Nos artigos anteriores, discutimos tipos de baterias e diferentes conjuntos de baterias. Muitos circuitos e dispositivos incorporados dependem de baterias para fonte de alimentação e muitos desses dispositivos usam baterias primárias que podem precisar ser substituídas. Outros dispositivos incorporados são recarregáveis e usam baterias secundárias para permanecerem alimentados.
Não é difícil selecionar o tipo de bateria, a composição química ou a embalagem para um determinado circuito ou aplicação. Prós e contras, bem como aplicações específicas, devem ser considerações importantes. Baterias primárias leves, como baterias alcalinas e de zinco-carbono, são amplamente utilizadas como células cilíndricas em dispositivos não recarregáveis. As células-botão são geralmente usadas como baterias primárias em dispositivos compactos (como relógios e pulseiras) ou são usadas apenas para alimentar seções específicas de um circuito.
Dispositivos embarcados recarregáveis (ou seja, dispositivos portáteis, dispositivos móveis, brinquedos, fones de ouvido e outros dispositivos portáteis de consumo) normalmente usam células cilíndricas de NiCd ou NiMH, ou células retangulares ou de bolsa de íons de lítio. Para produtos incorporados extremamente compactos, como fones de ouvido Bluetooth, as baterias de íons de lítio continuam sendo a escolha preferida. Os dispositivos portáteis que requerem maior vida útil da bateria utilizam baterias prismáticas (retangulares) de íons de lítio. As células cilíndricas NiCd e NiMH são geralmente usadas como baterias secundárias em produtos sensíveis ao custo. Baterias pesadas e volumosas de chumbo-ácido são usadas como baterias secundárias em aplicações não portáteis, como UPS e energia reserva.
Os seguintes fatores influenciam principalmente a escolha da química da bateria para uma aplicação:
- Reutilização – A primeira coisa que é preciso determinar é se um determinado circuito deve ser recarregável ou se deve depender da substituição da bateria. Conseqüentemente, tipos de bateria primária ou secundária podem ser usados para o dispositivo.
- Durabilidade do ciclo de vida – A durabilidade de uma bateria torna-se uma consideração ainda mais importante quando ela é a bateria principal usada no circuito. Mesmo que seja a bateria secundária usada em um circuito, é importante observar quanto tempo um ciclo de carga-descarga irá durar e quantos ciclos uma bateria pode funcionar sem danos (como inchaço no caso de células prismáticas e de bolsa). Também é importante observar a duração do ciclo de carga-descarga de uma bateria secundária para determinar o procedimento e a programação de carregamento.
- Densidade de Energia – Esta é a quantidade de energia que pode ser armazenada por unidade de massa ou volume. Cada química da bateria possui uma densidade de energia específica que influencia o tamanho e o peso da bateria. Dispositivos portáteis exigem essencialmente que as baterias sejam leves e compactas. Os aplicativos não portáteis podem comprometer o peso, embora ainda possam ter alguma restrição de tamanho.
- Densidade de Potência – É a taxa máxima de descarga de energia por unidade de massa ou volume. A densidade de potência desempenha um papel importante na adequação da química da bateria para uma determinada aplicação. Muitas aplicações exigem uma alta taxa de descarga ou podem ser suscetíveis a um aumento repentino na descarga de energia. Isto pode afetar a segurança de uma bateria. A densidade de potência é a principal influência no desempenho de uma bateria em um circuito.
- Segurança – Os dois fatores mais importantes que influenciam a segurança de uma bateria são a estabilidade térmica e a densidade de potência. Uma bateria deve ter densidade de potência suficiente para atender a quaisquer taxas de descarga possíveis em um circuito. Cada química de bateria também possui temperaturas operacionais específicas. Em altas temperaturas, os componentes da bateria podem quebrar e sofrer reações exotérmicas. As células devem ser adequadamente espaçadas para melhor estabilidade térmica. Pode ser necessário fornecer mecanismos como resfriamento líquido ou resfriamento a ar para gerenciar o calor em um dispositivo. Também é importante observar a temperatura da bateria para diferentes taxas de descarga e níveis de corrente.
- Geometria e tamanho – Diferentes produtos químicos de bateria estão disponíveis em vários formatos e tamanhos. Para uma determinada composição química da bateria, o formato e o tamanho ideais da bateria devem ser selecionados de modo que não comprometam a capacidade necessária de amperes-hora, a duração do ciclo de vida, as restrições de tamanho ou peso e a segurança. A maioria das baterias prismáticas e de bolsa são propensas a inchar com o uso prolongado, portanto, deve haver espaço suficiente em um dispositivo para acomodar isso.
- Custo – Finalmente, a seleção da química da bateria depende do custo. O custo pode ser ajustado selecionando produtos químicos ou embalagens alternativas para a bateria. No entanto, não deve haver compromisso com o desempenho ou a segurança para a redução de custos.
