Uma bateria é um dispositivo eletroquímico que pode armazenar energia na forma de energia química. Isso se traduz em energia elétrica quando a bateria está conectada em um circuito devido ao fluxo de elétrons devido à colocação específica de produtos químicos. Para mais informações sobre como funcionam as baterias, você pode ler o artigo que já abordamos: Introdução às baterias e seus tipos.
Uma bateria não é uma fonte de alimentação finita ideal. A energia armazenada em uma bateria totalmente carregada não pode ser fornecida totalmente ao circuito digital porque a quantidade de energia que uma bateria pode fornecer depende da corrente retirada da própria bateria. Em outras palavras, o quanto maior a corrente de descarga, maior será o desperdício de energia da bateria.
Por exemplo, as baterias alcalinas geralmente têm uma vida útil de sete a 10 anos. As baterias de lítio BR e CR podem durar cerca de 10 a 15 anos, e as células de cloreto de tionila de lítio podem durar mais de 20 anos.
Termos gerais
Antes de prosseguirmos, devemos conhecer os seguintes termos.
- Voltagem nominal: Tensão de uma célula totalmente carregada nos terminais positivo e negativo da bateria.
- Capacidade de energia/bateria: A energia armazenada em uma bateria é chamada de capacidade da bateria.
- Densidade de Energia: A densidade de energia é a medida de quanta energia uma bateria contém em proporção ao seu peso. Quanto maior for a densidade de energia da bateria, mais cara será a tecnologia da bateria.
- Taxa de autodescarga: As baterias não duram para sempre. Mesmo que não sejam utilizados, as reações eletroquímicas ainda ocorrem, descarregando lentamente a bateria naturalmente. Este processo é chamado de taxa de autodescarga.
- Validade: A vida útil da bateria é o período de tempo que uma bateria pode permanecer armazenada sem perder sua capacidade.
- Vida útil da bateria: É o tempo de execução com uma bateria totalmente carregada em mAh.
Cálculo da vida útil da bateria
A vida útil da bateria pode ser calculada usando a corrente de entrada da bateria e a corrente de carga do circuito. A vida útil da bateria é inversamente proporcional à corrente de carga, o que significa que será alta quando a corrente de carga for baixa e será baixa se a corrente de carga for alta.
A capacidade da bateria pode ser medida pela seguinte fórmula:
Vida útil da bateria = Capacidade da bateria (mAh) / Corrente de carga (mA) * 0,9
*O fator de 0,9 leva em consideração (temperaturas, envelhecimento, etc.) fatores externos que podem afetar a vida útil da bateria.
Por exemplo, uma bateria de 2500mAh (2,5Ah) com um dispositivo que consome 500mA (0,5A) você tem:
2,5Ah/0,5A * 0,9 = 4,5 horas
Classificações de baterias
Existem duas classificações de baterias:
Bateria primária. As baterias primárias são comumente conhecidas como células secas. Uma bateria primária é uma fonte conveniente de energia para eletrônicos e dispositivos portáteis. Eles são do tipo que “descartam imediatamente quando recebem alta”. Essas baterias são basicamente a fonte de energia CC. Os principais recursos das baterias primárias são baratos, leves, fáceis de usar e não requerem manutenção.
Exemplos são células de zinco-carbono, baterias despolarizadas de metal-ar e células alcalinas de zinco-dióxido de manganês. As baterias primárias mais comuns são as baterias alcalinas de 1,5 V (AA, AAA, AAAA, C, D, 9V).
Com base nas composições químicas, os tipos de baterias primárias são:
Com base na nomenclatura, os tipos de baterias primárias são os seguintes.
Pilhas AA
A bateria AA é uma bateria seca cilíndrica de célula única de tamanho padrão. É uma bateria extremamente comum e é produzida por diversas marcas como Toshiba, Duracell, etc. Tem uma dimensão de 50,5 mm de comprimento e 14,5 mm de diâmetro.
Figura: 1 bateria AA
Pilhas AAA
As baterias AAA são menores em tamanho em comparação com as AA, mas a capacidade de uma bateria AA é muito maior do que a de uma bateria AAA. Tem uma dimensão de 44,5 mm de comprimento e 10,5 mm de diâmetro.
