of tools, vehicles, and numerous other electrical

devices in places where there are no connections to the power grid without the need of

transporting an electrical generator, which greatly facilitates and expedites the execution of the

respective work. This fact increased the mobility of devices so that all devices which currently

need to be mobile are so due to the batteries. Since the batteries are an important part of our

daily lives it has become important to study them in order to make them as efficient as possible,

given the limited lifetime of these devices (due to repeated cycles of charging and discharging)

This dissertation studies the battery, including its charging and discharging cycles and the best

suited ways to charge/discharge it without exceed the limits imposed by their ability and by their

chemical reactions responsible for the ability to store charge. Graphs will be analyzed

corresponding to the charging cycles in order to understand how the battery will react to the

entry/exit of the charge. These data can be used to optimize the use of the battery in order to

increase its lifetime, which brings great advantages for the environment because there are

several problems associated with its disposal when they reach the end of their useful life. This is

indeed a major problem of the batteries, since the recycling of their composing material is

extremely difficult to accomplish.

Keywords:

Electric battery, charge/discharge cycles, "state of charge"

x

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ndice de Matrias

1 Introduo .................................................................................................................. 1

1.1 Motivao .............................................................................................................. 1

1.2 Tecnologias existentes .......................................................................................... 3

1.2.1 Teste convencional de descarga de baterias sobre cargas artificiais ........... 3

1.2.2 Medio da resistncia interna usando mtodo AC ...................................... 4

1.2.3 Coup de fouet ................................................................................................ 4

1.2.4 Integrao da corrente .................................................................................. 4

1.2.5 Usando baterias inteligentes ......................................................................... 5

1.3 Descrio do problema.......................................................................................... 6

1.4 Metodologia seguida ............................................................................................. 7

1.5 Organizao da dissertao .................................................................................. 8

2 Estado da arte ......................................................................................................... 11

2.1 Clula Galvnica ................................................................................................. 13

2.1.1 Descarga ..................................................................................................... 14

2.1.2 Carga ........................................................................................................... 18

2.2 Estrutura interna da bateria ................................................................................. 20

2.2.1 Rectangulares ............................................................................................. 20

2.2.2 Cilndricas .................................................................................................... 21

2.3 Capacidade ......................................................................................................... 22

2.4 Taxa de descarga ................................................................................................ 24

2.5 Profundidade de descarga (D.O.D) ..................................................................... 24

2.6 Resistncia interna .............................................................................................. 26

2.7 Estado de carga (S.O.C) ..................................................................................... 30

2.7.1 Utilizando a qumica .................................................................................... 31

2.7.2 Medindo a tenso ........................................................................................ 31

2.7.3 Integrando a corrente .................................................................................. 32

2.8 Razes que levam diminuio da capacidade ................................................. 32

2.9 Auto descarga ..................................................................................................... 33

2.10 Associao de baterias ................................................................................... 33

2.10.1 Baterias em paralelo ................................................................................... 34

xii

2.10.2 Baterias em srie ........................................................................................ 36

2.10.3 Compostas (srie paralelo) ......................................................................... 37

3 Desenvolvimento de prottipo ................................................................................. 39

3.1 Carregador de baterias do tipo SLA .................................................................... 42

3.1.1 Uso de PIC .................................................................................................. 44

3.1.2 Uso do UC3906 ........................................................................................... 45

3.1.3 Construo de carregador Mk1 ................................................................... 50

3.1.4 Construo do carregador Mk2 ................................................................... 51

3.1.5 Alimentao do circuito carregador de baterias .......................................... 52

3.1.6 Circuito de descarga de baterias ................................................................. 53

4 Resultados obtidos .................................................................................................. 57

4.1 Resultados obtidos com a descarga ................................................................... 57

4.2 Resultados obtidos durante a carga .................................................................... 60

4.3 Impacto da descarga profunda ............................................................................ 60

4.4 Alterao das baterias do robot .......................................................................... 63

5 Implementao ........................................................................................................ 65

5.1 Descrio do sistema .......................................................................................... 65

6 Concluses e trabalho futuro .................................................................................. 69

7 Bibliografia ............................................................................................................... 71

xiii

ndice de Figuras

Figura 2.1.1:Interior simplificado de uma clula. .............................................................. 13

Figura 2.1.2: Fluxo de electres ....................................................................................... 17

Figura 2.2.1:Composio real interna da bateria rectangular ........................................... 20

Figura 2.2.2: Corte de clula de bateria real cilndrica ..................................................... 21

Figura 2.6.1: Esquema aproximado de uma bateria real em vazio .................................. 26

Figura 2.6.2: Esquema aproximado de uma bateria real em carga.................................. 27

Figura 2.10.1: Associao de baterias em paralelo .......................................................... 34

Figura 2.10.2:Circuito elctrico equivalente de duas fontes em paralelo ......................... 35

Figura 2.10.3: Associao de baterias em srie ............................................................... 36

Figura 2.10.4:Circuito elctrico equivalente de duas fontes em srie .............................. 36

Figura 2.10.5:Circuito elctrico composto (srie paralelo) ............................................... 37

Figura 3.1.1: Diagrama de blocos simplificado do carregador de baterias ...................... 44

Figura 3.1.2: Transformador Buck, usando PIC ............................................................... 45

Figura 3.1.3: UC3906 num dual level float charger alterado ............................................ 46

Figura 3.1.4: Representao dos diferentes patamares de carga disponveis com a

anterior configurao (fig 2.8) ..................................................................................................... 48

Figura 3.1.5: Dimensionador de resistncias para UC3906 ............................................. 49

Figura 3.1.6: Prottipo provisrio do carregador de baterias ........................................... 50

Figura 3.1.7: Desenho da verso final da placa ............................................................... 51

Figura 3.1.8: Construo da placa de circuito impresso ................................................... 51

Figura 3.1.9: Verso final do carregador de baterias ....................................................... 52

Figura 3.1.10: Fonte de tenso com ligao srie ............................................................ 52

Figura 3.1.11: Circuito de descarga das baterias ............................................................. 53

Figura 3.1.12: Diagrama elctrico do novo circuito de descarga das baterias ................. 54

Figura 3.1.13: Circuito real de descarga de baterias ........................................................ 54

Figura 3.1.14:Detalhe do circuito de descarga de baterias .............................................. 55

Figura 5.1.1:Aspecto da aplicao da capacidade sobre a aplicao base ServRobot ... 67

Figura 5.1.2:Diferentes patamares de carga .................................................................... 68

xiv

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xv

ndice de tabelas

Tabela 1:Vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de testes s baterias............... 5

Tabela 2:Caractersticas das baterias .............................................................................. 12

Tabela 3:Profundidade de descarga versus nmero de ciclos a 25c (77F) SLA [38] .... 25

Tabela 4:Capacidade em funo da corrente de descarga [34] ....................................... 59

xvi

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xvii

Lista de Acrnimos

AC Corrente Alternada (Alternated Current)

Banco Conjunto de baterias conectadas entre si resultando numa bateria equivalente

com caractersticas diferentes da bateria individual.

DC Corrente Contnua (Direct Current)

D.O.D Denominao para profundidade de descarga (Depth of Discharge)

H Smbolo qumico do elemento hidrognio

Corrente [ ]

Pb Smbolo qumico do elemento chumbo

pH Potncia de hidrognio

SLA Denominao para baterias de cidochumbo seladas (Sealed Lead Acid)

SO4 Sulfato

S.O.C Quantidade de carga presente na bateria (State Of Charge)

S.O.H Denominao de estado de conservao (State of Health)

Sulfatar Processo de cobrir algo com sulfato (aspergir)

Fora Electromotriz [V]

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1

1 Introduo

1.1 Motivao

O aquecimento global uma das questes eminentes da actualidade que poder

diminuir com a reduo da utilizao de combustveis fsseis. O prprio nome, fssil, indica

que estes demoram imenso tempo a formar. As reservas que agora consumimos foram

formadas h cerca de 150 milhes de anos e estima-se que durem at 2051 no caso do

petrleo, um pouco mais para o carvo e gs natural [1]. Este facto, aliado poluio que a

queima dos mesmos produz, tem agilizado a procura por solues e alternativas.

Como forma de combater esse consumo tm surgido medidas polticas especialmente

destinadas reduo da dependncia dos mesmos. Entre essas medidas encontra-se o

estabelecimento de quotas de emisso de poluio [2], que so calculadas para cada pas,

mediante a sua dimenso, economia, desenvolvimento industrial, entre outros. Estas quotas

so aplicadas aos pases membros que, atravs da imposio de coimas aquando da sua

transposio, tentam restringir as emisses de gases com efeito de estufa aos nveis

previamente acordados. Os pases que tm este tipo de acordo tentam cumprir com os nveis e

fazem-no atravs do apoio produo de energia elctrica com base nas energias renovveis

(tais como as hdricas, elicas, solares, entre outras) e atravs da imposio de melhorias na

eficincia das centrais termoelctricas j existentes, porque a produo de energia elctrica

atravs da queima de combustveis fsseis nas centrais termoelctricas clssicas um

processo pouco eficiente e resulta na emisso de elevados nveis de gases para a atmosfera.

