versão electrónica - Universidade do Minho

Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Aníbal José Fernandes Freitas
Sistema para gestão da energia e
carregamento universal para um
andarilho eletrónico
Dissertação de Mestrado
Mestrado Integrado em Engenharia Eletrónica
Industrial e Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor Luís Miguel Valente
Gonçalves
E Co-orientadora:
Professora Doutora Cristina Manuela
Peixoto dos Santos
Outubro de 2012
“Just because something doesn’t do what you planned it to
do doesn’t mean it’s useless.”
Thomas A. Edison
ii
iii
Agradecimentos
Gostaria de agradecer ao meu orientador, Prof. Doutor Luís Gonçalves, pela sua
disponibilidade e acompanhamento ao longo deste projeto. Fico muito grato pela sua boa
disposição e conselhos, que foram muito úteis em momentos menos positivos nesta
dissertação.
À minha coorientadora, Professora Doutora Cristina Santos, pela oportunidade de
integrar esta dissertação no seu projeto “Andarilho robótico”.
Aos técnicos dos laboratórios de eletrónica, Sr. Carlos, Sr. Joel e Dona Ângela que são
sem dúvida uma mais-valia para o departamento de eletrónica.
Aos meus colegas e amigos de curso, em especial ao Nelson, Mike, Rafael, João, Filipe,
Rui e Fátima, que sempre foram prestáveis e companheiros nos momentos de estudo e de
diversão.
À minha namorada e melhor amiga, Liliana Andrade, pela sua paciência e
companheirismo quando tudo parecia correr mal. Agradeço-lhe, também, pela ajuda na
revisão da escrita desta dissertação.
Por fim, agradeço à minha querida irmã e aos meus país, que sem a sua ajuda,
compreensão e paciência eu nunca teria conseguido atingir esta meta da minha vida: muito
obrigado Pai e Mãe.
iv
v
Resumo
Vivemos numa época em que a tecnologia e a ciência permitem o aparecimento de
engenhos eletrónicos cada vez mais sofisticados. Na área da mobilidade, e não só,
dispositivos como carros elétricos, bicicletas elétricas, veículos de duas rodas, entre outros,
dependem quase a 100% das características e tecnologia das baterias.
Esta dissertação surge com a necessidade de alimentar eletricamente um andarilho
robótico, a partir de uma bateria. A finalidade deste projeto passa por, primeiramente efetuar
um estudo sobre todas as baterias recarregáveis comuns no mercado, tal como, efetuar uma
escolha de uma bateria que preencha os requisitos para o andarilho eletrónico. Pretende-se
nesta dissertação desenvolver um carregador de baterias inteligente e universal, capaz de
recarregar a bateria escolhida para o andarilho, bem como, qualquer bateria comum dos dias
de hoje. O sistema terá um interface para o utilizador inserir os dados da bateria a recarregar,
para que o sistema aplique o método de carga mais indicado para a bateria em causa.
O “carregador universal de baterias” é composto por uma série de componentes, que
foram escolhidos e consequentemente testados, como por exemplo, um sensor de corrente por
efeito de Hall, ou ainda, um potenciómetro digital. O elemento principal à qual o sistema fica
dependente trata-se de um conversor de tensão DC/DC, step-down, permitindo assim que se
regule a tensão a aplicar na bateria.
Palavras-chave: Baterias, Conversor de tensão Buck, PWM, Métodos de carga,
Sensores, PCB.
vi
vii
Abstract
We live in an age where technology and science allow the emergence of increasingly
sophisticated electronic devices. In the area of mobility, and not only, devices such as electric
cars, electric bicycles, two-wheelers, among others, rely on almost 100% of the features and
technology of the batteries.
This dissertation raises the need to power a robotic-walker electrically from a battery.
The purpose of this project goes through first making a study on all common rechargeable
batteries on the market, such as making a choice of a battery that meets the requirements for
the electronic walkers. It is intended in this work to develop a smart and universal battery
charger, able to recharge the battery chosen for the walker, as well as any common battery of
today. The system will have an interface for the user to enter data for the recharging battery,
so that the system applies the method most suitable for charging the battery in question.
The "universal battery charger" comprises a series of components which were selected
and subsequently tested, for example, a current sensing Hall Effect sensor, or a digital
potentiometer. The main element, of which the system is dependent on, is a DC/DC stepdown voltage converter, thus allowing regulating the voltage applied to the battery.
