DESCARGA DE BATERIAS
O propósito de uma bateria é o de armazenar energia e liberá-la em um tempo apropriado de uma maneira controlada. Ser capaz de armazenar uma grande quantidade de energia é uma coisa, a habilidade de satisfazer a capacidade de demanda é outra. O terceiro critério é o de ser capaz de entregar toda a energia disponível sem deixar energia preciosa para trás quando o equipamento é interrompido. A corrente de carga e descarga de uma bateria é medida em Taxa C (C-Rate). A maioria das baterias portáteis, com exceção das de Chumbo-Ácido, são taxadas em 1 C.
Uma descarga de 1 C extrai uma corrente igual à capacidade nominal. Por exemplo, uma bateria de 1000mAh fornece 1000mA por 1 hora se descarregada à taxa de 1 C. A mesma bateria descarregada a 0,5 C fornece 500 mA por 2 horas. A 2 C, a mesma bateria entrega 2000mA por 30 minutos. 1 C é freqüentemente atribuído como uma descarga de 1 hora; 0,5 C como 2 horas, e uma de 0,1 C como uma descarga de 10 horas.
A capacidade da bateria é comumente medida com um analisador de bateria. Se a leitura de capacidade do analisador é dada em porcentagem da taxa nominal, é indicado 100% se 1000mA puderem ser retirados de uma bateria com capacidade de 1000mAh para uma hora. Se a bateria dura apenas 30 minutos antes da interrupção, 50% é indicado. Uma nova bateria às vezes fornece mais do que 100% da capacidade. Em tal caso, a bateria é cautelosamente calculada e pode suportar tempo de descarga maior do que o especificado pelo fabricante. Quando descarregar uma bateria com um analisador de bateria que permita ajustar diferentes Taxas C (C-Rates) de descarga, uma leitura de capacidade maior é observada se a bateria for descarregada à uma Taxa C mais baixa e viceversa.
Ao descarregar uma bateria de 1000mAh a 2 C, ou 2000mA, o analisador deveria receber a capacidade total em 30 minutos. Teoricamente, a capacidade de leitura deve ser a mesma de uma descarga lenta, desde que quantidade idêntica de energia seja entregue, somente sobre um tempo mais curto. Porém devido à perda de energia que acontece dentro da bateria e a queda de tensão que faz com que a bateria alcance mais rapidamente o final da descarga. A leitura de capacidade é menor e pode ser de 97%. Descarregar a mesma bateria a 0,5 C, ou 500mA, acima de 2 horas, aumentaria a capacidade de leitura para aproximadamente 103%. A discrepância nas leituras de capacidade com diferentes Taxas C depende amplamente da resistência interna da bateria. Em uma nova bateria com uma boa característica de capacidade de corrente ou baixa resistência interna, a diferença nas leituras é apenas de poucos pontos porcentuais. Em uma bateria que apresente uma alta resistência interna, a diferença nas leituras de capacidade pode oscilar em ± 10% ou mais.
Uma bateria que não trabalha bem a uma taxa de descarga de 1 C é a selada de Chumbo-Ácido. Para obter uma leitura de capacidade prática, os fabricantes comumente taxam essas baterias em 0,05 C ou descarga de 20 horas. Até à esta taxa de descarga lenta, é freqüentemente difícil de alcançar a capacidade de 100%. Ao descarregar uma bateria selada de Chumbo-Ácido a uma descarga de 5 horas (0,2 C), as leituras de capacidade são correspondentemente menores. Para compensar as diferentes leituras em várias correntes de carga, os fabricantes oferecem um equilíbrio de capacidade. Baterias de Lítio-Íon/Polímero são protegidas eletronicamente contra altas descargas de corrente. Dependendo do tipo de bateria, a corrente de descarga é limitada algo em torno de 1 e 2 C. Essa proteção torna a Lítio-Íon inadequada para equipamentos biomédicos, ferramentas de energia e transceptores de alta potência. Essas aplicações são comumente reservadas para baterias de NiCd.
Profundidade da Descarga
A tensão típica de “fim de descarga” para baterias à base de Níquel é de 1 Volt por célula. Neste nível de tensão, aproximadamente 99% da energia é gasto e a tensão começa a cair rapidamente se a descarga continuar. Deve-se evitar descarregar além da tensão de interrupção, especialmente sob carga pesada. Desde que as células em um conjunto de baterias não podem ser perfeitamente combinadas, ocorre um potencial de tensão negativo (reversão de célula) através de uma célula mais fraca se a descarga continuar além do ponto de interrupção. Quanto maior for o número de células conectadas em série, maior a probabilidade disto acontecer.