Em resposta ao fraco desempenho das centrais termoelctricas clssicas e s

exigncias das quotas surgem ento as centrais termoelctricas de ciclo combinado que,

embora mais complexas, trazem grandes vantagens em termos de eficincia, tendo um

rendimento bastante superior, o que permite ter os mesmos nveis de produo elctrica com

menores emisses de poluentes [3] [4] [5].

Outra fatia importante no consumo de combustveis fsseis deve-se aos motores de

combusto interna presentes nos automveis. Surgiram tambm medidas que visam a

diminuio de circulao dos mesmos atravs de ajuda financeira na troca de veculos antigos

por modelos mais recentes e portanto mais eficientes e amigos do ambiente. Esta ajuda

financeira tem um peso ainda maior caso a troca seja feita para veculos de locomoo

totalmente elctrica, pois estes ltimos so os que proporcionam deslocaes com a menor

pegada ambiental [6] [7]. Devido a um conjunto de circunstncias tais como, as ajudas

oferecidas pelos governos, obrigao de repensar os gastos, e ao design cada vez mais

inovador e apelativo dos automveis elctricos, tem-se conseguido mudar as mentalidades dos

condutores fazendo com que estes passem a dar primazia ao consumo face potncia dos

seus automveis o que, por sua vez, tem levado ao crescimento do mercado associado aos

veculos hbridos ou totalmente elctricos.

2

Nos automveis (de combusto interna, hbridos, ou totalmente elctricos) alia-se a

mobilidade necessidade de energia elctrica. Surge portanto a necessidade de possuir a

bordo um dispositivo, capaz de acumular energia elctrica, para que esta possa ser utilizada

para alimentar os diversos componentes presentes no veculo. Este dispositivo a bateria.

Esta dimensionada de acordo com as necessidades especficas de cada veculo, pois no

caso dos veculos de combusto interna esta utilizada para dar arranque ao motor de

combusto (que posteriormente responsvel pela locomoo do veculo e recarga da bateria)

enquanto que nos veculos elctricos a bateria tem de armazenar mais energia pois alimenta

todo o automvel incluindo o(s) motor(es) elctrico(s) que promovem a deslocao do veculo.

Como as exigncias feitas bateria variam de acordo com o tipo de veculo existe a

necessidade de adaptar a bateria funo que esta desempenha. Desta forma existem

baterias que, devido s suas diferentes caractersticas internas, se tornam mais indicadas para

determinados veculos. Como os veculos de combusto so menos exigentes com a sua

bateria opta-se por equipar os mesmos com uma bateria de cido-chumbo que, face de ies

de ltio utilizada nos hbridos e elctricos, tem uma menor densidade de energia, um ciclo de

vida menor, demora mais tempo a carregar mas que em mdia quatro vezes mais barata que

a de ies de ltio. J nos automveis hbridos e totalmente elctricos h a necessidade de uma

bateria que oferea uma grande capacidade de armazenamento de energia, portanto o volume

e o peso da mesma passam a ser factores a considerar. Desta forma os fabricantes destes

veculos equipam os mesmos com baterias de ies de ltio minimizando assim o espao

ocupado pela bateria bem como o peso da mesma, o que se traduz num maior conforto e

autonomia custa porm de um preo mais elevado.

A bateria ento uma pea fundamental no ramo automvel, tendo ainda maior peso

nos veculos totalmente elctricos. Como tal, estes dependem em muito da tecnologia e estado

de conservao das baterias, que, aos dias de hoje uma das principais limitaes ao

crescimento do mercado de automveis elctricos pois a sua capacidade tem impacto directo

na autonomia dos veculos. Os automveis elctricos demoram, tipicamente, horas [8] a

efectuar uma carga, o que comparando com os 10 minutos que se demora a atestar um

automvel com um combustvel fssil, uma enorme desvantagem, alm de que, muitos

pases no tm ainda uma rede de abastecimento direcionada aos veculos elctricos, to

completa como a dos fornecedores de combustveis fsseis.

Existem em curso projectos [9][10][11] que visam a diminuio do tempo de carga da

bateria, bem como um aumento da sua capacidade [12], no entanto, at aos dias de hoje, essa

reduo implica tambm uma reduo do tempo de vida da mesma, isto porque esse tipo de

carga rpida recorre normalmente a nveis de corrente superiores aos normalmente usados

nas cargas ditas lentas o que tendencialmente leva a um maior aquecimento e desgaste das

baterias. O caminho para se conseguir diminuir o tempo de carga das baterias passa pelo

desenvolvimento de tcnicas que permitam bateria absorver energia a ritmos superiores

dentro do seu normal ciclo de funcionamento. Sabendo que os ritmos de carga das baterias

3

hoje existentes so ainda lentos face alternativa de combusto e tendo em conta que a

bateria um dos componentes mais caros do veculo, torna-se ento importante que esta seja

devidamente carregada de forma a prolongar ao mximo a sua vida til reduzindo desta forma

os custos de operao deste tipo de veculos, que, aliando inferior pegada ecolgica resulta

nas principais vantagens face aos veculos de combusto. Importa tambm referir que as

baterias so componentes qumicos e portanto a sua eliminao em final de vida, por si s

um processo delicado e, em alguns casos, nocivo para o ambiente.

Para optimizar o ciclo de vida das baterias surge assim a necessidade de saber, em

cada instante, o nvel de energia disponvel na bateria e com isso garantir que as cargas e

descargas da mesma so sempre efectuadas dentro da sua zona ptima de funcionamento.

Atravs do conhecimento do nvel de energia disponvel na bateria, torna-se ento possvel a

criao de alarmes indicativos dos diversos estados de carga que a bateria vai apresentando,

podendo deste modo avisar o utilizador quando esta se encontra quase descarregada,

semelhana do que acontece nos automveis movidos a combustveis fsseis que

habitualmente do um sinal visual e sonoro indicativo de que a quantidade de combustvel est

perigosamente baixa. Com estes avisos pretende-se que o utilizador tenha presente a

informao do nvel de carga podendo assim evitar as descargas profundas (2.5) onde a

bateria descarregada para alm do ponto de carga mnima indicado pelo fabricante e que tm

consequncias na durao til da bateria.

1.2 Tecnologias existentes

cada vez mais importante saber em que estados de conservao (State-of-Health,

S.O.H) [13] e carga (State-of-charge, S.O.C) [14] [15] se encontra a bateria de forma a garantir

que a mesma se encontra sempre nas melhores condies para cumprir a sua funo [16].

Como tal foram desenvolvidos vrios mtodos ao longo dos anos tendo todos a mesma

finalidade sendo portanto escolhidos de acordo com os requisitos da aplicao em causa.

As testes existentes sero descritos comeando pelos mais simples, intrusivos e

demorados e que obrigam interrupo do funcionamento do circuito, terminando com

modernos testes onde necessrio que o sistema tenha uma maior complexidade mas que

torna o teste mais subtil e portanto imperceptvel ao restante circuito no interrompendo o

normal funcionamento do mesmo.

1.2.1 Teste convencional de descarga de baterias sobre cargas artificiais

Este um teste extremamente intrusivo pois exige que o circuito a jusante seja

desligado, ou que, durante o teste exista uma forma alternativa de alimentar o mesmo. Isto

acontece porque as baterias em teste necessitam de ser desconectadas do habitual circuito

4

passando a estar conectadas a cargas artificiais. Deste modo necessrio retirar ligaes

existentes e efectuar novas o que s por si pode, em alguns casos, dar azo ocorrncia de

descuidos com as ligaes e respectivos danos nas baterias.

Estas cargas so simples restatos que so usados de forma a proporcionarem uma

taxa de descarga controlada permitindo assim ao operador retirar dados relativos ao

comportamento do banco de baterias ao longo da descarga e dessa forma chegar a

concluses sobre o estado das mesmas. Existe no mercado um sistema que agiliza este

processo tirando ao operador o trabalho do acompanhamento do andamento da descarga e as

respectivas concluses sobre o estado das baterias [17]. Em alguns casos, onde as baterias

esto minimamente afectadas, este sistema possibilita cargas duma forma especfica numa

tentativa de recuperar algumas das caractersticas iniciais das baterias.

1.2.2 Medio da resistncia interna usando mtodo AC

Este mtodo tambm exige que a bateria seja desacoplada do circuito e foi bastante

utilizado para medir o valor da resistncia interna da bateria. Este teste, conduzido a 1 kHz,

permite detectar defeitos crticos tais como clulas em curto-circuito. No entanto h outros

defeitos que se limitam a afectar a capacidade da clula mantendo a funcionalidade da mesma

e que portanto no so detectados por este mtodo que sofre desta limitao [18]. Este teste

no permite uma anlise quantitativa da capacidade da bateria, devolvendo somente o valor da

resistncia dos electrodos e do electrlito porque onde a frequncia de 1 kHz influi. Para se

saber a restante informao sobre o estado da bateria necessrio um teste multifrequncias

[19]. semelhana do mtodo anterior, tambm existem no mercado dispositivos desenhados

para fazer este tipo de testes bateria [20].

