TEMPO DE DESCARGA DA BATERIA EM CURTO CIRCUITO
Quando selecionamos células para um pack de baterias é de grande valia ter a habilidade de comparar diferentes tipos de tecnologias de células e calcular assim a resistência e eficiência, independentemente da capacidade, tensão ou química da célula. Este artigo propõe uma forma de fazer isto. Utilizando o "Tempo de Descarga de Curto circuito".
Mas o que é o “tempo de descarga de curto circuito” (SDT)?
Basicamente o SDT do inglês “Short Discharge Time” (tempo de descarga de curto circuito) é o tempo teórico necessário para descarregar uma célula (ou bateria) com carga completa através de um curto-circuito. Essa constante é uma característica de cada tecnologia de célula ou bateria. Um valor baixo de tempo de descarga de curto circuito indica que uma célula ou bateria é mais eficiente que outra. Tal dado se torna relevante para o projeto e montagem de packs de baterias.
Aplicação
O Tempo de Descarga de Curto circuito pode ser usado para selecionar rapidamente a tecnologia da célula para uma determinada aplicação, para calcular rapidamente a resistência da bateria e sua respectiva eficiência.
O Tempo de descarga de curto circuito é calculado da seguinte maneira:
Onde:
Capacidade: A capacidade nominal da célula ou da bateria.
Resistência: Resistência da bateria em 50% SOC (Estado da Carga)
Tensão: Tensão em circuito aberto da célula ou bateria em 50% SOC (Estado de Carga)
Na prática, o tempo de descarga de curto circuito de células varia de 0,004 a 0,06 horas (15 a 220 s). Portanto, segundos é uma medida mais prática do que horas no cálculo do tempo de descarga de curto circuito:
Por exemplo, as especificações de uma célula LiFePO4 de tamanho 26650 são: 3,3 Volts de tensão, 2,3 Ah de capacidade e 10 m? de resistência interna. Portanto, o tempo de descarga de curto circuito dessas células e das baterias construídas a partir dessas células, independentemente do arranjo é:
Graficamente
Infelizmente, muito poucos fabricantes especificam a verdadeira resistência DC. Muitos especificam a impedância em 1 kHz, o que é fácil de medir, mas é inútil para o usuário e não está relacionado à resistência DC. Nesse caso, se as curvas de descarga estiverem disponíveis, elas podem ser usadas para definir o tempo de descarga de curto circuito. Esses gráficos traçam a tensão da célula versus SOC em várias correntes específicas (como 0,5 C, 1 C, 2 C, 5 C…). De tal conjunto de curvas, escolha dois pontos em 50% SOC (por exemplo, em 0,5 C e 2 C). Observe a diferença na tensão da célula nesses dois pontos; essa é a tensão delta, em Volts. Tome a diferença das duas correntes específicas; essa é a corrente específica do delta, em 1/ horas. Em seguida, use esses valores para calcular o tempo de descarga de curto circuito:
Tempo de descarga de curto circuito [s] =
3600 x Tensão Delta [V] / Corrente específica Delta
Por exemplo, podemos escolher dois pontos na seguinte curva de descarga para uma célula LiFePO4.
A tensão delta é 3,28 - 2,98 = 0,3 [V]; a corrente específica delta é 5 - 1 = 4 [1/h]; a tensão da célula é de 3,3 V. Então, o tempo de descarga de curto circuito desta célula (e de células de qualquer tamanho usando a mesma tecnologia e de baterias usando essas células) é:
Empiricamente:
Tendo acesso a uma célula real, pode-se derivar empiricamente o tempo de descarga de curto circuito.
