Carregadores de baterias

CARREGADORES DE BATERIAS

Existem duas variedades distintas de carregadores: os carregadores pessoais e os carregadores industriais. O carregador pessoal é vendido em separado ou é oferecido com produtos tais como telefones celulares, laptops e câmeras de vídeo. Estes carregadores são baratos de serem comprados e funcionam bem quando usados para a aplicação pretendida. O carregador pessoal oferece razoável tempo de carga. Em comparação, o carregador industrial é projetado para uso fabril. Esses carregadores são feitos para uso repetitivo.

Disponível em configurações simples ou multi-compartimento, os carregadores industriais são oferecidos pelo fabricante do equipamento original. Em alguns casos, os carregadores podem também ser obtidos de fabricantes terceirizados. Enquanto os fabricantes de equipamento original oferecem condições básicas, os fabricantes terceirizados freqüentemente incluem características especiais, tais como carregamento a pulso negativo, função de descarga para condicionamento da bateria, e indicação de estado de carga e estado de “saúde”. Muitos fabricantes terceirizados estão preparados para construírem quantidades baixas de carregadores personalizados. Outros benefícios que fornecedores terceirizados podem oferecer, incluem preços atrativos e performance superior.

Nem todos os fabricantes terceirizados de carregadores possuem um padrão de qualidade que a indústria exige. O comprador precisa estar ciente de possíveis compromissos de qualidade e performance quando estiver comprando esses carregadores a preços de desconto. Algumas unidades podem não resistir ao uso repetitivo; outros podem desenvolver problemas de manutenção tais como contatos de baterias queimados ou quebrados. Sobrecarga não controlada é outro problema em muitos carregadores, especialmente os que carregam baterias à base de Níquel. Altas temperaturas durante carga durante muito tempo, estragam as baterias. A sobrecarga ocorre quando o carregador mantém a baterias a uma temperatura que é quente para se tocar (mais de 60 graus). Algumas elevações de temperatura não podem ser evitadas quando baterias à base de Níquel estiverem sendo carregadas. Um pico de temperatura é alcançado quando a bateria se aproxima da carga completa. A temperatura deve estar razoável quando a luz indicadora de fim de carga aparecer e a bateria tiver mudado para carga pulsante. A bateria deve eventualmente esfriar-se para a temperatura ambiente.

Se a temperatura não cair e permanecer acima da temperatura ambiente, o carregador está operando incorretamente. Em tal caso, a bateria deve ser removida o mais rápido possível depois que a luz indicadora de fim de carga tiver se acendido. Qualquer carregamento pulsante prolongado irá danificar a bateria. Este cuidado se aplica especialmente às baterias de NiMH porque elas não absorvem a sobrecarga muito bem. De fato, uma NiMH com alta carga pulsante pode esfriar até a temperatura de toque e ainda estar em uma condição de dano por sobrecarga. Tal bateria teria uma baixa vida de serviço.Uma bateria à base de Lítio nunca deve ficar quente em um carregador. Se isto acontece, a bateria está com problema ou o carregador não está funcionando adequadamente. Pare de usar essa bateria e/ou o carregador.

É preferível armazenar as baterias em uma prateleira e aplicar uma carga de pico antes do uso, do que deixar a bateria no carregador por dias. Até com carga pulsante aparentemente correta, as baterias de NiCd produzem formação cristalina (também conhecida como “memória”) quando deixadas no carregador. Por causa da elevada autodescarga, uma corrente de pico é necessária antes do uso. A maioria dos carregadores de Li-Íon permite que a bateria permaneça conectada sem infligir dano. Existem 3 tipos de carregadores para baterias à base de Níquel:

Carregadores Lentos

Também conhecidos por “Carregadores Normais”, aplicam uma taxa de carga fixa em aproximadamente 0,1 C. O tempo médio de carga para esse tipo de carregador é de 14 a 16 horas. Na maioria dos casos não ocorre detecção de carga completa para alterar para uma taxa de carga mais baixa no final do ciclo de carga. Se a corrente de carga é ajustada corretamente, a bateria em um carregador lento, se mantém morna ao toque, quando completamente carregada. Neste caso, a bateria não precisa ser removida imediatamente após estar totalmente carregada, mas não deve ficar no carregador por mais de um dia. Quanto mais cedo a bateria for removida após estar completamente carregada, melhor é.

Um problema surge se uma bateria de menor capacidade é carregada com um carregador projetado para baterias de maiores capacidades. Embora o carregador execute bem a fase inicial de carga, a bateria começa a se esquentar passados 70% do nível de carga. Pelo fato de não haver condições de diminuir a corrente de carga ou de terminar de carregar, na segunda fase do ciclo de carga irá ocorrer sobrecarga devido ao aquecimento. Se um carregador alternativo não estiver disponível, o usuário é aconselhado a observar a temperatura da bateria que está sendo carregada e desconectar a bateria quando estiver quente ao toque.

O oposto pode ocorrer quando uma bateria de maior capacidade é carregada em um aparelho projetado para carregar baterias de menor capacidade. Em tal caso, um carregamento completo nunca será alcançado. As baterias permanecem frias durante a carga e não irão render o esperado. Uma bateria à base de Níquel que seja continuamente sub-carregada irá eventualmente perder sua habilidade de aceitar uma carga completa devido à “memória”.

Carregadores Rápidos

É um dos mais populares. Está posicionado entre os carregadores lentos e os carregadores super-rápidos tanto quanto ao tempo de carga como quanto ao preço. O tempo de carga médio é de 3 a 6 horas e a taxa de carga é de aproximadamente 0,3 C. Controle de carga é necessário para terminar a carga quando a bateria estiver carregada. O carregador rápido bem projetado fornece melhor serviço para baterias à base de Níquel do que os carregadores lentos. Baterias duram mais se carregadas com altas correntes, visto que elas permanecem frias e não são sobrecarregadas.