1.2.3 Coup de fouet

Este um mtodo relativamente recente (2000) e que se baseia na medio da queda

da tenso da bateria nos primeiros instantes em que a carga conectada bateria e se inicia a

descarga para avaliar o S.O.H da bateria. Ao longo desta dissertao sero apresentados

diversos grficos onde possvel verificar a queda de tenso que este mtodo analisa [21].

1.2.4 Integrao da corrente

Este mtodo, tambm conhecido por contagem de coulombs, faz isso mesmo, ou seja,

vai integrando a corrente que a bateria vai fornecendo ao circuito. No final da descarga, o valor

obtido deve ser comparado com o indicado pelo fabricante da mesma que torna assim possvel

ter uma ideia do estado de conservao da bateria.

5

1.2.5 Usando baterias inteligentes

Este mtodo baseado no uso de baterias que trazem incorporado um chip com

memria interna onde fica gravado o histrico dos ciclos j efectuados. Neste histrico tem-se

informao sobre o nmero de ciclos que a bateria realizou bem como de outros factores tais

como os intervalos de tempo durante os quais a bateria foi submetida a um uso fora dos seus

parmetros normais de funcionamento. Com estes dados, que podem facilmente ser

descarregados, torna-se possvel calcular em que estado de conservao que as baterias se

encontram [22].

Tabela 1:Vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de testes s baterias

Teste Vantagens Desvantagens

1.2.1 - Simplicidade do circuito base

- Avalia o S.O.H

- Durao (mnima de 4 horas)

- Desconexo e Conexo de cabos (intrusivo)

- Tempo de recarga indisponibiliza as baterias

para uma eventual falha de energia da fonte

principal

- Custo de equipamentos e mo-de-obra

especializada, equipamento alternativo ao

banco em teste

1.2.2

- Simplicidade do circuito base

- Mais rpido que o mtodo 1.2.1

- Pode avaliar S.O.C e S.O.H

- Desconexo e Conexo de cabos

- Custo de equipamentos e mo-de-obra

especializada, equipamento alternativo ao

banco em teste

- Devolve poucos dados (impreciso)

1.2.3

- Simplicidade do circuito base

- Avalia o S.O.H

- No intrusivo

- Realizado no incio da descarga e portanto no

avalia o S.O.C

- Custo de mo-de-obra especializada

1.2.4

- Livre de mo-de-obra

- No intrusivo

- Pode avaliar S.O.C e S.O.H

- Custo inicial

- Circuito mais complexo

1.2.5

- Evita equipamentos externos

- No intrusivo

- Pode avaliar S.O.C e S.O.H

- Complexidade e custo das baterias

- Custo de mo-de-obra especializada

- S disponvel em alguns tipos de baterias

Estes so os testes mais utilizados para obteno de informao sobre o estado das

baterias. Com este trabalho pretende-se criar um sistema que, semelhana destes, adquira

informao sobre o estado de carga e de conservao da bateria de cido-chumbo e que no

seja intrusivo, pois a aplicao onde este se insere assim o obriga. Desta forma o mtodo

1.2.1, tal como o 1.2.2 no serve o propsito, pois ambos so intrusivos. Da mesma forma

tambm o mtodo 1.2.3 no serve pois s devolve o S.O.H, no devolvendo qualquer

6

informao sobre o S.O.C que um dos requisitos para o mtodo que se pretende criar/usar.

Este mtodo podia no entanto ser utilizado em conjunto com outro que fornecesse o S.O.C, no

entanto este bastante limitativo pois s incide no momento inicial da descarga. J os dois

ltimos mtodos (1.2.4 e 1.2.5) devolvem todos os dados necessrios para que se possa

calcular os parmetros de S.O.C e de S.O.H. No entanto, as baterias aqui em estudo so as

clssicas SLA (Sealed Lead Acid) que no guardam registo algum, portanto os dados sero

obtidos duma forma externa bateria.

Com este trabalho pretende-se implementar um sistema que execute um teste s

caractersticas da bateria. Este teste dever ser autnomo e exclusivo s baterias de cido-

chumbo porque, como as caractersticas internas da baterias variam de acordo com os

materiais constituintes torna-se necessrio adequar os testes ao tipo das baterias em estudo.

H no mercado alguns sistemas que testam a bateria de cido-chumbo e que desempenham

uma funo idntica que aqui se pretende no entanto, estes necessitam de desacoplar a

bateria da carga durante o teste que algo que indesejvel neste caso pois dessa forma

estaremos a interromper o fornecimento de energia carga [17].

1.3 Descrio do problema

Para se obter informao sobre a quantidade de energia restante nas baterias

imperativo saber como estas se comportam durante a sua carga e descarga. Desta forma

torna-se ento necessrio perceber as alteraes que as caractersticas internas das baterias

sofrem consoante a quantidade de carga que tm armazenada e deste modo traar as curvas

de carga e descarga. Com estas curvas torna-se possvel a construo de um modelo da

bateria atravs do qual se pretende estimar a carga que a bateria contm e, juntando o

conhecimento de outros parmetros, calcular qual o tempo de carga ainda restante. Este

modelo ser constitudo por um sistema que vai acumulando um histrico das anteriores

cargas e descargas e que, de acordo com essa informao anteriormente recolhida, tentar

perceber em que ponto das curvas se encontra em cada instante e, dessa forma, calcular

ento o estado de carga da bateria. Este sistema dever tambm estimar o comportamento

dos ciclos actuais e identificar se estes esto, ou no, de acordo com o esperado. Desta forma

pretende-se usar o passado para prever o futuro, esperando assim obter informao sobre os

parmetros da bateria.

O caso aqui em estudo para testes e demonstrao um veculo elctrico autnomo

(robot) [23] que, contrariamente aos veculos elctricos de passageiros actualmente

comercializados, alimentado recorrendo a baterias de cido chumbo seladas (SLA). Assim

pretende-se que este adquira conhecimento sobre as baterias para que duma forma autnoma

possa gerar um conjunto de alarmstica que, de acordo com thresholds previamente definidos,

v gerando alarmes indicativos da quantidade de energia disponvel e de qual a sua autonomia

estimada. Pretende-se tambm usar esse sistema para identificar quais os impactos das

7

descargas que ultrapassam o valor de carga mnimo indicado pelo fabricante, (descargas

profundas) atravs da comparao das caractersticas de baterias sujeitas a esse uso

excessivo face a conjuntos de baterias que sejam sempre correctamente descarregados.

Devido a toda esta necessidade de informao quanto ao nvel de energia disponvel

surge ento esta dissertao de mestrado que tem por objectivo a criao de um modelo

adaptativo e preditivo da quantidade de carga presente na bateria.

Este estudo foi feito na Holos S.A. com base num veculo elctrico autnomo que daqui

em diante passarei a denominar por robot. Este robot uma unidade elctrica mvel que tem

como fonte energtica um banco de baterias do tipo SLA, cido-chumbo seladas.

Existe uma estao de carga (base) que tem como funo receber o robot que, de uma

forma autnoma, se estaciona sobre esta e recebe a energia que esta lhe transmite duma

forma que permite a ausncia de fios entre estes. Aps receber a carga o robot poder ento

abandonar a base e continuar a sua misso at que os nveis de energia voltem a ficar baixos

e este tenha a necessidade de retornar base para uma nova recarga. Este ento o

objectivo a atingir, sendo que esta dissertao visa a gesto e anlise da energia que o robot

recebe, garantindo que esta chega s baterias e que, durante a misso, este consiga fazer

uma estimativa da quantidade de energia que ainda tem disponvel de forma a poder calcular a

sua autonomia e evitar ficar parado com falta de energia.

1.4 Metodologia seguida

Neste subcaptulo d-se a conhecer a metodologia que foi seguida ao longo desta

dissertao. Seguindo o mtodo introduzido por Descartes e posteriormente complementado

por Sir Isaac Newton, pretende-se usar o mtodo cientfico decompondo o problema em

pequenas partes mais simples [24].

Definir o problema

Analisar o estado da arte

Formular hipteses

Desenvolver solues

Realizao de testes

Anlise dos testes

8

Numa fase inicial comea-se por definir o problema dum ponto de vista terico. Foi

necessrio fazer uma pesquisa e seleco de informao relevante (estado da arte), de forma

a conhecer as razes que levam a que este acontea e quais as respectivas

alternativas/solues actuais.

Seguidamente formulam-se hipteses de resoluo do problema e so desenvolvidas

solues para o mesmo. O passo seguinte realizar testes que comprovem, ou excluam, a

hiptese anteriormente apresentada.

Analisando os dados obtidos com os testes efectuados pretende-se validar, ou no, as

solues encontradas e da retirar as devidas concluses que podem servir de base

formulao de novas hipteses.

1.5 Organizao da dissertao

A estrutura base desta dissertao composta por seis captulos:

O presente captulo encontra-se dividido em vrios subcaptulos. No primeiro

apresentada uma introduo ao problema, enquanto que no segundo surge um pequeno

resumo do estado da arte. O terceiro uma descrio do problema especfico aqui em estudo

enquanto que o quarto contm a metodologia seguida ao longo da dissertao. O quinto este

mesmo subcaptulo e contm um breve ndice descritivo da forma como esta dissertao se

encontra organizada

O captulo 2 apresenta uma breve anlise ao estado da arte onde se descreve a

evoluo dos acumuladores de energia, nomeadamente das baterias electroqumicas. Com

este captulo pretende-se realar a importncia das baterias no nosso quotidiano, e as

vantagens que advm da sua correcta utilizao. Ao longo deste captulo so tambm

explicados alguns conceitos chave associados s baterias bem como uma anlise aos mtodos

utilizados para calcular o estado de carga e de sade das baterias.