Uma bateria de NiCd pode tolerar uma quantidade limitada de reversão de célula, que é tipicamente de 0,2 Volts. Durante esse tempo, a polaridade do eletrodo positivo é invertida. Tal condição pode apenas ser sustentada por um breve momento porque a evolução de hidrogênio acontecesse no eletrodo positivo. Isto conduz ao acúmulo de pressão e abertura da célula. Se a célula é empurrada para a reversão de voltagem, a polaridade de ambos os eletrodos está sendo invertida, resultando um curto elétrico. Tal erro não pode ser corrigido e o conjunto precisará ser trocado.
Se a bateria é descarregada a uma taxa mais que 1 C, o ponto de fim de descarga de uma bateria a base de Níquel é 0,9 Volts por célula. Isso é feito para compensar a queda de tensão induzida pela resistência interna da célula, a fiação, dispositivos de proteção e contatos do conjunto. Um ponto de interrupção mais baixo também oferece melhor performance em baixas temperaturas. A tensão de fim de descarga recomendada para a bateria selada de Chumbo-Ácido é de 1,75 Volts por célula. Diferente da curva de descarga horizontal da NiCd, a bateria selada de Chumbo-Ácido tem uma queda de tensão gradual com um rápido declive em direção ao fim da descarga como mostrado na figura abaixo.
Características de descarga de baterias de NiCd, NiMH e de Chumbo-Ácido Embora esse decréscimo estável na tensão seja desvantajoso, ele tem uma vantagem porque o nível de tensão pode ser utilizado para mostrar o estado da carga da bateria. Contudo, as leituras de tensão flutuam com carga e as leituras do estado da carga são imprecisas. O ciclo de vida de uma bateria selada de Chumbo-Ácido está diretamente relacionada com a profundidade de descarga. O número típico de ciclos de carga/descarga a 25°C(77°F) no que diz respeito à profundidade de descarga é: 150 a 200 ciclos com 100% de profundidade de descarga (descarga completa); 400 a 500 ciclos com 50% de profundidade de descarga (descarga parcial); 1000 ciclos ou mais com 30% de profundidade de descarga (descarga rasa). A bateria selada de Chumbo-Ácido não deve ser descarregada além de 1,75 Volts por célula, nem pode ser armazenada em um estado descarregado. As células de uma bateria selada de Chumbo-Ácido “sulfatam”, uma condição que torna a bateria inútil se deixada nesse estado por alguns dias. Uma bateria de Lítio-Íon tipicamente descarrega para 3 volts por célula.
Alguns modelos (“spinel” e “coke”) podem ser descarregados para 2,5 Volts por célula. Quanto mais baixa tensão de fim de descarga, a bateria ganha alguns pontos porcentuais extras. Desde que os fabricantes de equipamento não possam especificar que tipo de bateria pode ser usado, a maioria dos equipamentos é projetado para uma interrupção de 3 Volts. Deve-se tomar cuidado para não descarregar muito uma bateria à base de Lítio. Descarregar uma bateria à base de Lítio abaixo de 2,5 Volts pode interromper o circuito de proteção da bateria. Algumas baterias de Lítio-Íon possuem uma interrupção de tensão muito baixa que desconecta permanentemente o conjunto se uma célula cair para 1,5 Volts. Esse cuidado proíbe recarga se a bateria tiver permanecido em um estado de tensão ilegal.
Uma descarga muito profunda pode causar a formação de derivação de cobre, que pode conduzir a um curto elétrico parcial ou total. O mesmo ocorre se a célula é levada para polaridade negativa e é mantida nesse estado por um instante. Uma bateria totalmente descarregada deve ser carregada a 0,1 C. Carregar uma bateria com uma derivação de cobre a uma taxa de 1 C causaria um aquecimento excessivo. Tal bateria deve ser inutilizada. Descarregar uma bateria muito profundamente é um problema; equipamento que interrompe antes da energia ser consumida é outro. Alguns dispositivos portáteis não são adequadamente adaptados para colher toda a energia armazenada dentro de uma bateria.
Energia valiosa pode ser deixada para trás se o ponto de interrupção de tensão for ajustado muito alto. Dispositivos digitais estão exigindo muito da bateria. Cargas pulsadas momentâneas, causam uma breve queda na tensão, o que pode empurrar a tensão para a região de interrupção. Baterias com alta resistência interna são particularmente vulneráveis à interrupção prematura. Se tal bateria é removida do equipamento e descarregada para um ponto de interrupção com um analisador de bateria em carga DC, um alto nível de capacidade residual pode ainda ser obtido. A maioria das baterias recarregáveis prefere uma descarga parcial ao invés de uma descarga completa. Descargas completas repetidas roubam a capacidade das baterias. A química da bateria que é a mais afetada por descarga profunda repetida é a de Chumbo-Ácido. Similar às baterias de Chumbo-Ácido, as baterias de Lítio-Íon preferem ser descarregadas superficialmente. Até 1000 ciclos podem ser alcançados se a bateria for parcialmente descarregada.