Carregadores Super-Rápidos

Os carregadores super-rápidos oferecem várias vantagens em relação aos outros carregadores; o mais óbvio é o menor tempo de carga. Por causa do maior fornecimento de energia e dos circuitos de controle serem mais caros, o carregador super-rápido custa mais que os carregadores lentos, mas o investimento é retornado no fornecimento de uma boa performance das baterias, que duram mais. A uma taxa de carga de 1 C, uma bateria vazia de NiCd tipicamente carrega em pouco mais de uma hora. Quando a bateria está completamente carregada, alguns carregadores comutam para um modo de carga de pico, administrado por um temporizador que completa o ciclo de carga a uma corrente de carga reduzida. Uma vez completamente carregada, o carregador altera para a carga pulsante. Esta carga de manutenção compensa a autodescarga da bateria. Carregadores modernos super-rápidos, geralmente utilizam baterias de NiCd e NiMH.

Devido à alta corrente gerada pelos carregadores e a necessidade de monitorar a bateria durante a carga, é importante carregar apenas baterias especificadas pelo fabricante. Alguns fabricantes de baterias codificam as baterias eletricamente para identificarem sua química e a taxa de carga. O carregador então ajusta a corrente de carga correta e o algoritmo para a bateria apropriada. As baterias de Chumbo-Ácido e lítio-íon são carregadas com diferentes algoritmos e não são compatíveis com os métodos de carga usados para baterias à base de Níquel. É melhor o carregamento rápido de baterias à base de Níquel. Sabe-se que ao carregar no modo lento, é criada uma formação cristalina em baterias à base de Níquel, um fenômeno que diminui a performance da bateria e encurta seu tempo de vida útil.

A temperatura da bateria durante a carga deve ser razoável e o pico de temperatura deve ser mantido o menor possível. Não é recomendável deixar baterias à base de Níquel no carregador por mais de poucos dias, até com uma ajustagem correta da corrente de carga pulsante. Um carregador projetado para carregar baterias de NiMh pode também utilizar baterias de NiCd. Mas o contrário não é válido. Um carregador feito apenas para baterias NiCd pode sobrecarregar baterias de NiMh. Carregadores para baterias à base de Lítio são mais definidos em termos de método de carga e tempo de carga. Isto é, em parte, devido ao regime de carga restrito e às condições exigidas por essas baterias. Métodos de carga rápida não diminuem significativamente o tempo de carga para essas baterias. Uma taxa de carga superior a 1 C deve ser evitada porque tal corrente alta pode induzir ao depósito de Lítio. Com a maioria das baterias, uma taxa acima de 1 C não é possível.

O circuito de proteção limita a quantidade de corrente que a bateria pode aceitar. A bateria à base de lítio tem um metabolismo lento e pode levar tempo para absorver a energia. Carregadores de chumbo ácido servem a mercados industriais tais como hospitais e unidades de cuidados de saúde. Os tempos de carga são muito grandes e não podem ser encurtados. A maioria dos carregadores de Chumbo-Ácido carrega a bateria em 14 horas. Por causa de sua baixa densidade de energia, esse tipo de bateria não é usada com freqüencia em pequenos dispositivos portáteis.

Carregando Baterias de Níquel-Cádmio

Fabricantes de baterias de NiCd recomendam que baterias novas sejam carregadas em modo lento por 24 horas antes do uso. Uma carga lenta ajuda a conduzir às células dentro das baterias um nível de carga igual, porque cada célula se auto descarrega em diferentes níveis de capacidade. Durante longa armazenagem, o eletrólito tende a ir para o fundo da célula. Alguns fabricantes de baterias não carregam completamente suas baterias antes da expedição. Estas baterias atingem seu potencial total apenas depois de o cliente ter realizado diversos ciclos de carga e descarga, com um analisador de bateria ou através do uso normal.

Em muitos casos, de 50 a 100 ciclos de carga e descarga são necessários para se carregar completamente uma bateria à base de Níquel. Células de qualidade, tais como as produzidas pela Sanyo e pela Panasonic, são conhecidas por atenderem à especificação completa após pouco mais de 5 a 7 ciclos de carga e descarga. A maioria das células recarregáveis são equipadas com uma abertura de segurança para liberar excesso de pressão se carregadas incorretamente. A abertura de segurança em uma célula de NiCd abre de 1034 a 1379 kPa (150 a 200 psi). Em comparação, a pressão de um pneu de carro é tipicamente 240 kPa (35 psi). Carregadores rápidos comerciais freqüentemente não são projetados para proteger a bateria. É especialmente verdade que carregadores de baterias de NiCd medem o estado de carga da bateria exclusivamente através da sensibilidade de temperatura. Embora simples e barata no projeto, a terminação de carga por sensibilidade de temperatura não é precisa.

Os termistores usados, comumente apresentam ampla tolerância; seus posicionamentos com respeito às células não são consistentes. Temperaturas ambientes e exposição ao sol enquanto carregando também afetam a precisão da detecção de carga cheia. Para prevenir o risco de interrupção(cutoff) e assegurar carga cheia sob a maioria das condições, fabricantes de carregadores usam 50°C(122°F) como temperatura recomendada para interrupção(cut-off). Embora uma prolongada temperatura acima de 45°C (113°F) seja prejudicial para a bateria, um curto pico de temperatura acima desse nível é freqüentemente inevitável. Carregadores de NiCd mais avançados sentem a taxa de elevação de temperatura, definido como dT/dt, ou a mudança na temperatura durante o tempo de carga, em vez de responder a uma temperatura absoluta. dT/dt é definido como “variação temperatura / variação tempo”. Por causa da massa relativamente grande de uma célula e da propagação vagarosa do calor, usando esse método de carga, a bateria irá também entrar em uma curta condição de sobrecarga antes de uma carga cheia ser detectada. O método dT/dt apenas funciona com carregadores rápidos.

