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Baterias recarregáveis e recarregadores

Baterias recarregáveis e recarregadores

As primeiras baterias recarregáveis utilizadas em aparelhos eletrônicos portáteis, basicamente os telefones sem fio, creio que foram as baterias de Níquel-Cadmio, conhecidas pela sigla NiCd e que ainda são usadas até hoje.

O avanço da tecnologia e as preocupações, cada vez maiores, com o meio ambiente levaram a indústria especializada a investir em pesquisas de novos tipos de baterias recarregáveis.

A tendência é que a produção das baterias NiCd venha a ser descontinuada por causa do alto grau de toxidade do cádmio e seja substituída pelas NiMH.

Para suprir a demanda por baterias recarregáveis exigida pela quantidade, cada vez maior de aparelhos portáteis, temos pelo menos três novos tipos no mercado, a saber, Íons de Lítio (Li-íon), Polímeros de Lítio (LiPo) e Níquel Metal Hidreto (NiMH).

Uma questão relevante sobre este assunto é saber qual o recarregador correto para cada tipo de bateria.

Confesso que eu não estava muito atento para este detalhe dos recarregadores até que um amigo me pediu que eu fizesse uma adaptação para que pudesse ser usada uma bateria de 9V recarregável em uma mini pista de slotcar (no Brasil conhecido como autorama) que eu havia construído para ele há algum tempo.

Antes de prosseguir com a história da adaptação da bateria solicitada pelo meu amigo vou abrir um parênteses para explicar, para quem não é do ramo, o que é e para que serve esta tal mini pista de slotcar.

A turma que “brinca” com slotcar “profissionalmente” costuma usar alguns acessórios, como fontes variáveis para testar e amaciar carrinhos, “maquininhas” para tornear pneus e uma mini pista para limpar os pneus bem como amaciar a mecânica de suas “Ferrari” de 12 volts.

Mini pista de slot car

Mini pista de slot car

Trata-se apenas de uma tabuinha com duas guias metálicas para ligar o carrinho e um pedacinho de esponja de limpeza tipo 3M onde as rodas são apoiadas, como mostra a figura, para matar sua curiosidade.

É claro que é necessário usarmos uma fonte para alimentar a traquitana que neste caso pode ser de 9V, desde que possa ser ajustada para valores menores.

Para simplificar o projeto, usei uma pequena fonte chaveada portátil de 12V/500mA e adaptei um LM317, dentro da caixinha que serve de apoio para a pista propriamente dita, afim de que a tensão recebida pelo carrinho pudesse ser variada de acordo com a tarefa a ser desempenhada (limpeza de pneus ou amaciamento da mecânica).

Como eu disse, meu amigo gostaria de poder operar a engenhoca com bateria e de preferência recarregável o que tornaria o “equipamento” portátil e fácil de ser usado nas pistas de competições.

Até então, eu não via nada de mais era só montar um circuito que servisse de recarregador o que poderia ser feito até mesmo com outro LM317 que forneceria a tensão/corrente apenas para recarregar a bateria.

O problema que acabou me levando a escrever este post começou quando ele me trouxe a bateria de 9V e eu vi que não era uma NICd, como eu esperava, e sim uma Li-íon de 680mAh.

Já havia lido, por alto, que existiam algumas diferenças com relação à recarga das NiCd e das Li-íon,  mas eu precisaria pesquisar mais sobre o assunto e a “encomenda deste projeto” era uma boa motivação para fazer isso.

Conhecendo um pouco as baterias recarregáveis

O sucesso das baterias NiCd talvez esteja relacionado principalmente a sua alta densidade de carga e ao grande número de ciclos de recarga (da ordem de 1000) e preço relativamente baixo.

Entretanto, a toxidade do cádmio vem colocando este tipo de bateria na lista negra dos equipamentos “ecologicamente incorretos” além de que uma característica ruim destas baterias que é o efeito memória.

Para quem não sabe a bateria NiCd só deve ser recarregada quando sua carga tiver praticamente chegado a zero, caso contrário cada vez ela admitirá menos carga, pois ela vai assumindo o ponto de carga a partir do valor de tensão remanescente que ainda restar.

Para entender melhor este conceito de efeito memória nas baterias vamos fazer uma comparação com uma caixa d’água.

Toda vez que você enche uma caixa d’água além de água você coloca também resíduos que, ao longo do tempo, vão formando uma camada de lama no fundo da caixa. Se você não esvaziar a caixa totalmente toda vez que for enchê-la vai ficando cada vez  mais lama no fundo e assim, a quantidade de água que você coloca é cada vez menor, ou seja, a caixa só enche a partir da camada de lama do fundo.