O captulo 3 apresenta o circuito elctrico do robot e as alteraes sugeridas para o

mesmo com vista a que este consiga permanecer ligado enquanto efectua a carga do seu

banco de baterias. Este captulo contm tambm uma descrio dos equipamentos que foram

propositadamente construdos para possibilitar e agilizar o estudo das baterias quando sujeitas

a condies possivelmente adversas.

sabido que as caractersticas das baterias variam consoante o nmero de ciclos de

carga e descarga e a qualidade com que estes so efectuados. Portanto ao longo do captulo 4

sero apresentados os resultados obtidos ao longo de vrios ciclos de carga e descarga que

foram realizados de modo a perceber qual o seu impacto na bateria. Para perceber como a

qualidade dos ciclos influencia a vida til da bateria sero efectuadas descargas profundas

9

num diferente conjunto de baterias de forma a que os dados assim obtidos possam ser

comparados aos obtidos nos conjuntos correctamente descarregados.

No captulo 5 apresentado o software construdo para o clculo da autonomia do robot

sendo tambm apresentados os resultados experimentais da aplicao desse mesmo software

ao robot.

Finalmente no captulo 6 so apresentadas as concluses e o trabalho que no futuro

poder ser desenvolvido neste mesmo campo.

10

(Esta pgina foi propositadamente deixada em branco)

11

2 Estado da arte

As baterias, como hoje as conhecemos, derivam de uma experincia realizada em 1800

pelo fsico italiano Alessandro Volta na qual foi construda a primeira pilha. Este percebeu que

ao adicionar um lquido a certos tipos de metais estes produziam uma pequena tenso, pelo

que, de forma a demonstrar esse facto colocou um pedao de papel embebido em gua

salgada entre duas placas de metal, sendo que uma era de cobre e a outra de zinco e aos

terminais destes juntou condutores elctricos por onde a corrente fluiu [25]. O nome de pilha

derivou do facto deste dispositivo ter sido construdo atravs do empilhamento de vrias placas

[26]. Volta percebeu que esta sandwche de placas metlicas e papel, hoje denominada por

clula, pode ser montada em srie com outras do mesmo tipo aumentando dessa forma a

tenso disponvel aos seus terminais. Esta descoberta foi de tal forma importante que ainda

hoje as baterias/pilhas que utilizamos assentam nestes princpios, existindo somente uma

alterao de materiais de forma a conseguir uma melhor eficincia aumentando a sua

capacidade com um menor tamanho [27]. tambm devido a esta experincia que hoje

usamos a unidade volt como unidade padro para a tenso elctrica em homenagem ao seu

apelido Volta.

Em 1836, o qumico e fsico ingls John Daniell fez alteraes pilha voltaica tendo

mergulhado cada um dos diferentes metais (electrodos) em diferentes lquidos (electrlitos)

ligando estes atravs duma ponte salina. O electrodo de cobre estava mergulhado numa

soluo de sulfato de cobre (CuSO4), enquanto que, o electrodo de zinco estava mergulhado

numa soluo de sulfato de zinco (ZnSO4). A ponte salina que unia os diferentes recipientes

era composta por um tupo em U invertido contendo no seu interior uma soluo aquosa de um

sal bastante solvel sendo as pontas do U cobertas com algodo. De forma a tornar visvel o

fluxo de corrente elctrica Daniell ligou uma lmpada aos electrodos usando condutores

elctricos [28] [29].

Esta pilha denominada por Pilha de Daniell, tinha um comportamento bastante estvel

na qual era inclusivamente possvel verificar a alterao de tamanho dos electrodos, pois

devido s reaces qumicas, enquanto que o electrodo de Zinco se ia corroendo e diminuindo

a sua massa, o electrodo de cobre ia aumentando, este facto servia como indicao de qual a

capacidade restante.

Foi em 1859 que Gaston Plant inventou a bateria de cido-chumbo [30] sendo que esta

ainda hoje, graas s sucessivas actualizaes e modificaes, uma das baterias mais

confiveis do mercado. Uma outra caracterstica que as torna to disseminadas advm do facto

de que estas so relativamente fceis de construir e portanto apresentam um baixo custo face

sua elevada capacidade. Todas essas caractersticas fizeram com que esta bateria tenha

sido adequada s mais diferentes aplicaes atravs de pequenas alteraes na sua estrutura,

tendo surgido diversos tipos de baterias assentes na bateria de cido-chumbo. No grupo das

baterias de cido-chumbo encontram-se as baterias dos tipos, seladas, reguladas por vlvulas,

12

ciclo profundo, entre outras que, com pequenas alteraes estruturais, se tornam mais

indicadas aplicao que destas depende.

As baterias esto directamente associadas portabilidade de equipamentos elctricos e

portanto esto disseminadas por todo o tipo de aplicaes tais como comandos, telemveis,

computadores, ferramentas e mais recentemente nos automveis elctricos devido s

preocupaes ambientais

Existem vrios tipos de baterias no mercado, cada um com as suas vantagens e

desvantagens, que devem ser seleccionadas mediante as especificaes do projecto

especfico. Na seguinte tabela apresentam-se as caractersticas tpicas e os parmetros em

que influem.

Tabela 2:Caractersticas das baterias

Caractersticas Unidade Parmetro

Energia Especifica Wh/Kg Autonomia

Densidade de Energia Wh/Litro Espao/Volume

Potncia especfica W/kg Desempenho

Ciclo de vida % de recargas Durabilidade

Tempo de recarga Horas ou minutos Praticabilidade

Resistncia Interna Qualidade

As caractersticas aqui indicadas so indicativas do comportamento da bateria, pelo que,

no momento da escolha da bateria para uma determinada aplicao, se deve fazer uma

seleco das caractersticas que mais importam na aplicao em causa e, se necessrio, fazer

um trade-off entre algumas delas prejudicando certos parmetros em funo de um melhor

comportamento nos parmetros de maior peso na aplicao.

A energia especfica relaciona a capacidade da bateria com o seu peso, o que, se pode

relacionar como tendo um maior impacto na autonomia caso a aplicao use a energia das

baterias para a locomoo. A densidade de energia uma caracterstica importante quando o

espao para a bateria limitado, pois relaciona a capacidade da mesma com o volume que

esta ocupa. A potncia especfica indica a potncia que aquele tipo de bateria fornece por

quilograma. O nmero de recargas a durao til estimada da bateria e indicado pelo ciclo

de vida, esta caracterstica particularmente importante nos casos onde a bateria um

componente caro relativamente aplicao onde se encontra inserida. O tempo de recarga

indica o tempo que necessrio para que a bateria receba uma carga completa. Esta

caracterstica particularmente importante em aplicaes onde necessrio estar sempre a

postos e portanto o utilizador deve, com este conhecimento, o nmero de baterias necessrias

13

para garantir que enquanto umas carregam tem outras a postos para garantir a energia

aplicao em questo. A resistncia interna uma caracterstica que ir ser estudada mais

frente e indicativa da qualidade da bateria.

Todos estes parmetros so directamente proporcionais s caractersticas, exceptuando

o volume e a resistncia, porque quanto mais densa for, menos material necessita para que o

resultado final seja uma bateria equivalente com um volume menor e porque a bateria tanto

melhor quanto menor for a sua resistncia interna. De notar que todos estes parmetros vo

sofrendo alteraes ao longo da vida e degradao da bateria, sendo que a resistncia altera

de acordo com variveis tais como a quantidade de carga presente na mesma, a temperatura,

a idade, entre outras.

Como referido, a bateria composta por um conjunto de clulas onde cada uma d o

seu contributo para que, no final, se obtenha a tenso desejada. Portanto para melhor

compreender como a bateria funciona basta que se perceba como funciona uma das clulas

sendo que as restantes tm um comportamento equivalente.

2.1 Clula Galvnica

Na Figura 2.1.1 apresenta-se o desenho do interior simplificado de uma clula galvnica.

*Fonte:http://munin.pt/prov/bateria.html

Figura 2.1.1:Interior simplificado de uma clula.

No caso real as placas tm uma forma um pouco mais complexa que permite maximizar

a sua rea de contacto com a soluo electroltica, o que leva a um aumento da capacidade da

bateria.

O interior da clula composto por um conjunto de placas de chumbo (Pb) e dixido de

chumbo (PbO2), s quais se chamam electrodos. Estes esto imersos numa soluo

electroltica, doravante denominada por electrlito, e que composto por 35% de cido

sulfrico e 65% de gua, sendo que esta concentrao varia ao longo do ciclo de carga.

Sabendo que a bateria somente um dispositivo que armazena energia ento este tem

de ser carregado para que depois possa fornecer essa mesma energia. Esta caracterstica que

possibilita a carga e descarga da bateria tem como origem uma reaco qumica que tem a

14

particularidade de ser reversvel, isto , durante a descarga esta processa-se num sentido

enquanto que, na carga ocorre a reaco inversa.