Keywords: Battery, Buck Converter, PWM, Charging Methods, Sensors, PCB.
viii
ix
Conteúdo
Capítulo 1 – Introdução .............................................................................................. 1
1.1
Motivação e Enquadramento ......................................................................... 2
1.2
Objetivos ....................................................................................................... 3
1.3
Estrutura do Documento................................................................................ 3
Capítulo 2 – Estado da arte: Baterias e Carregadores ............................................... 5
2.1
Noções Gerais Sobre Baterias ...................................................................... 6
2.1.1
2.2
Parâmetros de Uma Bateria.................................................................... 9
Tipos de Baterias – Características ............................................................. 12
2.2.1
Chumbo-Ácido ...................................................................................... 13
2.2.2
Níquel-Cádmio ...................................................................................... 15
2.2.3
Níquel-Hidreto Metálico ........................................................................ 17
2.2.4
Baterias de Iões de Lítio ....................................................................... 19
2.2.5
Lítio – Polímero ..................................................................................... 22
2.2.6
Lítio Fosfato de Ferro ............................................................................ 25
2.3
Carregadores no mercado........................................................................... 29
2.3.1
Velleman – VL7168............................................................................... 29
2.3.2
Automatic Turbo – Charger ................................................................... 30
2.3.3
Li – Charger 4 Plus ............................................................................... 31
2.3.4
Xbase Ultimate...................................................................................... 31
2.3.5
EOS 0720i NET3 – AD ......................................................................... 32
2.3.6
XMove 2.0 Station................................................................................. 33
Capítulo 3 – Fundamentos Teóricos ......................................................................... 35
3.1
x
Métodos de carga para baterias .................................................................. 35
3.1.1
Carregar baterias de Chumbo-Ácido .................................................... 36
3.1.2
Carregar Baterias de Níquel ................................................................. 38
3.1.3
Carregar baterias de Lí-Ion e LiPo ........................................................ 40
3.1.4
Carregar baterias de Lítio fosfato de ferro ............................................ 41
3.2
Conversores de Tensão DC/DC .................................................................. 42
3.2.1
Controlo por modulação de largura de impulso - “PWM” ...................... 43
3.2.2
Conversor de tensão Step-Down (Buck) ............................................... 45
Capítulo 4 – Desenvolvimento Prático ...................................................................... 48
4.1
Sistema de Carregamento – Características e Funcionalidades ................. 48
4.2
Hardware – Protótipo................................................................................... 49
4.2.1
Bateria para o andarilho ........................................................................ 50
4.2.2
Fonte de alimentação ........................................................................... 52
4.2.3
Conversor Step-Down – LT3741........................................................... 53
4.2.4
Potenciómetro digital ............................................................................ 65
4.2.5
Sensor de corrente ............................................................................... 67
4.2.6
Microcontrolador ................................................................................... 68
4.2.7
Sensor de temperatura ......................................................................... 70
4.2.8
Especificações do sistema (resumo) .................................................... 71
4.3
Algoritmos (Fluxogramas) ........................................................................... 72
Capítulo 5 – Testes e Resultados............................................................................. 78
5.1
Carregamento de baterias – Testes práticos............................................... 78
5.1.1
Níquel-Hidreto Metálico – Carregamento .............................................. 79
5.1.2
Lítio - Polímero – Carregamento ........................................................... 83
5.1.3
Lítio fosfato de ferro – Carregamento ................................................... 85
5.2
Testes ao sensor de corrente ...................................................................... 86
5.3