Depois de definir a química da bateria e a bateria (com base no desempenho, segurança, portabilidade, capacidade de recarga e considerações de custo), você precisará identificar as especificações necessárias da bateria. As especificações de bateria mais importantes a serem observadas são as seguintes:
- Tensão Terminal – Qualquer bateria é usada como fonte de tensão em um circuito. Portanto, a primeira especificação que deve ser verificada é a tensão terminal necessária. A tensão de uma bateria deve ser sempre regulada usando um circuito de transistor ou IC regulador de tensão para evitar qualquer ruído ou flutuações da bateria. O regulador de tensão também pode reduzir a tensão de alimentação para o valor necessário caso a tensão da bateria seja maior do que a necessária no circuito. Às vezes, a alimentação da bateria pode precisar ser aumentada usando um amplificador transistorizado se uma tensão mais alta for necessária.
À medida que a bateria descarrega, a tensão terminal começa a diminuir e a resistência interna começa a aumentar. A melhor maneira de testar o estado de uma bateria é medir a tensão terminal sem carga ou sob condições de carga.
- Taxa de descarga – A taxa de descarga é particularmente importante na determinação do desempenho da bateria em um circuito. É também um fator importante na determinação da segurança de uma bateria.
- Capacidade Ampere-hora – A capacidade de energia das baterias é expressa em ampere-hora. Qualquer bateria pode transferir um número específico de elétrons para um circuito antes da descarga completa. Este é um número considerável – é o valor aproximado da corrente contínua que pode ser fornecida a um circuito pela bateria durante um número específico de horas. Se uma bateria tiver capacidade de 1 ampere-hora, significa que a bateria pode fornecer 1 A de corrente contínua por uma hora ou 2 A de corrente contínua por meia hora e assim por diante. A classificação ampere-hora fornece uma duração aproximada do número de horas que a bateria pode funcionar antes da descarga total, fornecendo uma certa quantidade de corrente contínua.
Este é sempre um valor aproximado e a bateria pode descarregar totalmente antes da duração estimada. Por exemplo, se uma bateria de 20 amperes-hora puder ser conectada a uma carga de baixa resistência, que pode consumir uma corrente de 20A, o ideal é que a bateria dure uma hora. Porém, pode descarregar totalmente um pouco antes de uma hora devido ao aquecimento. Da mesma forma, pode-se estimar que uma bateria conectada a uma carga de baixa potência dure vários anos. Ainda assim, ele pode descarregar totalmente antes da duração estimada devido a fatores relacionados ao ciclo de vida, como corrente de fuga, evaporação de eletrólito, altas temperaturas, umidade ou deterioração dos eletrodos.
A capacidade de amperes-hora de uma bateria é especificada para uma corrente específica. Os fabricantes também podem fornecer curvas de redução de capacidade para diferentes correntes e temperaturas. No caso de baterias secundárias, a classificação Amp-hora ajuda a determinar o procedimento e o cronograma de carregamento.
Combinação em série e paralelo de baterias
As baterias podem precisar ser conectadas para formar um banco maior de baterias para atingir tensão ou corrente mais alta. Quando baterias ou células são conectadas em série, a corrente permanece a mesma, enquanto a tensão total é a soma das tensões de todas as baterias. As baterias conectadas em série devem ter a mesma classificação de amperes-hora; caso contrário, a bateria com uma classificação de amp-hora mais baixa se esgotará antes das outras e o fornecimento será interrompido. A classificação total de amp-hora do pacote permanece a mesma da conexão em série. Apenas aumenta a saída de tensão da bateria.
Quando baterias ou células são conectadas em paralelo, a tensão permanece a mesma, enquanto a corrente total é a soma das correntes de baterias/células individuais. As baterias conectadas em paralelo devem ter a mesma tensão terminal. As baterias em paralelo novamente não alteram a classificação geral de amp-hora e apenas aumentam a corrente de saída.
Proteção contra sobrecorrente
Baterias de qualquer tipo podem produzir contracorrente. Além disso, pode haver flutuações no fornecimento da bateria. Para proteger um circuito contra contracorrente e flutuações, um fusível ou disjuntores devem ser usados. Nas baterias conectadas em série, um único fusível é suficiente para proteger o circuito de carga. Em baterias conectadas em paralelo, recomenda-se usar um fusível separado para cada bateria, para que nenhuma bateria sobrecarregue a outra. O disjuntor pode ser tão simples quanto um diodo de proteção.
Proteção contra sobrecarga
No caso de baterias secundárias, é importante evitar sobrecargas e descargas excessivas. Para isso, inicialmente, deve-se manter a produção e o cronograma de cobrança adequados. Os indicadores de carga da bateria podem ser usados para evitar sobrecarga e descarga excessiva. Circuitos de proteção contra sobrecarga também podem ser usados para proteger uma bateria. Em algumas aplicações, pode ser usado o circuito de alimentação que pode alimentar a carga diretamente da fonte CC e pode mudar para alimentação por bateria em caso de falha de energia. Nessas aplicações, uma bateria recarregável pode ser usada como fonte de energia de reserva.
No próximo artigo, iniciaremos uma discussão sobre a tecnologia de semicondutores – a base da eletrônica moderna.