Fig: 2 pilhas AAA
Pilhas AAAA
A bateria AAAA pesa 43% menos, 40% menor e é 20% mais fina que a bateria AAA. A bateria AAAA tem 42,5 mm de comprimento e 8,3 mm de diâmetro. Essas baterias também são classificadas como LR8D425 pela IEC e 25A pela ANSI/NEDA.
Fig: 3 Bateria AAAA
Baterias C
As baterias C são um tipo de bateria seca amplamente utilizado que fornece uma carga confiável e duradoura para dispositivos com necessidades de consumo de energia média a alta. Mede 500 mm x 26,3 mm.
Baterias D
As baterias D são grandes células cilíndricas descartáveis usadas para aplicações que consomem energia ocasional. Estas são maiores que as células secas C. O tamanho padrão de uma bateria D tem um comprimento aproximado que varia de 58,0 a 61,50 mm.
Fig: Bateria 5 D
Baterias de 9V
Esta bateria tem formato retangular e possui conectores de encaixe na parte superior da bateria. A bateria de 9 V mais comum nesta linha é conhecida como bateria PP3.
Figura: 6 Bateria de 9V
Baterias CR123A
Esta é uma bateria de célula cilíndrica amplamente utilizada para diversas aplicações, desde dispositivos médicos até tecnologia de nível militar. Eles são comumente chamados de bateria 123. Tem 34 mm de altura e 17 mm de diâmetro.
Figura: 7 Bateria CR123A
Baterias 23A
Uma bateria A23 é cilíndrica e tem aproximadamente dois terços do comprimento de uma bateria AAA. Suas dimensões são 28,2 mm de comprimento e 10,0 mm de diâmetro. Uma bateria A23 é basicamente um dispositivo de 8 células com tensão nominal de 12 V.
Figura: 8 Bateria 23A
Baterias CR2032
Esta é uma bateria de célula tipo moeda – também chamada de célula botão – que usa química de lítio. Em comparação com as baterias AA e AAA normais, as baterias de lítio CR2032 são conhecidas por produzir energia mais eficiente e estável.
Figura: 9 Bateria CR2032
Bateria secundária
Uma bateria secundária é eletricamente recarregável. A bateria secundária mais comum é a bateria de chumbo-ácido usada em automóveis. Exemplos são baterias de níquel-cádmio, níquel-hidreto metálico e baterias de lítio..
Chumbo ácido
Esta bateria é composta de dióxido de chumbo no ânodo e uma matriz ou esponja de chumbo no cátodo. O eletrólito pode ser líquido (ácido sulfúrico e água destilada) ou pasta ou gel com válvula reguladora de pressão.
Fig: 10 Bateria de Chumbo Ácido
Níquel Cádmio
Níquel-Cádmio é uma bateria composta por um ânodo de cádmio e um cátodo de hidróxido de níquel. O eletrólito é composto de hidróxido de potássio. A técnica de carregamento desta bateria é por corrente constante, pois não existe relação direta entre a tensão e o nível de carga.
Fig: 11 Bateria de Níquel-Cádmio
Hidreto metálico de níquel
Esta é uma bateria composta por um ânodo de hidróxido de níquel e um cátodo de hidreto metálico. É uma modificação ou melhoria da bateria de níquel-cádmio. As principais características podem ser conferidas na tabela abaixo.
Fig: 12 Bateria de hidreto metálico de níquel
Sulfeto de Sódio
Esse tipo de bateria com nova tecnologia possui ânodo de enxofre e cátodo de sódio. O eletrólito é um composto cerâmico de óxido de alumínio usado como separador e como eletrólito.
Fig: 13 Bateria de Sulfeto de Sódio
Íon-lítio
As baterias de íon-lítio são baseadas em compostos com lítio em ambos os eletrodos, geralmente com grafite no cátodo e lítio no ânodo. O processo de carga-descarga baseia-se na inserção-desinserção de íons de lítio, gerando assim a conversão de energia química em elétrica.
Fig: 14 Bateria de íon de lítio
Polímero de Lítio
A bateria Li-Po é uma melhoria ou modificação da bateria de íons de lítio, mas sua principal característica é que o eletrólito é um polímero sólido, permitindo a criação de baterias minúsculas porque o eletrólito sólido ocupa menos espaço que o eletrólito líquido.