A corrente elctrica um fluxo ordenado de partculas portadoras de carga elctrica, e

nas baterias a origem desta corrente uma reaco qumica do tipo reduo-oxidao (redox),

onde ocorre a transferncia de electres. Neste tipo de reaces existe um elemento que o

redutor, que cede electres, e outro que o oxidante e os capta. Desta forma, ao ceder

electres, o redutor converte-se em oxidado enquanto que, o oxidante passa a ser o agente

reduzido.

De forma a oferecer uma melhor compreenso desta reaco apresentam-se os

seguintes fenmenos que ocorrem na clula e que permitem que esta liberte a carga

previamente acumulada, apresentando-se de seguida o processo de carga da mesma.

2.1.1 Descarga

A equao que descreve o processo de descarga da clula a seguinte [30]:

( 2.1 )

organizando e adicionando informao sobre os estados fsicos sai:

( 2.2 )

As equaes mostram que ao mergulhar dois electrodos, sendo um de chumbo e um de

dixido de chumbo numa soluo de cido sulfrico, resultam duas molculas de gua e outras

duas de sulfato de chumbo.

Como desta reaco resultam gua e sulfato de chumbo, a concentrao de cido

sulfrico no electrlito vai diminuindo enquanto que em paralelo ocorre um outro processo que

vai sulfatar os electrodos impedindo o contacto directo entre estes e o electrlito. Estes so

ento os processos responsveis pela descarga da bateria, pois os reagentes vo tendo cada

vez mais dificuldade em se agruparem devido alterao na concentrao dos mesmos no

electrlito e crescente diminuio da sua rea de contacto.

Estando a reaco global de descarga descrita vamos agora incidir no que ocorre

simultaneamente ao nvel dos electrodos.

No electrodo negativo (nodo) tem-se a seguinte reaco:

( 2.3 )

15

O electrodo negativo, composto de chumbo, reage com o electrlito formando sulfato de

chumbo, libertando dois electres. Introduzindo o conceito de nmero de oxidao torna-se

fcil perceber a origem destes dois electres. Como tal seguem-se as regras bsicas de como

determinar o nmero de oxidao.

Regras bsicas para a determinao do nmero de oxidao:

1. O nmero de oxidao de um elemento no estado livre (quando no est

combinado) igual a zero;

2. Quando se encontra combinado o nmero de oxidao do hidrognio sempre

+1 (salvo nos hidretos metlicos em que toma o valor -1).

3. No caso do oxignio o nmero de oxidao -2, excepo dos perxidos em

que igual a -1 e dos superxidos onde igual a -0,5. Quando ligado ao flor,

dado que este mais electronegativo que o oxignio, ser o fluor que apresenta

nmero de oxidao -1.

4. Os ies monoatmicos tm o nmero de oxidao igual sua prpria carga;

5. A soma dos nmeros de oxidao de todos os tomos que constituem uma

molcula tem de ser igual a zero

6. A soma dos nmeros de oxidao de todos os tomos de um io poliatmico

sempre igual carga do io. [31]

Existem casos onde estas regras no se verificam, no sendo no entanto o caso das

reaces aqui estudadas, como tal optou-se por no fazer referncia a esse tipo de casos.

Com estas breves regras consegue-se ento determinar os nmeros de oxidao dos

elementos presentes nas reaces que ocorrem durante a carga e descarga da clula

electroqumica.

Observando que o chumbo (Pb) aparece nesta reaco (2.3) como um tomo neutro

livre, pela primeira regra, o seu nmero de oxidao zero. Seguindo agora para o sulfato

( ) observa-se imediatamente a indicao que o nox(SO4) = -2. Como tal, vamos calcular

os nmeros de oxidao do oxignio e do enxofre sabendo que no final a carga inica ser -2.

Comeando pelo oxignio, pelo uso da segunda regra sabe-se que o nox(O) = -2. Uma vez que

a molcula contm quatro tomos de oxignio resulta que no total o nox(O4) = -8, portanto para

resultar no final um nox(SO4) = -2 o enxofre ter de ter um nox(S) = 6.

( 2.4 )

16

Tendo os nmeros de oxidao do lado esquerdo da reaco calculados ir ser

demonstrado o clculo dos do lado direito, de modo a verificar a real origem dos electres

responsveis pelo fornecimento da corrente elctrica.

Como resultado final do lado esquerdo da reaco -2, tambm o resultado final do lado

direito da reaco o dever ser. Comeando pelo sulfato de chumbo (PbSO4) e sabendo que o

nox(S) = 6 e nox(O4) = -8, anteriormente calculados, sai que nox(Pb) = +2. Isto usando a quinta

regra que indica que a molcula PbSO4 deve o seu nmero de oxidao igual a zero.

Para concluir temos do lado esquerdo da equao -2 e do lado direito 0, o que no pode

acontecer. De forma a igualar a carga de ambos os lados da reaco adicionam-se dois

electres ao lado direito. Estes electres tm origem no chumbo que inicialmente era Pb e que

atravs da unio com o sulfato ficou Pb2+

, ou seja, sofreu oxidao tornando-se o agente

redutor da reaco. Desta forma o nodo fica ento com carga negativa devido reaco que

se acabou de demonstrar e que tem como resultado a libertao de electres que formam a

corrente elctrica.

Esta foi (2.5) ento a reao inica que aconteceu no nodo:

( 2.5 )

Fazendo uso de uma tabela de potenciais redox [32] percebe-se que o potencial de

equilbrio na ordem de -0,13 V. Portanto o electrodo assume potencial negativo de valor -0,13

V devido a esta reao. De notar que este um valor aproximado que depende da

temperatura, presso entre outros factores sendo dessa forma possvel encontrar valores que

diferem dos aqui enunciados.

J no electrodo positivo (ctodo) tem-se:

( 2.6 )

No electrodo positivo o dixido de chumbo, do qual composto, reage com o electrlito

no qual est mergulhado, de notar que no electrlito esto os dois tomos de hidrognio

libertados na anterior reaco aquando da separao do H2SO4, e que no electrodo aparecem

os dois electres tambm eles libertados pela reaco que aconteceu no nodo, mas que

fluram atravs do circuito que a bateria est a alimentar. Esta reaco, semelhana da

anterior, forma sulfato de chumbo que fica agarrado aos electrodos e gua que ao ficar no

electrlito vai diminuindo a concentrao de cido presente no mesmo.

Para se perceber o que aqui acontece ser novamente utilizada a anlise dos nmeros

de oxidao, semelhana do caso anterior. Como a molcula de PbO2 tem nox(PbO2) = 0 e

17

sabendo que o nox(O2) = -4 sai que o chumbo tem 4 como seu nmero de oxidao. O

hidrognio tem nmero de oxidao igual a 1 portanto, como so quatro, resulta +4. O nmero

de oxidao do SO4 est indicado (-2) e os dois electres libertados pela reaco de descarga

no nodo entram aqui com carga -2, pelo que a carga positiva dos quatro hidrognios se vai

anular com a carga negativa do sulfato e dos dois electres. Como resultado final temos do

lado esquerdo da reaco um total de cargas neutro, que tambm se verifica do lado direito

pois o chumbo presente no sulfato de chumbo tem nox(Pb) = 2, tendo sido este o reduzido pois

recebeu electres tendo passado de um nox de 4 para 2, como aqui foi demonstrado.

( 2.7 )

Mais uma vez, fazendo uso da tabela de potenciais redox sai que o electrodo positivo

ser o ctodo pois este assume potencial na ordem de 1,69 V, que o potencial de equilbrio

desta reao de ionizao [32].

Como resultado de ambas as reaes de ionizao resulta uma diferena de potencial

entre os electrodos dos terminais da clula que ronda os 2 V anteriormente referidos e que so

deste modo justificados.

Figura 2.1.2: Fluxo de electres

Como se acabou de demonstrar os electres que abandonam o chumbo saem do

electrodo negativo (Pb), atravessam o circuito ao qual a bateria se encontra conectada e

chegam ao electrodo positivo (PbO2) onde se agrupam.

O processo at aqui descrito acontece durante a descarga. Como se ir ver de seguida

durante a carga acontece o processo inverso

18

2.1.2 Carga

Sabendo que o sulfato de chumbo insolvel no electrlito e que este vai-se fixando

superfcie dos electrodos durante a descarga da clula, consegue-se perceber que, devido a

no haver perda de reagentes, a reao qumica que ocorre no interior da clula reversvel.

Como tal, o processo de carga descrito usando a mesma equao da descarga, mas desta

vez no sentido inverso. Esta caracterstica que permite que a bateria tenha um comportamento

cclico, ficando desta forma novamente operacional aps a sua carga, ento a razo pela

grande popularidade da mesma.

Esta a reao que ocorre no interior das clulas durante a carga da bateria (2.8).

( 2.8 )

A equao acima descrita no se encontra apresentada da forma mais correcta, uma vez

que os mesmos compostos se deveriam encontrar agrupados. Porm, neste caso, esta

apresentao facilitar a sua compreenso/percepo.