Detecção mais precisa de carga cheia para baterias de NiCd pode ser alcançada com o uso de um micro controlador que monitora a tensão da bateria e termina a carga quando um certo sinal de tensão ocorre. Uma queda na tensão significa que a bateria atingiu carga completa. Isso é conhecido como “Negative Delta V” (NDV) (Delta V negativo). NDV é o método de detecção de carga cheia recomendado para carregadores de NiCd de carga aberta porque ele oferece um rápido tempo de resposta. A detecção de carga NDV também funciona bem com uma bateria parcialmente ou totalmente carregada. Se uma bateria totalmente carregada é inserida, a tensão terminal aumenta rapidamente, depois cai rapidamente. Tal carga dura apenas poucos minutos e as células permanecem frias. Carregadores de NiCd baseados em detecção de carga completa NDV, tipicamente respondem a uma queda de tensão de 10 a 30 mV por célula. São preferidos carregadores que respondem a um decréscimo de tensão muito pequeno aos que requerem uma queda maior.

Para obter uma queda de tensão suficiente, a taxa de carga deve ser de 0,5 C ou maior. Taxas de carga menores que 0,5 C produzem um decréscimo de tensão muito superficial, que é geralmente muito difícil de ser medido. Carregadores usando o NDV devem incluir outros métodos de terminação de carga para fornecerem carregamento de segurança sob todas as condições. A maioria dos carregadores também monitora a temperatura da bateria. O fator de eficiência de carga de uma bateria NiCd padrão é melhor em carga rápida do que em carga lenta. A uma taxa de carga de 1 C, a eficiência de carga típica é 91%. Em uma carga lenta (0,1 C), a eficiência cai para 71%. A uma taxa de 1 C, o tempo de carga de uma NiCd é superficialmente maior que 60 minutos (66 minutos em uma eficiência de carga assumida em 91%). A uma taxa de carga de 0,1 C, o tempo de carga de uma NiCd vazia é de aproximadamente 14 horas. Durante os primeiros 70% do ciclo de carga, a eficiência de carga de uma bateria de NiCd é perto de 100%. Quase toda a energia é absorvida e a bateria permanece fria.

Passado o limiar de carga dos 70%, a bateria gradualmente perde a habilidade de aceitar carga. As células começam a gerar gases, a pressão aumenta e a temperatura cai. A aceitação de carga diminui quando a bateria alcança o estado de carga de 80 a 90%. Uma vez alcançada a carga completa, a bateria entra em sobrecarga. A figura a seguir mostra a relação da tensão da célula, pressão e temperatura quando uma NiCd está sendo carregada (essas características são similares em baterias de NiMH).

Baterias de NiCd de altíssima capacidade tendem a se aquecer mais do que as NiCd padrão se carregadas a 1 C ou mais. Isto é parcialmente devido à resistência interna mais alta da bateria de alta capacidade. A otimização de carga pode ser alcançada aplicando-se corrente no estado inicial de carga, depois reduzindo a uma taxa menor conforme a aceitação decresce. Isso evita aumento de temperatura excessivo e ainda assegura baterias completamente carregadas. Intercalar pulsos de descarga entre pulsos de carga melhora a aceitação de carga das baterias à base de Níquel.

Esse método é comumente referido como ”carregamento reverso”. Esse método de carga estimula a área de superfície nos eletrodos, resultando em uma performance elevada e aumento da vida de serviço. O carregamento reverso também melhora o carregamento rápido porque ele ajuda a recombinar os gases gerados durante a carga. O resultado é uma carga mais fria e mais eficiente do que os carregadores DC convencionais. Carregar pelo método de carregamento reverso minimiza a formação cristalina. Pesquisas realizadas na Alemanha têm mostrado que o método de carregamento reverso adiciona 15% na vida da bateria de NiCd. Após carga completa, a bateria é mantida com uma carga pulsante para compensar a autodescarga. A carga pulsante para baterias de NiCd fica entre 0,05 e 0,1 C. Em um esforço de reduzir o fenômeno de memória, existe uma tendência a correntes de carga pulsante menores.

Carregando Baterias de Níquel Metal Hidreto

Os carregadores de NiMH são muito similares aos de NiCd, mas a eletrônica interna é geralmente mais complexa. Para começar, a NiMH produz uma queda de tensão muito pequena quando completamente carregada. Este NDV é quase não existente em taxas de carga abaixo de 0,5°C e em temperaturas elevadas. O NDV de um carregador de NiMH deve responder a uma queda de tensão de 16mV ou menos. Aumentar a sensitividade do carregador para responder à pequena queda de tensão, freqüentemente termina a carga rápida por erro. Flutuações de tensão e ruído induzido pela bateria e pelo carregador podem enganar o circuito de detecção NDV, se o circuito for ajustado muito precisamente.

A popularidade das baterias de NiMH introduziu muitas técnicas de carregamento inovadoras. Baterias de NiMH que usam o método NDV ou controle de interrupção térmico tendem a entregar maiores capacidades que aquelas carregadas por métodos menos agressivos. Este ganho é de aproximadamente 6% em uma bateria boa. Este aumento de capacidade é devido à curta sobrecarga a que a bateria é exposta. O aspecto negativo é um menor ciclo de vida. Ao invés de se esperar de 350 a 400 ciclos de serviço, essa bateria pode estar esgotada com 300 ciclos. Similar aos métodos de carga NiCd, a maioria dos carregadores rápidos de NiMH funcionam com o aumento da taxa de temperatura (dT/dt).

Uma elevação de temperatura em 1°C(1,8°F) por minuto é comumente usada para terminar a carga. A interrupção por temperatura absoluta é 60°C(140°F). Uma carga de pico de 0,1 C é adicionada por aproximadamente 30 minutos para maximizar a carga. A carga pulsante contínua que segue, mantém a bateria no estado de carga completa. Aplicar uma carga rápida inicial de 1 C funciona bem. Períodos de resfriamento de poucos minutos são adicionados quando certos picos de tensão são alcançados. A carga então continua a uma corrente mais baixa. Quando alcançar o começo da próxima carga, a corrente cai mais ainda. Este processo é repetido até que a bateria esteja completamente carregada. Conhecida como “carga de etapa diferencial”, esse método de carga funciona bem com baterias de NiCd e NiMH.