É claro que numa caixa d’água esta diferença entre o fundo da caixa e o novo nível de água real é imperceptível, apenas usei o exemplo para tentar ilustrar o que é o efeito memória das baterias NiCd.

Efeito memória em baterias NiCd e NoMH

Efeito memória em baterias NiCd e NoMH

A substituta “direta” das NiCd, provavelmente será a NiMH que tem a vantagem de não usar material tóxico como o cádmio e também apresentar alta densidade de energia;

Entretanto, as NiMH têm um número de ciclos de carga menor (entre 300 e 500) e continuam apresentando efeito memória.

Bateria NiMH

Bateria NiMH

Uma vantagem, pelo menos, é que os recarregadores usados para as baterias NiCd podem ser usados para as NiMH, pois os métodos de recarga são semelhantes.  

Recarregador NiCd & NiMH

Recarregador NiCd & NiMH

 Baterias Li-Íon ou Íon de Lítio

Agora vamos falar das baterias que me levaram a escrever este post, em face às pesquisas que realizei para fazer o recarregador para a mini pista do meu amigo.

Estas baterias estão sendo muito utilizadas atualmente e você com certeza está utilizando pelo menos uma delas no momento. Sabe onde? No seu celular.

Se você utiliza notebook ou tablet, então também é um usuário de baterias Li-íon.

Porém, certamente você não se preocupa com que tipo de recarregador deverá utilizar nestes casos, pois é só espetar o celular (notebook ou tablet) na “caixinha preta”, ligar na tomada e eles que se entendam, não é assim?

Eu também não me preocupava até precisar de um recarregador que atendesse uma bateria Li-íon de 9V.

A primeira coisa que eu descobri a respeito destas baterias é que a carga delas, diferente das NICd e NiMH, se processa em dois estágios (ou trê), porque elas são sensíveis à corrente e à tensão.

Outro fato que precisamos estar atentos é que as baterias Li-ion não toleram sobrecarga de tensão maior que 4,2V +/- 50mV, ou seja, uma vez atingido este valor o recarregador deve parar de continuar mandando corrente para a bateria sob pena de reduzir a vida útil da mesma.

As baterias Li-íon não apresentam efeito memória e, portanto não precisamos descarregá-las totalmente para iniciar a recarga.

Aliás, não DEVEMOS deixá-las chegar a zero volt, pois a bateria poderá não aceitar mais carga.

Tensão básica de uma célula

Toda bateria, seja de que tipo for, tem um valor básico de tensão para cada célula.

Por exemplo, se você olhar a etiqueta de uma bateria usada em telefone sem fio verá que está escrito 3,6V o que significa que a bateria é composta de três células de 1,2V cada uma, ligadas em série, para fornecer os 3,6V como aparece no destaque.

Bateria NiCd

Bateria NiCd

Você deve ter notada também que há outra informação além do tipo de bateria (NiCd) e da tensão que, neste caso, é 300mAh.

Você sabe o que significa “mAh”?

Se não sabe, já-já falaremos sobre isto.

No caso das baterias Li-íon a célula básica fornece 3,7V chegando a 4,2V quando plenamente carregada, mas deve ser recarregada quando sua tensão atingir 3,0 volts.

Este é o valor que você encontrará na bateria do seu celular além do valor em mAh.  Dê uma olhada e confirme o que estou dizendo.

E uma bateria de note book? 

Na figura abaixo temos um exemplo.

Bateria de notebook

Bateria de notebook

Veja que a etiqueta diz 11,1V o que significa que é formada por três células (3,7 x 3 = 11,1 ou a plena carga 4,2 x 3 = 12,6V).

Observe que temos também ao lado da tensão a informação 4,4Ah que é a mesma coisa que 4400mAh e ainda 48Wh que é a quantidade de energia que a bateria pode armazenar (1,1V x 4,4Ah = 48,4Wh).

Prosseguindo na minha pesquisa sobre baterias Li-íon desmontei alguns packs de baterias de notebooks que haviam sido descartados.

Abaixo temos as fotos das baterias, bem como do circuito que encontrei lá dentro, repare que há inclusive um sensor de temperatura.

Baterias de notebook

Baterias de notebook

Circuito recarregador dentro do pack de baterias

Circuito recarregador dentro do pack de baterias

De posse destas observações preliminares comecei a pesquisar na Internet sobre recarregadores e aí eu descobri que existem CIs dedicados (como aparece na foto) a este serviço em virtude do grau de exigência deste tipo de bateria quanto à recarga.