A equao descreve uma fase inicial onde existem dois electrodos sulfatados,

mergulhados em gua e que, de seguida, se reorganizam transformando-se em dixido de

chumbo, chumbo e cido sulfrico. Ou seja, a clula repe desta forma as condies iniciais,

em que o enxofre ao invs de estar nos electrodos est no electrlito. Relembrando o anterior

processo de descarga onde um dos produtos da reao era gua e esta ia diminuindo a

concentrao do electrlito medida que a bateria ia descarregando, agora possvel ver o

processo inverso a ocorrer, onde a gua serve como reagente numa reaco onde como

produto se tem cido sulfrico.

Continuando a anterior abordagem explicam-se de seguida os processos qumicos que

acontecem no ctodo e nodo durante o processo de carga.

Reaco presente no electrodo negativo durante a carga da bateria (2.9).

( 2.9 )

O electrodo de chumbo, que se encontra nesta fase com a sua superfcie sulfatada

derivado ao anterior processo de descarga, recebe dois electres que, como resultado,

libertam o sulfato das paredes do electrodo, deixando assim o sulfato livre para se combinar

com o hidrognio presente no electrlito e formar novamente cido sulfrico. Um outro

resultado desta reaco que o sulfato, ao abandonar as paredes do electrodo, deixa que este

fique novamente em contacto com o electrlito, facilitando assim a reaco anteriormente

responsvel pela descarga da clula.

19

Voltando anterior tcnica, e fazendo novamente uso das regras atrs enunciadas,

calculam-se os respectivos nmeros de oxidao aqui presentes, de forma a fundamentar a

reaco qumica que rege a carga da clula electroqumica.

Usando a regra nmero 5 (2.1.1) observa-se que o nmero de oxidao do composto

PbSO4 0, pelo que do lado esquerdo desta reaco temos dois electres livres estabelecendo

ento o balano de cargas em -2. Olhando agora para a direita da mesma, tem-se o chumbo

como elemento livre, pelo que, usando a primeira regra sabe-se que o nmero de oxidao do

mesmo 0, sobrando assim a carga presente no SO4-2

para equilibrar com a carga que

resultou na esquerda. Tal facto bastante bvio pois neste caso a carga electrnica indicada

e est de acordo com o esperado atravs da presena de dois electres que garantem a

igualdade dos nmeros de oxidao resultantes do lado dos reagentes e produtos da reaco

(2.9).

Olhando agora para o electrodo positivo, esta a reaco qumica presente no mesmo

quando a clula se encontra a carregar (2.10).

( 2.10 )

Analisando ento a reaco aqui presente nota-se que, nesta fase, o electrodo positivo

encontra-se, semelhana do seu par estudado no caso anterior, sulfatado e imerso num

electrlito composto por gua que, como j se viu, um dos produtos da reaco que ocorre

durante a descarga da clula. Durante o processo de carga rompem-se as ligaes das

molculas de gua deixando hidrognio e oxignio em liberdade para se recombinarem

respectivamente com o sulfato que se liberta da superfcie do electrodo e formarem o cido

sulfrico presente no electrlito, e com o chumbo presente no electrodo formando novamente

um electrodo poroso de dixido de chumbo.

atravs da separao da molcula da gua que se garante a carga no entanto, quando

a bateria se encontra em plena carga 65% do electrlito gua, e portanto extremamente

importante saber quando parar o processo de carga da mesma. Se esta paragem no for

atempadamente efectuada o processo de carga ir continuar a dividir a molcula da gua

resultando em hidrognio que no se consegue recombinar em cido sulfrico, pois no existe

sulfato suficiente no interior da bateria, e em oxignio que tambm fica livre. Esta acumulao

de gases vai aumentando a presso no interior da bateria at atingir o limite de presso

determinado por vlvulas presentes no topo da bateria que abrem nessa altura. Devido a este

fenmeno todas as baterias de cido chumbo, incluindo as seladas, tm estas vlvulas

diminuindo assim o risco de exploso da bateria pois no deixam a presso atingir nveis que

comprometam a estrutura da bateria. Devido a esta libertao de gases, as baterias devem ser

carregadas em locais devidamente arejados e sem fontes de ignio por perto.

20

Uma carga que no seja atempadamente terminada ir, atravs do processo atrs

descrito, desidratar a bateria resultando numa alterao da composio do electrlito reduzindo

a capacidade e vida til da mesma.

Desta forma fica ento completamente descrito um ciclo da bateria terminando com esta

novamente carregada atravs da reposio das caractersticas iniciais. possvel encontrar

uma animao exemplificativa das reaces aqui descritas que torna a compreenso das

mesmas mais simples.

2.2 Estrutura interna da bateria

2.2.1 Rectangulares

O interior da clula difere um pouco do at ento demonstrado, sendo que, na

realidade os electrodos so placas habitualmente rectangulares ou cilndricas de forma a

maximizar a sua rea de contacto com o electrlito. Na Figura 2.2.1 exemplifica-se a

constituio real de uma bateria electroqumica rectangular. Comeando pela constituio das

clulas da bateria duma forma bastante simplificada com o intuito de permitir uma melhor

compreenso sendo que, na realidade ao invs dum nico par de electrodos, existem vrios

pares por clula estando as diversas placas do nodo em paralelo separadas das respectivas

placas do ctodo, tambm estas em paralelo. A separao entre as diversas placas do nodo e

ctodo garantida por separadores porosos que so constitudos por um material isolante,

aqui representado a castanho (Figura 2.2.1 a), impedindo desta forma que ctodo e nodo se

toquem, sendo que em simultneo e devido sua porosidade deixa os ies H2 e SO4 passar.

Este paralelo entre as diversas placas constituintes do nodo e ctodo (Figura 2.2.1 b) tem,

tambm ele, o objectivo de aumentar a rea de electrodo em contacto com o electrlito o que

maximiza a capacidade da bateria minimizando o volume, o que se traduz na maximizao do

volume til para reagentes que so o combustvel da reao qumica que aqui ocorre [33].

Figura 2.2.1:Composio real interna da bateria rectangular

a) b) c)

21

2.2.2 Cilndricas

Existem outras formas de baterias de cido-chumbo menos usuais tais como as

cilndricas, esta menor popularidade prende-se principalmente com o facto de que a forma

rectangular enquadra-se melhor com a maioria das aplicaes das mesmas e assim maximiza

a capacidade. A figura 2.2.2 diz respeito somente ao corte duma nica clula de uma bateria

cilndrica, sendo a bateria um conjunto de clulas do mesmo tipo desta.

De notar que ambos os tipos de baterias (cilndricas e rectangulares) podem ser

construdos de outra forma variando de acordo com o fabricante e a finalidade das mesmas.

Nos casos em que as baterias so especificamente desenhadas para ciclos de descargas

profundas (indicadas para embarcaes martimas) estas so habitualmente mais altas e as

placas dos electrodos no esto to prximas do fundo. Isto porque, durante uma descarga

profunda iro formar-se depsitos que, pela sua maior densidade, permanecem no fundo e que

poderiam provocar curto-circuitos entre as diversas placas dos electrodos. Desta forma, os

fabricantes optam por fazer uma bateria um pouco maior do que o necessrio para atingir a

respectiva capacidade mas com a vantagem da mesma ser mais tolerante a descargas

profundas.

Figura 2.2.2: Corte de clula de bateria real cilndrica

22

2.3 Capacidade

A capacidade da bateria a indicao da quantidade de carga que a mesma consegue

armazenar e habitualmente expressa em Ah. Sabendo que a unidade da carga coulomb, e

que ampre definido como coulomb/segundo, retira-se que 1Ah = 3600 coulombs. A

capacidade da bateria normalmente proporcional ao tamanho da clula, isto porque para

conseguir aumentar a sua capacidade necessrio aumentar a quantidade de reagentes o que

resulta no aumento de volume da mesma. Sabendo a capacidade e a tenso da bateria

tambm possvel fazer a converso da capacidade para Wh facilitando assim o utilizador que

queira realizar clculos de autonomia sabendo as potncias dos circuitos a alimentar pela

mesma.

Considerando como exemplo as baterias utilizadas para este estudo [35], que indicam

7,2Ah (20hr) como a sua capacidade, retira-se que estas baterias conseguem fornecer uns

constantes 0,36 A durante 20 horas, isto porque a capacidade o produto do tempo de

descarga pela corrente que esta consegue fornecer ao longo desse mesmo intervalo de tempo.

Essa a frmula responsvel pelo clculo da capacidade sendo que a nica variao entre os

diversos fabricantes o intervalo de tempo de descarga considerado, que, por uma questo de

marketing, usam normalmente o intervalo que melhor se adequa sua bateria, apesar do mais

comum ser as 20h presentes nos exemplares utilizados neste estudo.

Quando a descarga efectuada ao ritmo indicado e a bateria est em boas condies

resultar no final das 20h a tenso que o fabricante admitiu como sendo o valor inferior do

intervalo de flutuao da mesma. Portanto a capacidade a quantidade de energia que se

consegue retirar da bateria desde o momento em que esta se encontra completamente

carregada at ao momento em que se considera que esta est descarregada que coincide com

o nvel inferior do intervalo de flutuao. importante perceber que mesmo quando a bateria

se encontra neste ponto ainda contm carga e consegue continuar a fornecer energia, mas a

partir desse momento a bateria comea a degradar-se pelo que este processo deve ser evitado

sob pena da mesma poder ficar irremediavelmente danificada.