A corrente de carga se ajusta para o estado da carga, permitindo alta corrente no início e corrente mais moderada no final da carga. Isto evita o acúmulo excessivo de temperatura para o fim do ciclo de carga quando a bateria é menos capaz de aceitar carga. As baterias de NiMH devem ser carregadas em modo rápido, ao invés do modo lento. A quantidade de carga pulsante aplicada para manter carga completa é especialmente crítica. Pelo fato das baterias de NiMH não absorverem bem a sobrecarga, a carga pulsante deve ser ajustada mais baixa que a de NiCd. A carga pulsante recomendada para a bateria de NiMH é uma baixa carga de 0,05 C. Isto é o porquê do carregador original de NiCd não poder ser usado para carregar baterias de NiMH. A baixa taxa de carga pulsante é aceitável para a NiCd. É difícil, se não impossível, de carregar uma bateria de NiMH em modo lento. A uma taxa de 0,1 C e 0,3 C, os perfis de temperatura e tensão não exibem características definidas para medir precisamente o estado de carga cheia e o carregador deve depender de um temporizador. Pode ocorrer uma sobrecarga prejudicial se uma bateria parcialmente ou totalmente carregada for carregada em um carregador com um temporizador fixo.

O mesmo ocorre se a bateria tiver perdido a aceitação de carga devido à idade e puder reter apenas 50% da carga. Um temporizador fixo que entregue sempre uma carga de 100% sem considerar a condição da bateria, finalmente aplicaria muita carga. Sobrecarga poderia ocorrer até mesmo se a bateria de NiMH estivesse fria ao toque. Alguns carregadores mais baratos podem não aplicar uma carga completamente saturada. Nesses carregadores econômicos, a detecção de carga cheia pode ocorrer imediatamente depois de um pico de tensão ter sido alcançado ou o limiar de temperatura ser detectado. Estes carregadores comumente são promovidos através dos méritos de pequenos tempos de carga e preço razoável. A figura a seguir resume as características de carregadores lentos, rápidos e super-rápidos. Uma corrente de carga mais alta permite melhor detecção de carga cheia. Esses valores também se aplicam às baterias de NiMH e NiCd.

	*Taxa de carga*	*Típico tempo de carga*	*Temperaturas máximas permissíveis de carga*	*Método de carga*
*Carregador lento*	0.1C	14H	0ºC a 45ºC (32ºF 113°F)	Temporizador fixo. Sujeito à sobrecarga. Remover a bateria quando carregada
*Carregador rápido*	0.3-0.5	4H	10ºC a 45ºC (50ºF 113°F)	NDV ajustado para 10mV/célula, usa platô de tensão, temperatura absoluta e TIME-OUT-TIMER.(A 0.3C,dT/dt não consegue elevar suficientemente a temperatura para terminar a carga.)
*Carregador* *super-Rápido*	1C	1H+	10ºC a 45ºC (50ºF 113°F)	NDV responde a configuração maiores, usa dT/dt, platô de tensão, temperatura absoluta e TIME – OUT – TIMER.

Carregando Baterias Chumbo-Ácido

O algoritmo de carga para baterias de Chumbo-Ácido difere das de NiCd no limite de tensão, ao invés do limite de corrente ser usado. O tempo de carga de uma bateria de Chumbo-Ácido (selada) é de 12 a 16 horas. Com correntes de carga maiores, e métodos de carga multi-estágios, o tempo de carga pode ser reduzido para 10 horas ou menos. As baterias de Chumbo-Ácido não podem ser totalmente carregadas tão rapidamente quanto às de NiCd. Um carregador multi-estágio aplica carga de corrente constante, carga de pico e carga de flutuação, como mostrado na figura abaixo:

Durante a carga em corrente constante, a bateria carrega 70% em aproximadamente 5 horas; os 30% restantes são completados por uma lenta carga de pico. A corrente de pico dura outras 5 horas e é essencial para o bem estar da bateria. Isto pode ser comparado a um pequeno descanso após uma boa refeição antes de recomeçar o trabalho. Se a bateria não estiver completamente saturada, a bateria de Chumbo-Ácido irá eventualmente perder sua habilidade de aceitar uma carga completa e a performance da bateria será reduzida.

O terceiro estágio é a carga de flutuação, que compensa a autodescarga depois da bateria ter sido carregada completamente. É crítico o ajuste correto do limite de tensão da célula. Um limite de tensão crítico é de 2,30 Volts até 2,45 Volts. Se uma carga lenta é aceitável, ou se a temperatura ambiente puder exceder 30°C(86°F), o limite de tensão recomendável é 2,35 Volts por célula. Se for preciso um carregador rápido e a temperatura ambiente permanecer abaixo de 30°C, poderá ser usado de 2,40 a 2,45 Volts por célula. O limite de tensão de carga indicado na figura acima é uma tensão momentânea de pico e a bateria não pode permanecer nesse nível. Esta crista de tensão é usada apenas quando aplicar um ciclo de carga completa para uma bateria que tenha sido descarregada.

Uma vez completamente carregada e pronta para uso, uma carga de flutuação é aplicada, que é mantida constante a um nível de tensão mais baixo. A tensão de carga de flutuação recomendada para a maioria das baterias de Chumbo-Ácido de baixa pressão é entre 2,25 a 2,30 Volts por célula. Um bom acordo é 2,27 Volts. A tensão de carga de flutuação ótima muda com a temperatura. Uma temperatura maior exige tensões inferiores e uma temperatura inferior exige tensões maiores. Carregadores que são expostos a grandes flutuações de temperatura são equipados com sensores de temperatura para otimizarem a tensão de flutuação. Carregar uma bateria selada de Chumbo-Ácido usando técnicas de corrente de flutuação tradicional é como “dançar na cabeça de um alfinete”.