Passos
- Carregue totalmente a célula
- Descarregue a célula para esvaziar, no intervalo de 1 hora, enquanto integra a corrente
- A capacidade da célula é o valor final da integral
- Carregue a célula em 50% (SOC)
- Meça a tensão de circuito aberto da célula
- Aplique uma carga à célula para extrair aproximadamente 1 C de corrente
- Meça a corrente de carga
- Aguarde a tensão da célula se estabilizar e meça a tensão da célula carregada
- Calcule a resistência da célula = (tensão de circuito aberto - tensão da célula carregada) / corrente de carga
Neste ponto, a tensão da célula, a capacidade da célula e a resistência da célula são conhecidas e, portanto, o tempo de descarga de curto circuito da célula pode ser calculado:
Cálculo da resistência da bateria
Dispondo do tempo de Descarga de Curto circuito da célula usada em uma bateria, pode-se calcular rapidamente a resistência interna nominal dessa bateria.
Dada a tensão e capacidade da bateria:
Ou, dada a tensão e energia:
Ou ainda, dada a energia e a capacidade:
Exemplos:
Utilizando uma determinada célula que tem um tempo de descarga de curto circuito de 36 segundos, dada a tensão da bateria e a capacidade, qual será a resistência?
| 10 V, 100 Ah Resistência = 36 * 10 / 100 / 3600 = 1 m? |
| 100 V, 100 Ah Resistência = 36 * 100 / 100 / 3600 = 10 m? |
| 10 V, 10 Ah Resistência = 36 * 10 / 10 / 3600 = 10 m? |
| 100 V, 10 Ah Resistência = 36 * 100 / 10 / 3600 = 100 m? |
A medida que a tensão aumenta, ter mais células em série resulta em uma resistência maior. Por outro lado, à medida que a capacidade aumenta, ter mais células em paralelo resulta em uma resistência menor.
Cálculo de eficiência
Dado o tempo de descarga de curto circuito de uma bateria, a eficiência é facilmente derivada.
A tabela a seguir lista a eficiência para várias descargas completas (100 % a 0 %) vezes. Podemos observar que, se uma bateria é totalmente descarregada 10 vezes mais lenta do que seu tempo de descarga de curto circuito, a eficiência é de 91 %; se 100 vezes, 99 %.
O ponto de energia de pico ocorre quando a bateria é totalmente descarregada por um tempo igual ao seu tempo de descarga de curto circuito (SDT): a eficiência é de 50 % (metade da energia vai para a carga, metade é desperdiçada em calor dentro das células).
Esses mesmos dados podemos observar através do gráfico a seguir:
Série e paralelo
O SDT (short discharge time) de uma bateria que usa elementos (células ou baterias) que todos têm o mesmo SDT, é igual ao mesmo SDT.
Por exemplo: se duas células (mesmo que sejam de capacidade diferente) com SDT de 100 segundos forem colocadas em paralelo, a bateria resultante também tem um SDT de 100 s.
Se os elementos tiverem SDT desigual (o que pode não ser aconselhável do ponto de vista técnico), então calcular o SDT total da bateria não é simples.
Para calcular o SDT total deve-se converter o SDT de cada elemento em resistência (usando a capacidade e tensão do elemento) em seguida, usar métodos padrão para calcular a resistência total da bateria e, finalmente, converter isso de volta para SDT, usando a capacidade total e tensão da bateria.
Conclusão
Um tempo de descarga de curto (SDT) menor indica que a célula ou bateria é mais eficiente, o que é importante em aplicações de energia.
O Tempo de Descarga de Curto circuito é uma característica da tecnologia da célula ou bateria e é independente da capacidade, voltagem ou química. É o mesmo valor com uma única célula ou com uma bateria composta por tais células, independentemente de sua disposição em série ou paralelo.
O tempo de descarga de curto circuito é uma ferramenta de engenharia e pode ser usada para comparar células ou baterias de forma confiável. O tempo de descarga de curto varia de cerca de 15 s a cerca de 220 s dependendo do tipo de célula.
Obviamente, o tempo de descarga de curto circuito é apenas um parâmetro a ser considerado. Outros incluem densidade de energia, custo, facilidade de conexão e corrente nominal máxima.