O valor de tenso que a bateria apresenta quando se encontra devidamente

descarregada ronda os 1,75V por clula. De notar que este um valor que varia consoante o

modelo e fabricante da bateria e , como a restante informao contida neste trabalho, vlida

somente para as baterias do tipo SLA aqui estudadas. Outra informao importante a reter

que a capacidade anunciada pelo fabricante vlida somente para descargas usando a

corrente indicada durante o intervalo considerado, pelo que, descargas fazendo uso duma

corrente superior resultam habitualmente numa menor capacidade. Devido a este facto

habitual encontrar no datasheet das baterias as diferentes capacidades que as mesmas

apresentam consoante a taxa a que estas esto a descarregar (corrente instantnea) [35]. Esta

caracterstica sofre alteraes consoante a temperatura (Grfico 2.3.1) e tambm ao longo da

vida da bateria (Grfico 2.3.2), sendo que esta diminui ao longo dos ciclos de carga e

descarga, diminuindo mais drasticamente quando as cargas e descargas saem da normal zona

23

de funcionamento da mesma [36] como se demonstra com valores obtidos no laboratrio e que

se encontram presentes no captulo 4.

Grfico 2.3.1:Impacto da temperatura e da taxa de descarga na capacidade

Grfico 2.3.2: Teste de capacidade e taxa de descarga a 20 baterias envelhecidas [36]

Este Grfico 2.3.2), cortesia da Cadex, faz uma comparao da capacidade e da taxa

de descarga de 20 baterias previamente utilizadas. Como se pode verificar pela curva a cinza

escuro, 11 das 20 baterias aqui testadas j tinham perdido mais de 60% da sua capacidade

inicial provando assim que a capacidade da bateria diminui com o seu uso e respectivo

envelhecimento. Observando agora a curva a cinza claro possvel retirar uma outra

concluso, essa curva representa a capacidade da bateria para fornecer correntes elevadas e

como se nota a mdia dos valores obtidos indica que as baterias tambm vo perdendo essa

mesma caracterstica com o envelhecimento.

Estes decrscimos esto ambos relacionados com um parmetro interno da bateria que

irei introduzir adiante e que denominado por resistncia interna.

Esta visvel diminuio da capacidade da bateria faz com que este seja um parmetro

crtico limitativo da vida da mesma. Atravs duma correcta avaliao da capacidade da mesma

quando confrontada com a aplicao em que esta est inserida torna-se ento possvel

determinar se esta se encontra no seu final de vida.

24

2.4 Taxa de descarga

Este parmetro indica a capacidade da bateria para fornecer energia, ou seja,

indicativo da taxa a que a bateria consegue libertar a energia que lhe foi previamente fornecida.

Pode-se fazer uma comparao com um depsito de gua, onde o parmetro capacidade se

refere, tal como o nome indica, ao volume de gua que este suporta, enquanto que, a taxa de

descarga pode ser comparada ao dimetro da torneira por onde essa mesma gua vai escoar.

Portanto a taxa de descarga da bateria indica qual o fluxo de energia que esta consegue

fornecer num determinado intervalo de tempo.

usual usar como medida da taxa de descarga a letra C, em que esta representa a

capacidade da bateria em uso. Portanto se uma bateria tem 7,2 Ah de capacidade, como o

caso das baterias usadas nesta dissertao, e esta estiver a ser descarregada a 1 C ento

significa que esta est a fornecer uma corrente de 7,2 A. No caso das baterias SLA aqui

estudadas o mais habitual a taxa de descarga anunciada ser de 0,05 C, ou seja, as 20 horas

j aqui referidas.

Este tipo de baterias tem habitualmente valores de corrente de descarga mxima

bastante elevados, tipicamente na ordem das centenas de amperes, 105 A durante 5 s no caso

em estudo, o que indica que no h problema em pedir correntes elevadas bateria, no

entanto quando estas so descarregadas a 1 C apresentam habitualmente uma capacidade

menor do que a real sendo que possvel acontecer o inverso se a descarga for lenta, pelo

que em taxas de descarga inferiores a 0,05 C pode suceder uma bateria fornecer mais energia

do que aquela que em teoria conseguiria armazenar.

Como se ir ver adiante, a leitura da capacidade depende muito da resistncia interna da

bateria, pelo que as discrepncias entre a capacidade real e a esperada iro aumentar ao

longo da vida da bateria.

2.5 Profundidade de descarga (D.O.D)

Este o parmetro da descarga que indica a quantidade de energia que se retirou da

bateria durante a descarga pelo que esta vem habitualmente expressa como uma percentagem

da capacidade nominal da mesma. Este parmetro tem influncia directa no nmero de ciclos

de vida til da bateria sendo estes inversamente proporcionais como se pode verificar pelos

dados presentes na Tabela 3. No caso das baterias de cido-chumbo em estudo existe

habitualmente um valor mximo para a profundidade de descarga admissvel que sendo

ultrapassado pode impossibilitar a recarga das mesmas. A razo para este fenmeno advm

do facto que uma bateria habitualmente composta por uma srie de clulas electroqumicas e

entre elas existem diferenas. Como tal existem clulas que descarregam com mais facilidade

que outras, pelo que quando se deixa a bateria ir alm do ponto de interrupo habitual haver

25

clulas com mais carga que outras pelo que as com menos carga acabam por receber carga

proveniente das mais carregadas. Este fenmeno chamado de reverso de clula e faz

aparecer uma diferena de potencial negativa aos terminais dessa mesma clula. Em alguns

casos, onde existem sries de baterias a alimentar um circuito, inclusivamente possvel que

uma bateria apresente tenso negativa aos seus terminais caso se deixe esta ir alm do ponto

de interrupo. Este fenmeno provoca um curto-circuito elctrico e habitual degradao dos

electrodos, o que acaba por influenciar a capacidade da bateria ou danificar irremediavelmente

a mesma obrigando sua substituio devendo ento a profundidade de descarga mxima

aceite para o tipo de baterias em questo deve ser respeitada. De forma a evitar descarregar

as baterias em demasia habitual haver em srie um equipamento denominado por

controlador de carga que interrompe o fornecimento de energia quando estas atingem o ponto

mnimo de carga [37].

Tabela 3:Profundidade de descarga versus nmero de ciclos a 25c (77F) SLA [38]

Profundidade de descarga (%) Nmero de ciclos

100 150 a 200

50 400 a 500

30 >= 1000

Como indicado no subcaptulo 1.2, possvel usar a tenso apresentada aos terminais

da bateria para acompanhar o estado de carga da bateria, isto torna-se possvel devido a um

outro parmetro da mesma que se introduz de seguida e que denominado por resistncia

interna. Contudo este mtodo para adquirir o estado da carga atravs da tenso tem associada

alguma impreciso porque as leituras de tenso flutuam com a carga que est a ser

alimentada.

De seguida apresenta-se o grfico 2.5.1, indicado pelo fabricante [34], como sendo o

impacto da profundidade de descarga na capacidade de acordo com o nmero de ciclos.

Grfico 2.5.1:Impacto da profundidade de descarga na capacidade

D.O.D Depth of discharge (Profundidade de descarga)

26

2.6 Resistncia interna

A resistncia interna outro dos parmetros da bateria e, semelhana dos anteriores,

influenciada por diversos factores. Esta varia de acordo com a temperatura, envelhecimento,

estado de carga, entre outros. Facilmente se percebem as razes que levam a esta variao,

se pensarmos que a resistncia que um corpo oferece passagem da corrente elctrica varia

consoante a densidade do mesmo e que esta dependente de factores tais como a

temperatura e os materiais dos quais este composto.

A concentrao de cido sulfrico presente no electrlito vai variando ao longo do ciclo,

portanto fcil compreender que influencie a alterao do valor da resistncia interna ao longo

do ciclo, ou seja, consoante o estado de carga da bateria.

Esta resistncia interna responsvel pela perda de energia da bateria pois esta

provoca uma queda de tenso o que faz que aos terminais da bateria surja uma tenso inferior

sua fora electromotriz.

Figura 2.6.1: Esquema aproximado de uma bateria real em vazio

Como se pode observar na Figura 2.6.1, caso em que a bateria se encontra

desconectada, o circuito est aberto o que faz com que no exista uma corrente a atravessar a

resistncia Ri e portanto em U aparece uma diferena de potencial de valor igual a devido

inexistncia de queda de tenso em Ri.

( 2.11 )

Como o circuito se encontra em aberto tem-se que , portanto resulta que

Daqui se conclui que ao usar um multmetro para fazer a leitura do valor da tenso aos

terminais da bateria em vazio, e assumindo que o multmetro no interfere no circuito, iremos

obter o valor da fora electromotriz.