A bateria quer estar carregada completamente para evitar sulfação na placa negativa, mas não quer estar supersaturada, que causa corrosão na grade na placa positiva. Diferenças no envelhecimento das células criam outro desafio em achar a tensão de carga de flutuação otimizada. Com o desenvolvimento de bolsas de ar dentro das células, algumas baterias mostram geração de hidrogênio a partir da sobrecarga. Outras sofrem recombinação de oxigênio. Uma vez as células conectadas em série, o controle da tensão individual da célula é virtualmente impossível. Se a tensão aplicada na célula é muito alta ou muito baixa para uma dada célula, a célula mais fraca se deteriora mais e a condição dela se torna mais pronunciada com o tempo. Empresas têm desenvolvido dispositivos de balanceamento de células que corrigem alguns desses problemas, mas esses dispositivos apenas podem ser aplicados se o acesso às células individuais for possível. A ondulação (ripple) da tensão de carga também causa problemas em baterias de Chumbo-Ácido, especialmente nas de Chumbo-Ácido reguladas por válvulas.

O pico da tensão de ondulação constitui uma sobrecarga, causando geração de hidrogênio. Muito tem sido dito sobre carregar baterias de Chumbo-Ácido por pulsos. Embora existam vantagens óbvias de corrosão reduzida da célula, fabricantes e técnicos de serviço não estão de acordo a respeito das vantagens de tal método de carga. Algumas vantagens são aparentes se a carga por pulsos é aplicada corretamente, mas os resultados são não-conclusivos. Considerando que os ajustes de tensão da figura anterior se aplicam a baterias de Chumbo-Ácido de baixa pressão com uma válvula de escape de pressão de aproximadamente 34 kPa(5psi), as baterias cilíndricas seladas de Chumbo-Ácido (Hawker) requerem maiores ajustes de tensão. Estes limites de tensão devem ser ajustados de acordo com as especificações do fabricante.

A não aplicação do limiar de tensão recomendado para essas baterias causa uma queda gradual na capacidade devido à sulfação. Tipicamente, a célula Hawker tem um ajuste de escape de pressão de 345kPa (50psi). Isso permite alguma recombinação dos gases durante a carga. Uma bateria selada de Chumbo-Ácido deve ser armazenada em estado carregado. Uma carga de pico deve ser aplicada a cada 6 meses para evitar que a tensão caia para menos de 2,10 Volts por célula. As exigências da corrente de pico podem ser diferentes para cada fabricante. Sempre siga os intervalos de tempo recomendados pelo fabricante. Medindo a tensão de uma célula aberta enquanto armazenada, uma indicação de nível de carga aproximada pode ser obtida. A tensão de 2,11 Volts, se medida à temperatura ambiente, revela que a célula tem uma carga de 50% ou mais. Se a tensão está neste limiar, a bateria está em uma boa condição e apenas precisa de um prévio ciclo de carga completo para ser usada.

Se a tensão cai para menos de 2,10 Volts, vários ciclos de carga e descarga podem ser necessários para fazer a bateria ter performance total. Quando medir a tensão terminal de qualquer célula, a temperatura de armazenamento deve ser observada. Uma bateria fria aumenta a tensão e uma morna, diminui a tensão. Baterias plásticas seladas de Chumbo-Ácido que chegam dos vendedores com menos de 2,10 Volts por célula são rejeitadas por alguns compradores que inspecionam a bateria durante o controle de qualidade. Tensão baixa sugere que a bateria pode ter um suave curto, um defeito que não pode ser corrigido com a ciclagem. Embora a ciclagem possa aumentar a capacidade dessas baterias, os ciclos extras comprometem a vida de serviço da bateria. Além disso, o tempo e o equipamento exigidos para fazer a bateria estar completamente funcional, são acrescidos ao custo operacional. A célula Hawker pode ser armazenada a voltagens menores que 1,81 Volts. Contudo, quando estiver reativando as células, uma tensão de carga maior que a normal pode ser exigida para converter os grandes cristais de volta a um bom material ativo. O preço de uma célula Hawker é um pouco maior que a da equivalente de plástico, mas é mais barata que a de NiCd.

Também conhecida como “Ciclone”, essa célula é similar à de NiCd cilíndrica. Esta construção melhora a estabilidade da célula e fornece correntes de descarga maiores quando comparada com a selada de Chumbo-Ácido de placa plana. As baterias de Chumbo-Ácido são preferidas para utilização em sistemas de “No- Break”. Durante carga de flutuação prolongada, uma carga de pico periódica, também conhecida como “carga de equalização”, é recomendável para carregar completamente as placas e prevenir sulfação. Uma carga de equalização aumenta a tensão da bateria por várias horas para um nível de tensão acima do especificado pelo fabricante. Perda de eletrólito através da temperatura elevada pode ocorrer se a carga de equalização não for administrada corretamente. Pelo fato de não se poder adicionar nenhum líquido nos sistemas de baterias seladas de Chumbo-Ácido e nas de Chumbo-Ácido reguladas por válvula, uma redução do eletrólito causará um dano irreversível. Fabricantes e o pessoal de serviços estão freqüentemente divididos em relação aos benefícios da carga de equalização. Acredita-se que algum exercício, ou breve descarga periódica possa prolongar a vida da bateria de Chumbo-Ácido. Se aplicada uma vez por mês como parte de um programa de exercício, a profundidade de descarga deve apenas ser aproximadamente 10% da capacidade total.

