No entanto, as diferentes características dos vários tipos de baterias apresentam desafios técnicos para os consumidores e até mesmo para os engenheiros na hora de selecionar baterias e carregadores. Este artigo irá abordar as diferenças entre dois dos tipos de bateria mais populares: as baterias de chumbo-ácido e as baterias de lítio, bem como como selecionar um carregador adequado.
Características das baterias de chumbo-ácido e de lítio:
As baterias de chumbo-ácido, um dos tipos mais populares, têm uma longa história. Algumas das suas vantagens incluem a elevada tolerância à tensão de carga, elevada capacidade de sobrecorrente, ampla gama de temperatura de funcionamento e baixo custo. São frequentemente encontradas em aplicações móveis, como automóveis e empilhadores, bem como em sistemas de energia de reserva. As desvantagens das baterias de chumbo-ácido são a sua elevada taxa de autodescarga e os ciclos de carga/descarga relativamente curtos; não são, portanto, adequadas para aplicações de armazenamento de energia.
Ao contrário das baterias de chumbo-ácido, a elevada taxa de carga/descarga, a baixa taxa de autodescarga e a elevada densidade de energia das baterias de lítio fazem delas uma melhor escolha para o armazenamento de energia a longo prazo. Dependendo do metal utilizado no cátodo das baterias de lítio, existe uma variedade com diferentes características de desempenho. O óxido de lítio-cobalto (LCO) tem uma elevada densidade de energia e é ideal para eletrónica pessoal. O fosfato de ferro-lítio (LiFePO4) tem uma vida útil mais longa e uma estabilidade térmica relativamente boa, o que o torna uma melhor escolha para soluções de armazenamento de energia. A limitação das baterias de lítio é que a fuga térmica pode provocar incêndios. Por conseguinte, as baterias de lítio exigem um controlo mais rigoroso dos processos de carga e descarga.
Algoritmo de Carregamento de Baterias:
A tensão nominal de uma única célula de chumbo-ácido é de aproximadamente 1,8–2,3V, com uma corrente máxima de carga recomendada de 0,3C. A maioria das baterias disponíveis comercialmente possui várias células ligadas em série e em paralelo para formar uma bateria de alta capacidade com tensões mais práticas, como 12V, 24V e 48V. Note que "12V", "24V" ou "48V" são frequentemente utilizados de forma imprecisa como indicação da gama de tensão. A tensão real varia constantemente em função da capacidade restante. Por exemplo, a tensão de circuito aberto de uma bateria de chumbo-ácido AGM típica de '12 V' situa-se entre 10,8 V (30% da capacidade da bateria) e 13,8 V (100% da capacidade).
Devido à elevada taxa de autodissipação das baterias de chumbo-ácido, é frequentemente recomendado um método de carregamento em 3 fases. Um ciclo de carregamento típico começa no estágio de corrente constante ("estágio 1" na Figura 1), onde o carregador limita a sua corrente de saída à sua capacidade máxima e aumenta gradualmente a tensão de saída. Assim que a tensão da bateria atinge a tensão máxima de carregamento, o carregador passa para o estágio de tensão constante ("estágio 2" na Figura 1). O carregador começa então a fornecer a sua tensão nominal máxima continuamente, monitorizando a corrente de saída. Por fim, o carregador passa para o estágio de flutuação ("estágio 3" na Figura 1) após a corrente de carregamento ter descido abaixo de aproximadamente 10% da corrente nominal. Nesta fase, o carregador reduz a tensão de saída para evitar sobrecarga. Embora a bateria esteja perto da carga completa neste momento, ainda consome energia continuamente do carregador para compensar a autodissipação. Figura 1.
Curva de carregamento de 3 estágios.
As baterias de lítio podem ter tensões nominais de 3,2 V a 4,4 V com uma corrente máxima de carregamento até 1C. Mesmo as baterias de lítio da mesma variante química, mas de fabricantes diferentes, podem ter tensões nominais e correntes de carregamento diferentes. Ao contrário das baterias de chumbo-ácido, as baterias de lítio não toleram tensões de carga elevadas e não necessitam de carga de flutuação para manter a sua condição. Por conseguinte, as baterias de lítio são frequentemente carregadas em dois estágios (Figura 2), sem o estágio de flutuação.