27

Figura 2.6.2: Esquema aproximado de uma bateria real em carga

Na Figura 2.6.2 temos ento a bateria anteriormente representada mas agora com uma

carga ligada aos seus terminais, completando dessa forma o circuito. Visto que o circuito est

fechado a corrente tem ento um caminho para percorrer que atravessa as resistncias Ri e R

provocando assim duas quedas de tenso (Uri e U). A corrente ao atravessar a resistncia

interna origina uma queda de tenso Uri que faz com que aos terminais da bateria aparea

uma tenso U inferior .

( 2.12 )

Como neste caso o circuito est fechado ( ), resultando

Deste caso pode-se concluir que a tenso que est realmente aplicada carga depende

da corrente que se est a pedir bateria, pois quanto maior for a corrente i, maior ser a queda

de tenso interna bateria e consequentemente menor ser U [39].

Juntando agora toda a informao recolhida neste tpico consegue-se compreender que

a concentrao de cido sulfrico presente no electrlito vai diminuindo ao longo da descarga

da bateria, e que essa alterao na densidade provoca uma diminuio da condutividade do

electrlito [40], ou seja, a resistncia interna da bateria vai aumentando medida que esta

alimenta o circuito. Aliado ao aumento da resistncia interna vem o aumento da queda de

tenso nessa mesma resistncia, como tal, a tenso obtida aos terminais da bateria vai

diminuindo medida que esta vai descarregando como se pode comprovar no Grfico 2.6.1.

Agregando agora o facto de que a bateria se vai degradando ao longo dos ciclos fcil

perceber que a resistncia interna tem o seu mnimo valor quando a bateria nova e se

encontra completamente carregada.

O decrscimo da tenso ao longo da descarga uma desvantagem da bateria de cido-

chumbo quando comparada com outros tipos de baterias que no sofrem desta caracterstica,

pelo que em certas aplicaes digitais necessria a existncia de um conversor DC/DC para

garantir uma menor flutuao de valores entrada do circuito. Esta desvantagem traz no

28

entanto a possibilidade da indicao do estado da carga da bateria atravs da simples leitura

da tenso aos terminais da mesma. Sendo este um mtodo bastante simples e prtico, mas

que se torna um pouco impreciso devido s flutuaes da carga. Como tal existem diversos

mtodos para tentar avaliar a quantidade de carga ainda disponvel na bateria.

Grfico 2.6.1: Andamento da tenso e corrente ao longo da descarga

Existem tambm alguns mtodos para tentar determinar o valor da resistncia interna da

bateria. Entre estes destaca-se o mtodo DC pela facilidade com que permite a obteno de

valores recorrendo somente a um simples multmetro e a uma carga fixa. No entanto o teste

no se deve fixar num nico mtodo sob pena de ter uma fraca preciso na medio.

Como se pode verificar no Grfico 2.6.1 a tenso da bateria vai diminuindo ao longo da

descarga portanto torna-se possvel usar essa queda de tenso para calcular o valor da

resistncia interna usando o seguinte mtodo.

1. Escolher um instante e registar a tenso e corrente. Dando como exemplo o minuto

12, onde voltmetro registava 24,1 V enquanto o ampermetro marcava 4,81 A.

2. Escolher um outro instante prximo do anterior pois o valor da resistncia vai

aumentando ao longo da descarga e voltar a registar tenso e corrente. Como o

intervalo de aquisio de valores para este grfico era de 2 minutos vai-se usar o

minuto 14 onde o voltmetro assinalava 24,0 V enquanto que, o ampermetro indicava

4,80 A.

3. Aplicar a lei de Ohm ao intervalo considerado. Definindo a tenso e corrente do

primeiro instante respectivamente por V1 e I1 e usando a mesma regra para o

segundo instante sai:

0

1

2

3

4

5

0

5

10

15

20

25

30

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72

Corrente (A) Tenso (V)

Tempo (min)

Tenso

Corrente

29

( 2.13 )

Substituindo pelos valores:

Este ento o mtodo DC para medio de resistncia interna da bateria. Neste caso os

10 obtidos dizem respeito a duas baterias de 12 V em srie pelo que admitindo que ambas

esto em condies idnticas a resistncia interna resultaria em 5 .

Sendo um pouco crticos fcil perceber que 5 um valor elevado face aos 22 m

anunciados pelo fabricante. No entanto deve-se ter em conta que esses 22 m so medidos

quando a bateria nova, se encontra em plena carga e temperatura ideal de 25 C. J a

bateria aqui em teste encontra-se a uma temperatura superior, j efectuou umas quantas

centenas de ciclos, alguns dos quais incorrectamente conduzidos, j no se encontra a plena

carga, e que, devido srie de baterias, existe um cabo entre as mesmas. Somando a todas

estas condies contrrias ao teste, h ainda o facto de que o intervalo entre medies foi

demasiado longo. Para se obter melhores resultados deveria ter sido testada uma nica

bateria, o comprimento dos cabos deveria ter sido minimizado e o intervalo entre amostras

deveria ser de segundos e no de 2 minutos. No entanto o equipamento existente no permitia

uma maior preciso nas medies pelo que neste caso no traria nenhuma benesse aumentar

a frequncia dos mesmos, sob pena de anular o numerador ou denominador da expresso.

Verificou-se tambm deste modo o valor da resistncia ao longo da descarga e, tal como

esperado, nota-se um ligeiro acrscimo da mesma tendo, a ttulo de curiosidade, sido registado

o valor de 8,3 no incio do teste enquanto a bateria se encontrava a plena carga.

Devido bateria no ser um elemento puramente resistivo existem outros mtodos, que

alm de conseguirem calcular a resistncia interna permitem saber o valor capacitivo e indutivo

da mesma mas que necessitam de equipamento sensvel e especfico.

O anterior grfico (2.6.1) descreve o andamento da tenso e corrente numa descarga

real, executada a um conjunto de duas baterias em srie, e como tal ir ser novamente

abordado no captulo referente aos resultados obtidos. Os valores da resistncia foram

calculados usando os dados obtidos durante este mesmo teste e posteriormente confirmados

com a execuo de novos testes s baterias.

30

2.7 Estado de carga (S.O.C)

Este parmetro , tal como o nome refere, indicativo da quantidade de carga disponvel

na bateria. A finalidade da bateria ser um dispositivo capaz de armazenar energia at que

esta seja necessria, como tal, um dos parmetros mais importantes da mesma saber em

cada instante qual a energia que esta tem para oferecer de modo a que o utilizador possa

planear o uso da mesma da forma mais eficiente tentando evitar que esta se descarregue

antes de cumprir a funo estipulada.

H aplicaes da bateria onde a importncia deste mesmo parmetro no algo

essencial sendo estas passveis de interrupo a meio do trabalho sem contrair grande

prejuzo, no entanto h outras onde este assume um papel fundamental tornando necessrio

um intenso estudo e acompanhamento deste mesmo parmetro. Uma das aplicaes de

baterias em maior crescimento e que traz consigo essa necessidade o uso de veculos

elctricos, pois imperativo o utilizador saber em cada instante qual a autonomia do mesmo

sob pena de ficar sem energia antes do trmino do percurso, um pouco semelhana do

indicador de nvel de combustvel presente nos automveis equipados com motores de

combusto interna.

Como se pretende que o robot usado neste estudo seja autnomo necessrio que este

perceba que quantidade de energia tem ainda ao seu dispor de modo a que este no percorra

uma distncia superior que limita um regresso estao de carga. Este facto denominado

por ponto de no retorno muito conhecido no mundo da aviao pois durante os voos sobre o

oceano h um momento em que o combustvel presente no avio deixa de ser suficiente para

regressar ao local de origem tendo a viagem de continuar independentemente do que

acontea.

No caso do robot, contrariamente ao do avio que tem diversos aeroportos capazes de

suprir as suas necessidades, existe somente um local onde este pode ser recarregado

autonomamente, como tal, torna-se necessrio efectuar um clculo constante da autonomia de

forma a garantir que este nunca atinja esse ponto sob pena de esgotar a energia antes de

acoplar estao de carga.

Como bvio, esta autonomia resultado do conhecimento de diversas variveis da

bateria tais como, a quantidade de carga ainda disponvel, temperatura, e envelhecimento da

mesma bem como outras caractersticas relativas ao percurso e consumo efectuados at

ento.

Devido importncia deste ponto surge a segunda parte desta dissertao como forma

de estudo em torno do clculo deste ponto, e como este varia consoante as caractersticas da

bateria. Desta forma pretende-se que o robot passe a estimar a sua autonomia permitindo o

planeamento prvio do seu percurso e assim garantir o retorno base atempadamente

31

diminuindo o grau de dependncia do utilizador e elevando desta forma o conceito de veculo

autnomo a um novo patamar.

De entre os diversos mtodos para medir o S.O.C destacam-se os seguintes:

2.7.1 Utilizando a qumica

Como referido anteriormente a composio do electrlito vai variando de acordo com a

quantidade de carga presente na bateria, ou seja, o S.O.C. Como tambm j se demonstrou

essa variao incide na concentrao de cido sulfrico no electrlito e esta concentrao faz a

alterao do pH e da densidade do mesmo, portanto basta ter um dispositivo que faa a leitura

do pH ou da densidade do electrlito e dessa forma obter um valor indicativo do estado de

carga em que a bateria se encontra.

Este mtodo basta