Uma descarga total como parte de uma manutenção regular não é recomendada porque cada ciclo profundo de descarga rouba a vida de serviço da bateria. Mais experimentos são necessários para verificar as vantagens de exercitar baterias de Chumbo Ácido. Novamente, fabricantes e técnicos de serviço expressam diferentes visões de como manutenções preventivas devem ser executadas. Alguns especialistas preferem carga de pico enquanto que outros recomendam descargas programadas. Desconectar a carga de flutuação enquanto a bateria de Chumbo-Ácido regulada por válvula está em espera é outro método de prolongar a vida da bateria. De tempos em tempos, uma carga de pico é aplicada para reabastecer a energia perdida através da auto-descarga. Isso é feito para diminuir a corrosão da célula e prolongar a vida da bateria. A bateria é mantida como se estivesse em armazenamento. Isto apenas funciona em aplicações que não extraiam uma corrente de carga durante a espera. Em algumas aplicações, a bateria age como um amortecedor de energia e precisa estar abaixo da carga contínua.

IMPORTANTE: EM CASO DE RUPTURA, ELETRÓLITO VAZANDO OU QUALQUER OUTRA CAUSA DE EXPOSIÇÃO AO ELETRÓLITO, JOGUE ÁGUA IMEDIATAMENTE. SE OCORRER EXPOSIÇÃO AOS OLHOS, LAVE-OS POR 15 MINUTOS E CONSULTE UM MÉDICO IMEDIATAMENTE.

Carregando baterias de Lítio-Íon

O carregador de baterias de Lítio-Íon é um dispositivo limitador de tensão similar ao carregador de baterias de Chumbo-Ácido. A diferença está em uma maior tensão por célula, uma tolerância de tensão menor e a ausência de carga de flutuação ou pulsante quando a carga completa é alcançada. Enquanto as baterias de Chumbo-Ácido oferecem alguma flexibilidade em termos de interrupção de tensão, fabricantes de células de Lítio-Íon são muito rígidos em ajustar a tensão correta.

Quando o Lítio-Íon foi introduzido pela primeira vez, o sistema de grafite exigia um limite de tensão de carga de 4,10 Volts por célula. Embora tensões maiores entreguem densidades de energia maiores, a oxidação da célula limita a vida de serviço das células de grafite que foram carregadas abaixo do limiar de 4,10 Volts por célula. Esse efeito tem sido solucionado com aditivos químicos. A maioria das células de Lítio-Íon comerciais pode agora ser carregada a 4,20 Volts. A tolerância para todas as baterias de Lítio-Íon é um apertado +/- 0,05 Volts por célula. Baterias de Lítio-Íon militares e industriais projetadas para máximo ciclo de vida usam um limiar de tensão de fim de carga em torno de 3,90 Volts por célula.

O tempo de carga de todas as baterias de Lítio-Íon, quando carregadas a uma corrente inicial de 1 C, é de aproximadamente 3 horas. A bateria permanece fria durante a carga. A carga completa é alcançada depois que a tensão alcança o limiar de tensão superior e a corrente ter caído e se igualado a 3% da corrente de carga nominal. Aumentar a corrente de carga em um carregador de Lítio-Íon não faz diminuir muito o tempo de carga. Embora o pico de tensão seja alcançado mais rápido com correntes maiores, a carga de pico irá demorar mais.

Alguns carregadores afirmam carregar em modo rápido uma bateria de Lítio-Íon em 1 hora ou menos Nenhuma carga pulsante é aplicada porque a Lítio-Íon é incapaz de absorver sobrecarga. Carga pulsante poderia causar depósito de lítio metálico, uma condição que torna a célula instável. Ao invés disso, uma breve carga de pico é aplicada para compensar a pequena quantidade de autodescarga da bateria. Dependendo do carregador e da autodescarga da bateria, uma carga de pico pode ser implementada uma vez a cada 500 horas ou 20 dias. O que acontece se uma bateria é inadvertidamente sobrecarregada? Baterias de Lítio-Íon são projetadas para operar seguramente dentro da sua tensão normal de operação, mas tornam-se cada vez mais instáveis se carregadas em voltagens maiores.

Em uma tensão de carga abaixo de 4,3 Volts, a célula causa depósito de metal de lítio no anodo. Além disso, o material do catodo se torna um agente oxidante, perde instabilidade e libera oxigênio. Sobrecarga faz a célula se aquecer. Muita atenção tem sido aplicada na segurança das baterias de Lítio-Íon. Baterias de Lítio-Íon comerciais contém um circuito de proteção que previne a tensão da célula de ficar muito alta enquanto estiver sendo carregada. O limiar típico de segurança é ajustado para 4,30 Volts por célula. Além disso, a sensação de temperatura desconecta a carga se a temperatura interna se aproxima de 90°C(194°F). A maioria das células tem como característica uma mudança de pressão mecânica que permanentemente interrompe o caminho da corrente se um limiar de segurança é excedido. Circuitos internos de controle de tensão interrompem a bateria em sub-tensão ou sobre-tensão.

A figura a seguir mostra os estágios de carga em uma bateria de Lítio-Íon:

Carregando Baterias de Lítio-Polímero

O processo de carga das baterias de Lítio-Polímero é similar ao de Lítio-Íon. Lítio-Polímero usa eletrólito seco e demora de 3 a 5 horas para carregar. Lítio-Íon Polímero com eletrólito de colóide (com gel), por outro lado, é quase idêntico ao de Lítio-Íon. De fato, o mesmo algoritmo de carga pode ser aplicado. Com a maioria dos carregadores, o usuário não precisa saber se a bateria que está sendo carregada é de Lítio-Íon ou Lítio-Íon polímero. Quase todas as baterias comerciais vendidas sob a tão chamada categoria Polímero são uma variedade da Lítio-Íon polímero usando algum tipo de eletrólito com gel.