Fig: 15 Bateria de Polímero de Lítio
Consideração sobre bateria
Vejamos um exemplo. Temos três casos:
1º caso: Selecione uma bateria para o controle remoto da TV que deve funcionar por 1 ano e consumir muito menos energia.
Então, neste caso, digamos que o LED IR no controle remoto deva ter bateria com duração de 1 ano. Vamos supor que uma pessoa clica em um controle remoto 100 vezes por dia e cada clique leva 100 ms. O tempo total de uso remoto será de 10.000 ms por dia. Vamos pegar a bateria de 100 mAh.
Vida útil da bateria = Capacidade da bateria (mAh) / Corrente de carga (mA) * 0,9
Vida útil da bateria = 100(mAh) / 20(mA) * 0,9
Vida útil da bateria = 4,5 horas = 16.200.000 ms
Número total de dias = 16.200.000 ms / 10.000 ms = 1.620 dias
Número de anos que a bateria pode funcionar = 1620/365 = 4,4 anos
Agora, mesmo uma bateria de 100 mAh pode durar mais de quatro anos. Portanto, podemos considerar baterias AA, AAA ou AAAA com capacidade menor ou igual a 100mAh.
2º caso: Selecione uma bateria para revelação cardíaca de ECG para que ela possa ser movida com o paciente e esteja sempre ligada para mostrar os sinais vitais do paciente.
Vejamos um exemplo de dispositivo IoT que mede sinais biológicos. Consome 77mA a 3,8 V. Deve funcionar continuamente por cerca de seis horas antes da descarga.
Vida útil da bateria = Capacidade da bateria (mAh) / Corrente de carga (mA) * 0,9
Vida útil da bateria = 100(mAh) / 20(mA) * 0,9
6 horas = Capacidade da bateria / 77mA * 0,9
Capacidade da bateria = 513mAh
Neste caso, selecionaremos baterias secundárias, como baterias de íons de lítio e baterias de níquel-cádmio, que podem ser utilizadas e cuja capacidade deve ser superior a 513mAh.
3º caso: Queremos selecionar uma bateria que funcione por muito tempo, cerca de 10 anos e que consuma energia moderada.
Tomemos como exemplo um alarme de incêndio cuja carga de standby é de 250mA, carga de alarme de 750mA e período de standby de 24 horas com 30 minutos em condição de alarme:
Capacidade = ((Corrente de carga em espera x Tempo de corrente de carga em espera) + 1,75 x (Corrente de carga de alarme x Tempo de corrente de carga de alarme)) x1,25
Capacidade = 1,25((24 x 0,25) + 1,75(0,75 x 0,5))
= 1,25((6 + 0,66))
= 8,32 Ah
A partir deste resultado, seriam necessárias no mínimo baterias de 9Ah para manter este sistema pelo período requerido.
Para este caso, selecionaremos baterias primárias cuja vida útil deverá ser de cerca de 10 a 15 anos e ter capacidade de 9Ah. Portanto, podemos escolher qualquer bateria de composição de cloreto de tionila de lítio cujo requisito de energia atenda aos nossos requisitos.
Consideracoes chave
Devemos sempre saber a corrente de pico (é a quantidade máxima de corrente que a saída é capaz de fornecer por breves períodos de tempo) do dispositivo, pois o consumo médio de corrente não afeta a bateria. No entanto, a corrente de pico pode ter um efeito adverso na capacidade real da bateria, especialmente se não houver tempo suficiente entre os períodos de descarga de alta corrente (exemplo: MCU acordado) para deixar a bateria descansar (exemplo: MCU dormir) e se recuperar. .
Para evitar esses períodos de descarga de alta corrente, você deve usar um capacitor suficientemente grande para fornecer corrente ao dispositivo quando o MCU estiver ativo. Enquanto o dispositivo está em repouso, a bateria carrega o capacitor e, quando o dispositivo se torna ativo e requer uma alta taxa de descarga, esse capacitor fornecerá corrente ao dispositivo. Desta forma, a bateria não passaria por períodos de alta taxa de descarga e a eficiência da bateria poderia ser melhorada.
Concluindo, se o requisito de energia for baixo ou o uso da bateria for pouco frequente durante um longo período de tempo, será usada uma bateria primária. Se o uso da bateria for frequente (se as baterias primária e secundária forem capazes de atender aos requisitos de energia), a escolha dependerá da preferência do usuário.