Além dos ciclos, a performance das baterias de Lítio-Íon também é afetada pelo envelhecimento. Perda de capacidade por envelhecimento é independente do uso. Contudo, em uso diário, existe a combinação de ambos. As baterias de NiCd são as menos afetadas por ciclos repetidos de descarga completa. Vários milhares de ciclos carga/descarga podem ser obtidos com esse sistema de bateria. Esta é a razão pela qual as baterias de NiCd funcionam bem, por exemplo, em rádios de duas vias que estão em constante uso. As de NiMH são mais delicadas no que dizem respeito a ciclos repetidos de descarga profunda.
Descarga por Pulsos
Químicas de baterias reagem diferentemente às exigências de descarregamento específico. Pelo fato de baterias serem dispositivos químicos que devem converter energia química em energia elétrica durante a descarga, a velocidade desta conversão determina as características de descarga de uma bateria. As baterias de Chumbo-Ácido funcionam melhor em descargas lentas de 20 horas. Uma descarga por pulsos também trabalha bem porque os períodos de descanso entre pulsos ajudam a dispersar as concentrações ácidas esgotadas de volta à da placa do eletrodo. Em termos de capacidade, esses dois métodos de descarga fornecem a máxima eficiência para essas químicas de baterias. Uma descarga à uma capacidade de 1 C fornece a mais pobre eficiência para baterias de Chumbo-Ácido.
O menor nível de conversão, ou polarização aumentada, manifestam-se em um aumento momentâneo da resistência interna devido à depleção de material ativo na reação. Diferentes métodos de descarga, especialmente descargas por pulsos, também afetam a longevidade de alguns tipos de baterias. Enquanto as de NiCd e Li-Íon são robustas e mostram deterioração mínima quando carregadas por pulsos, as de NiMh mostram um ciclo de vida reduzido quando alimentam cargas digitais.
Em estudo recente, a longevidade da bateria de NiMH foi observada descarregando-se essas baterias com cargas digitais e analógicas. Em ambos os testes a bateria se descarregou para 1,04 Volts por célula. A corrente de descarga analógica era de 500mA; o modo digital simulou as exigências do protocolo “Global System for Mobile Communications (GSM) e aplicou 1,65 amperes de corrente de pico por 12 milisegundos a cada 100 milisegundos. A corrente entre os picos era de 270 mA. (Note que o pulso GSM para voz é de aproximadamente 550?s a cada 4,5 milisegundos. Com a descarga analógica, a bateria de NiMH se desgastou gradualmente, fornecendo uma vida de serviço acima da média. A 700 ciclos, a bateria ainda fornecia 80% da capacidade. Em contraste, as células se enfraqueceram mais rapidamente com uma descarga digital. O limiar de capacidade de 80% foi alcançado depois de 300 ciclos. Este fenômeno indica que as características para baterias de NiMH se deterioram mais rapidamente com uma carga digital ao invés de uma carga analógica.
Descarga em altas e baixas temperaturas
Baterias funcionam melhor em temperaturas ambientes. A operação de baterias em locais de temperaturas elevadas, diminui suas vidas. Embora as baterias de Chumbo-Ácido forneçam a maior capacidade a temperaturas acima de 30° C, o prolongado uso sob tais condições diminuem a vida da bateria. Da mesma forma, as baterias Li-Íon funcionam melhor a altas temperaturas. Temperaturas elevadas temporariamente neutralizam a resistência interna da bateria, que é resultado do envelhecimento.
A energia ganha tem uma vida curtaporque a elevação de temperatura estimula o envelhecimento por futuro aumento da resistência interna. A química da NiMH se degrada rapidamente se carregada/descarregada (ciclo) em maiores temperaturas ambientes. A melhor vida de bateria e contagem de ciclo são alcançadas a 20°C (68°F). Cargas e descargas repetidas em temperaturas mais altas causarão perda de capacidade irreversível. Por exemplo, se operada a 30°C (86°F), o ciclo de vida é reduzido em 20%. A 40°C (104°F), a perda salta para enormes 40%. Se carregado e descarregado a 45°C (113°F), o ciclo de vida é apenas metade do que pode ser esperado se usado a uma temperatura ambienta razoável. Uma NiCd é também afetada pela operação em alta temperatura, mas para um grau menor.
Em baixas temperaturas, a performance de todas as químicas de baterias cai drasticamente. É importante lembrar que embora uma bateria seja capaz de operar em baixas temperaturas, isto automaticamente não significa que ela possa ser carregada sob essas condições. A aceitação de carga para a maioria das baterias em baixas temperaturas é extremamente restrita. Muitas baterias precisam estar acima de 0°C para se carregarem. Baterias de NiCd podem ser recarregadas a temperaturas abaixo de 0°C caso a taxa de carga seja reduzida para 0,1 C.