Carregando baterias em altas e baixas temperaturas

Devem-se tomar alguns cuidados para se carregar baterias em ambientes submetidos a altas e baixas temperaturas. As baterias recarregáveis podem ser usadas sob uma faixa razoável de temperaturas. Isso, de qualquer modo, não significa automaticamente que as baterias podem também ser carregadas a essas condições de temperatura. Embora o uso de baterias sob altas e baixas temperaturas não possa sempre ser evitado, o tempo de carga deve ser controlado pelo usuário. Esforços devem ser feitos para carregar as baterias apenas sob temperaturas ambientes. Em geral, tecnologias mais antigas, tais como as de NiCd são mais tolerantes para carregar as baterias em temperaturas altas e baixas do que os sistemas mais avançados. A figura a seguir mostra as temperaturas permissíveis (carga lenta e rápida) para as baterias de NiCd, NiMH, Chumbo-Ácido e Lítio-Íon.

Carga lenta

(0,1 C)

Carga rápida

(0.5 a 1,0C)

NIQUEL CÁDMIO

0ºC a 45°c

(32ºF a 113ºF)

5ºC a 45°c

(41ºF a 113ºF)

NIQUEL METAL HIDRETO

0ºC a 45°c

(32ºF a 113ºF)

10ºC a 45°c

(50ºF a 113ºF)

CHUMBO ÁCIDO

0ºC a 45°c

(32ºF a 113ºF)

5ºC a 45°c

(41ºF a 113ºF)

LÍTIO - ION

0ºC a 45°c

(32ºF a 113ºF)

5ºC a 45°c

(41ºF a 113ºF)

Baterias de NiCd podem ser carregadas em modo rápido em uma hora ou pouco mais, contudo, uma carga tão rápida somente pode ser aplicada em temperaturas entre 5°C e 45°C (41°F e 113°F). Temperaturas mais moderadas produzem melhores resultados. Quando carregar uma NiCd abaixo de 5°C (41°F), a capacidade de recombinar oxigênio e hidrogênio é extremamente reduzida e como resultado ocorre a criação de pressão. Em alguns casos, as células se abrem, liberando oxigênio e hidrogênio. Não somente os gases que escapam esvaziam o eletrólito, mas também o hidrogênio é altamente inflamável! Carregadores que utilizam o NDV (delta V negativo) para terminarem a carga completa, fornecem algum nível de proteção quando usados em modo rápido em baixas temperaturas.

Por causa da pobre aceitação de carga da bateria em baixas temperaturas, a energia da carga é convertida em oxigênio e em uma quantidade menor de hidrogênio. Essa reação causa queda de tensão na célula, terminando a carga através da detecção NDV. Quando isso ocorre, a bateria não pode ser totalmente carregada, mas a abertura é evitada ou minimizada. Para compensar a reação mais lenta a temperaturas abaixo de 5°C, uma taxa de carga baixa deve ser aplicada. Métodos de carga especiais estão disponíveis para carregar a temperaturas bem frias. Baterias industriais que precisam ser rapidamente carregadas em baixas temperaturas incluem um cobertor térmico que aquece a bateria para uma temperatura aceitável.

Entre baterias comerciais, as de NiCd são as únicas baterias que aceitam carga em temperaturas extremamente baixas. Carregar em altas temperaturas reduz a geração de oxigênio. Isto reduz o efeito NDV e dá uma maior precisão na detecção de carga completa. A aceitação de carga de uma NiCd em altas temperaturas é drasticamente reduzida. Uma bateria que forneça uma capacidade de 100% se carregada numa temperatura ambiente moderada pode apenas aceitar 70% se carregada a 45°C(113°F), e 45% se carregada a 60°C(140°F), conforme a figura abaixo. Condições similares se aplicam às baterias de NiMH. Uma razão para a pobre performance de baterias, especialmente se carregadas em altas temperaturas ambientes, é a interrupção prematura de carga. Isso é comum com os carregadores que usam temperatura absoluta para terminar a carga rápida.

A bateria NiMH é menos tolerante que a de NiCd se carregada sob altas e baixas temperaturas. A de NiMH não pode ser carregada em modo rápido abaixo de 10°C(45°F), nem pode ser carregada em modo lento abaixo de 0°C(32°F).

. A tabela a seguir mostra a tensão de pico em várias temperaturas quando carregando uma bateria selada de Chumbo-Ácido em modo de flutuação. Implementando compensação de temperatura no carregador para ajustar a carga em temperaturas extremas, prolonga a vida da bateria em até 15%. Isso é especialmente verdade quando está operando em altas temperaturas.

	*0ºC(32ºF)*	*25ºC(77ºF)*	*40ºC(104ºF)*
*Limite de tensão na recarga*	2.55Volts / Célula	2.45Volts / Célula	2.35Volts / Célula
*Ensão de flutuação continua*	2.35Volts / Célula ou menos	2.30Volts / Célula ou menos	2.25Volts / Célula ou menos

Esses limites de tensão devem ser aplicados para altas temperaturas. Nunca se deve permitir que uma bateria selada de Chumbo-Ácido se congele. Se isto acontecesse, a bateria seria permanentemente danificada e apenas forneceria poucos ciclos quando tivesse retornado à temperatura normal. Para aumentar a aceitação de carga de baterias seladas de Chumbo-Ácido em baixas temperaturas e evitar a fuga térmica em temperaturas mais quentes, o limite de tensão de um carregador deve ser compensado em aproximadamente 3mV por célula por grau Celsius. O ajuste de tensão tem um coeficiente negativo, significando que o limiar de tensão cai à medida que a temperatura aumenta.

Por exemplo, se o limite de tensão é ajustado para 2,40 Volts / célula a 20°C, o ajuste deve ser abaixado para 2,37 Volts / célula a 30°C e aumentado para 2,43 Volts / célula a 10°C. Isto representa uma correção de 30 mV por célula por 10 graus Celsius. As baterias de Lítio-Íon oferecem boa performance ao serem carregadas em baixas e altas temperaturas. Algumas células permitem carregar a 1 C de 0°C a 45°C (32°F a 113°F). A maioria das células de Lítio-Íon prefere uma corrente de carga menor quando a temperatura vai para baixo de 5°C (41°F) ou mais frio. Deve-se evitar carregar a temperaturas abaixo de 0°C porque pode ocorrer depósito de metal de lítio.