Figura 2. Curva de Carregamento em Dois Estágios.
O desequilíbrio entre células é uma preocupação comum nas baterias de lítio. Devido às tolerâncias de fabrico, a resistência em série equivalente (ESR) das células de lítio não pode ser perfeitamente igualada. A diferença entre elas faz com que as células do mesmo banco carreguem com tensões ou correntes diferentes. As células com baixa ESR carregarão/descarregarão sempre completamente primeiro, pelo que envelhecerão e falharão mais rapidamente. O desequilíbrio entre células não só reduz a vida útil da bateria, como também pode levar à fuga térmica e tornar-se um risco de segurança. Para resolver este problema, os grandes bancos de baterias de lítio devem estar sempre equipados com sistemas de gestão de baterias (BMS). A função básica de um BMS é monitorizar o estado de carga e equilibrar as células passiva ou ativamente. Um BMS passivo equilibra as células descarregando as células mais carregadas utilizando resistências de potência. É robusto e relativamente fácil de projetar, mas menos eficiente e menos eficaz. Por outro lado, o BMS ativo carrega as células individualmente para igualar os seus níveis de carga. Uma vez que o BMS ativo controla a carga de cada célula individualmente, alguns bancos de baterias de lítio com BMS de equilíbrio ativo apenas requerem fontes de alimentação CA/CC de tensão constante como carregador.
Solução Inteligente de Carregamento de Baterias MEAN WELL
Como já foi referido anteriormente, as baterias de diferentes composições químicas e fabricantes podem apresentar características distintas. Recomenda-se (e é obrigatório para as baterias de lítio) a utilização de uma curva de carregamento otimizada para garantir fiabilidade, longevidade e segurança. Os carregadores CC programáveis da MEAN WELL, com o programador de carga inteligente SBP-001, oferecem flexibilidade e uma interface intuitiva para o ajuste da curva de carregamento.
Como exemplo, iremos utilizar a nova série HEP-1000 e escolher o modelo HEP-1000-48 com uma tensão constante de 48V e uma potência máxima de 1008W. Os utilizadores podem ligar o HEP-1000-48 ao programador de carga inteligente MEAN WELL SBP-001 e ativar o modo de carregamento. A curva de carregamento padrão é de 3 fases (Figura 3) para baterias de chumbo-ácido seladas típicas, com uma tensão de carga de pico de 57,6V e uma tensão de carga de flutuação de 55,2V. A tensão e a corrente de carga podem ser facilmente ajustadas para 36–60 V e 3,5–17,5 A, respetivamente, para outros tipos de baterias de chumbo-ácido.
A Figura 3 mostra o programa de carregamento inteligente (HEP-1000-48, carregamento em 3 fases).
Selecionando o modo de carregamento em 2 fases, o HEP-1000 também pode ser utilizado para carregar baterias de lítio dentro da mesma gama de regulação. Para carregar uma bateria LiFePO4 de 20 Ah com uma tensão máxima de carga de 56 V, as opções "CV" e "CC", apresentadas na Figura 4, podem ser configuradas para 56 V e 17,5 A para um carregamento mais rápido. O utilizador pode também reduzir a corrente de carga para evitar o sobreaquecimento e as quedas de tensão, evitando assim a possibilidade de sobrecarga.
Figura 4. Programa de carregamento inteligente (HEP-1000-48, carregamento em 2 fases)
resumo
, os carregadores programáveis da MEAN WELL podem ser usados para personalizar as curvas de carga necessárias para baterias de chumbo-ácido ou de lítio. O ajuste da tensão e da corrente de carga com base na temperatura preserva a bateria, otimiza a sua capacidade e prolonga a sua vida útil.
Autora: Anke Ge/Centro de Assistência Técnica
Tradução: Departamento de Marketing da OLFER Electronics