Não irei tratar deles aqui porque são uma infinidade de tipos diferentes e também porque não se consegue comprá-los com facilidade, mas acho que vale a pena mencionar o assunto.

CIs deste tipo são encontrados nos packs de bateria de notebooks como se vê na figura acima em um desmonte que eu realizei.

As baterias Li-ion são sensíveis a corrente e a tensão o que exige que o carregador opere em duas (ou três) etapas como veremos mais à frente.

Mas antes entrar neste detalhe vamos destrinchar o significado de C-rate (taxa de carga) e que vai nos ajudar a entender aqueles valores em mAh ou Ah (miliampère-hora ou ampère-hora) que apareceram lá atrás.

Esta unidade nos dá a capacidade da bateria fornecer corrente durante um determinado período de tempo e deveria aparecer junto com um parâmetro indicado com Cxx que depende da aplicação da bateria.

Vejamos um exemplo extraído de boletim da AMTEX (www.amtex.com.au). Uma bateria com a indicação 100Ah@C10 indica que ela poderá fornece 10 ampères durante 10 horas até chegar atingir o fim da carga.

Assim, para se comparar baterias de fabricantes diferentes é importante que se saiba qual o valor da taxa de carga (C-rate) além de quantos mAh a bateria pode fornecer.

Em geral, pelo que pude perceber nas baterias mais comuns, o valor do C-rate não costuma ser informado o que parece significar que deve ser C1, pois se fosse melhor que isto o fabricante informaria com alarde.

O que é bom a gente mostra, o que é ruim a gente esconde (alguém lembra quem disse isto?).

Há outro interesse em se conhecer um pouco sobre o parâmetro C-rate porque que ele está relacionado a recarrega das baterias Li-íon (válido também para as Li-Po).

A recarga das baterias Li-ion e Li-Po se faz em dois ou três estágios como é mostrado no gráfico abaixo.

Gráfico de recarga de baterias Li-ion

Gráfico de recarga de baterias Li-ion

O primeiro estágio chamado pré carga só é utilizado se a tensão da bateria estiver entre 2,7 e 3V e irá operar com uma corrente constante constante de 0,1C até que a tensão da bateria atinja 3,3V (ponto 1 do gráfico). Se a bateria a ser carregada já estiver com este valor a pré carga não é necessária e a bateria pode começar com uma corrente de 0,7C (segundo a Panasonic) e que deverá se manter constante até a bateria atingir 4,2V (ponto 2 no gráfico). A partir daí a corrente de carga começa a cair e a tensão sobre a bateria se mantém constante em 4,2V até a corrente chegar a 0,1C quando o processo de carga deve ser encerrado.

Construindo um recarregador para a bateria do meu amigo

Na verdade estou apresentando aqui um pequeno resumo do que eu iria precisar para construir o recarregador, mas já dá para perceber em que encrenca eu havia me metido.

Mas, afinal amigo é pra estas coisas e pensando bem eu acabaria saindo no lucro com um monte de coisas novas que estava aprendendo. Um prato cheio para quem, como eu, gosta de desafios.

Comecei então a busca na Internet por algum CI que fizesse todo o trabalho pesado para mim. Encontrei vários, como já disse, só não encontrei onde comprar.

O meu projeto não precisaria ser dotado de um carregador muito “inteligente”, no entanto deveria atender as exigências da bateria.

A primeira coisa que achei estranha é que a bateria que ele trouxera tinha a inscrição 9V-680mA o que me deixou intrigado, pois em todos textos que li aparecia a informação de que a célula era de 4,2V e, portanto só poderia fornecer 8,4V. Resolvi então trabalhar com este valor. Meu carregador deveria começar a carga com 0,7 x 680mA = 480mA  (supondo que a bateria deveria ser C1).

De repente encontrei um artigo muito bem detalhado que utilizava o LM317 e resolvi experimentá-lo.

Mas isso vai ficar para o próximo post onde falarei do projeto de Scott Henion (http://shdesigns.org/lionchg.html) e da montagem final que fiz para a mini pista.

Até sempre

 

 

 

 

Técnico em eletrônica formado em 1968 pela Escola Técnica de Ciências Eletrônicas, professor de matemática formado pela UFF/CEDERJ com especialização em física. Atualmente aposentado atuando como técnico free lance em restauração de aparelhos antigos, escrevendo e-books e artigos técnicos e dando aula particular de matemática e física.

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