Carregadores Ultra-Rápidos

Alguns fabricantes de carregadores pretendem surpreendentemente reduzir os tempos de carga para 30 minutos ou menos. Com células bem balanceadas e operando em temperaturas ambientes razoáveis, baterias de NiCd projetadas para carregamento rápido podem de fato serem carregadas em um período muito curto. Isso é feito simplesmente despejando uma alta corrente de carga durante os primeiros 70% do ciclo de carga.

Algumas baterias de NiCd podem receber até 10 C. Detecção de estado de carga precisa e monitoramento de temperatura são essenciais. A alta corrente de carga deve ser reduzida a níveis mais baixos na segunda fase do ciclo de carga porque a eficiência de absorver carga é progressivamente reduzida à medida que a bateria passa para um estado de carga maior. Se a corrente de carga permanece muito alta em uma posterior fase do ciclo de carga, a energia excessiva se transforma em calor e pressão. Eventualmente ocorrem aberturas, liberando gás hidrogênio. Não somente os gases que escapam esvaziam o eletrólito, como também eles são altamente inflamáveis! Diversos fabricantes oferecem carregadores que creditam carregar completamente uma bateria de NiCd em metade do tempo dos carregadores convencionais. Baseado na tecnologia de carga por pulsos, esses carregadores intercalam um ou vários curtos pulsos de descarga entre cada pulso de carga. Isso promove a recombinação de gases de oxigênio e hidrogênio, resultando um reduzido acúmulo de pressão e uma temperatura da célula mais baixa.

Carregadores ultra rápidos baseados nesse princípio podem carregar uma bateria à base de Níquel em um tempo menor que os carregadores regulares, mas apenas aproximadamente até 90% do estado de carga. Uma carga pulsante é necessária para elevar a carga para 100%. Sabe-se que carregadores de pulsos reduzem a formação cristalina (memória) em baterias à base de Níquel. Usando esses carregadores, alguma melhoria na performance da bateria pode ser conseguida, especialmente se a bateria é afetada pela memória. O método de carga por pulsos não substitui descarga completa periódica. Para formações cristalinas mais severas em baterias à base de Níquel, uma descarga completa ou ciclo de recondicionamento é recomendável para recuperar a bateria. O carregamento ultra-rápido pode ser aplicado apenas para baterias em bom estado e aquelas projetadas para carregamento rápido. Algumas células simplesmente não são construídas para carregarem alta corrente.

Outro problema com carregadores ultra-rápidos acontece quando estão sendo carregadas baterias envelhecidas que comumente possuem alta resistência interna. Uma condutividade pobre se transforma em calor, que mais tarde acaba deteriorando as células. Conjuntos de baterias com células mal combinadas colocam um outro desafio. As células fracas que armazenam menos capacidade são carregadas antes daquelas com capacidades maiores e começam a se aquecer. Este processo as torna vulneráveis a danos futuros. O carregador ultra-rápido ideal primeiro verifica o tipo de bateria, mede seu estado de “saúde” e então aplica uma corrente de carga tolerável. Baterias de capacidade ultra-alta e aquelas que estão envelhecidas são identificadas, e o tempo de carga é prolongado por causa de uma resistência interna mais elevada. O carregador deve prevenir o acúmulo excessivo de temperatura. Detecção lenta do calor ao carregar rapidamente uma bateria, torna fácil a ocorrência de sobrecarrega. Isso é especialmente verdade para carregadores que controlam carga rápida usando exclusivamente detecção de temperatura.

Se o aumento da temperatura é medido corretamente na “pele” da célula, uma razoável e precisa detecção do estado de carga torna-se possível. Se feita na superfície externa da bateria, futuros atrasos ocorrerão. Qualquer exposição prolongada a uma temperatura de 45°C (113°F) prejudica a bateria. Novos conceitos de carregadores estão sendo estudados, o qual regula a corrente de carga de acordo com a aceitação de carga. Na carga inicial de uma bateria vazia, quando a aceitação está alta e pouco gás é gerado, uma corrente muito alta pode ser aplicada. Perto do final da carga, a corrente é diminuída.

Carregadores inteligentes

Novos sistemas de baterias exigem carregadores mais complexos do que com baterias com químicas mais antigas. Com os chips de carga de hoje, projetar um carregador ficou mais simples. Esses chips aplicam algoritmos de carga e são capazes de servir a maioria das químicas de baterias. À medida que o preço desses chips abaixa, engenheiros de projeto fazem um maior uso desse produto. Com o chip, um engenheiro pode focar totalmente no equipamento portátil ao invés de dedicar tempo para desenvolver um circuito de carga. O chip tem algumas limitações. O algoritmo de carga é fixado e não permite sintonia fina. Se uma carga pulsante é necessária para aumentar a tensão de uma Lítio-Íon que caiu abaixo de 2,5 Volts por célula para sua tensão de operação normal, a carga fornecida pelo chip pode não ser capaz de realizar essa função.

Do mesmo modo, se uma carga ultra-rápida é necessária para baterias à base de Níquel, o chip aplica uma corrente de carga fixa e não leva em consideração o estado de “saúde” da bateria. Além disso, uma carga de compensação de temperatura seria difícil de administrar se o chip não tiver essa característica. Usar um pequeno micro-controlador é uma alternativa. O custo do “Hardware” é aproximadamente o mesmo. Quando optar por um micro controlador, uma atualização interna personalizada (firmware) será necessária. Algumas características extras podem ser acrescentadas com um pequeno custo extra. Eles são carregadores rápidos baseados no estado de “saúde” da bateria. Temperaturas ambientes podem também ser levadas em conta. Se um chip ou micro-controlador é usado, componentes periféricos são exigidos.