Testes ao potenciómetro ............................................................................. 89
5.4
Testes à placa Buck .................................................................................... 92
Capítulo 6 – Conclusões e Trabalhos Futuros........................................................ 101
6.1
Conclusão ................................................................................................. 101
xi
6.2
Sugestões para trabalhos futuros .............................................................. 103
Referências ........................................................................................................... 105
Anexo A ................................................................................................................. 111
xii
xiii
Lista de Abreviaturas
Abreviaturas
Descrição (PT)
Descrição (Inglês)
AC
Corrente alternada
Alternate Current
ADC
Conversor analógico-digital
Analog-to-Digital Converter
DC
Corrente contínua (CC)
Direct Current
DOD
Profundidade de descarga
Depth of Discharge
ESR
Resistência em série equivalente
Equivalent Series Resistance
GND
Massa
Ground
IC
Circuito Integrado
Integrated Circuit
LCD
Display de Cristal Líquido
Liquid Crystal Display
LED
Díodo Emissor de Luz
Light Emitting Diode
LiFePO4
Lítio Fosfato de Ferro
Lithium Iron Phosphate
Li-Ion
Iões de lítio
Lithium Ions
LiPo
Lítio – Polímero
Lithium polymer
MOSFET
Transístor de efeito de campo
Metal Oxide Semiconductor Field
metal-óxido-semicondutor
Effect Transistor
NDV
Delta V Negativo
Negative Delta V
NiCd
Níquel-Cádmio
Nickel–Cadmium
NiMH
Níquel-Hidreto Metálico
Nickel–Metal Hydride
NTC
-
OCV
Tensão em aberto
Open Circuit Voltage
PCB
Placa de Circuito Impresso
Printed circuit board
PWM
Modulação por largura de impulso
Pulse-Width Modulation
SLA
Bateria Selada Chumbo-Ácido
Sealed Lead Acid
SMD
SOC
Estado da carga
Negative Temperature Coefficient
Surface Mount Device
State of Charge
SPI
-
Serial Peripheral Interface
UPS
-
Uninterruptible Power Supply
USB
-
Universal Serial Bus
VRLA
Bateria de chumbo-ácido regulada
por válvulas
xiv
Valve Regulated Lead Acid
Lista de Figuras
Figura 1.1 – Andarilho eletrónico em fase de desenvolvimento na Universidade
do Minho………………………………………………………………………...2
Figura 2.1 - Carregador da empresa SONY………………………………………....………..5
Figura 2.2 - Bateria de lítio a arder…………………………………………………………...5
Figura 2.3 - Configuração em série …………………………………………………………..7
Figura 2.4 - Configuração em paralelo………………………………………………………..7
Figura 2.5 - Reação Oxidação – Redução (descarga elétrica)………………………………...8
Figura 2.6 - Ânodo de uma bateria de níquel-cádmio…………………………………….….12
Figura 2.7 - Baterias de chumbo-ácido……………………………………………………....13
Figura 2.8 - Esquemático de uma célula de chumbo-ácido…………………………………..13
Figura 2.9 - Gráfico da tensão numa bateria de chumbo-ácido…………………………..…..14
Figura 2.10 - Dispositivos que normalmente utilizam baterias de chumbo-ácido…….……...15
Figura 2.11 - Baterias de níquel-cádmio…………………………………………………..….15
Figura 2.12 - Representação da constituição de uma célula de NiCd……………………......17
Figura 2.13 - Esquemático de uma célula de NiMH……………………………………….…17
Figura 2.14 - Bateria utilizada no Toyota Prius e no telemóvel Motorola StarTac…………..19
Figura 2.15 - Baterias de iões de lítio…………………………………………………….…..19
Figura 2.16 - Esquemático base com os componentes que podem constituir uma célula
de Li-Ion. ……………………………………………………………………....21
Figura 2.17 - Telemóvel Samsung Galaxy S e respetiva bateria……………………………..21
Figura 2.18 - Célula de 3.7 V de polímero de lítio……………………………………..…….22
Figura 2.19 - Estrutura de uma célula de LiPo……………………………………………….23
Figura 2.20 - Comparação da espessura entre os dois tipos de baterias……………………...23
Figura 2.21 - Computador portátil MacBook Pro da Apple………………………………….24
Figura 2.22 - Carro elétrico RC e respetiva bateria LiPo…………………………………….24
Figura 2.23 - Aplicações típicas das baterias de lítio-polímero…………………….….……..24
Figura 2.24 - Baterias de lítio fosfato de ferro………………………………………..……...25
xv
Figura 2.25 - Esquemático base da constituição de uma célula de LiFePO4……….…...…...25
Figura 2.26 - Veiculo elétrico comercial da “Smith Electric Vehicles” ……………………..26
Figura 2.28 - Computador Portátil da missão OLPC………………………………...………27
Figura 2.27 - Motociclo Killacycle considerada a mais rápida e poderosa moto elétrica……27
Figura 2.29 – Densidades gravimétricas de energia típicas nas baterias recarregáveis…..…..28
Figura 2.30 - Carregador de baterias NiCd e NiMH……………………………………….....29
Figura 2.31 - Carregador de baterias chumbo-ácido da Graupner…………………..…….….30
Figura 2.32 - Carregador para baterias de Lítio………………………………………….…...31
Figura 2.33 - Carregador para vários tipos de baterias – Xbase Ultimate……………….…...32
Figura 2.34 - Um dos carregadores universais da Hyperion……………………………....….33
Figura 2.35 - Carregador 4 em 1 da ANSMANN………………………………………....….34
Figura 3.1 - Método Multi-Estágios para baterias de chumbo-ácido…………………..….….38
Figura 3.2 - Método de carga para baterias de níquel - Delta V Negativo………….….…….40
Figura 3.3 - Curvas características no carregamento de baterias de Li-Ion……………….….41
Figura 3.4 - Curvas características no carregamento LiFePO4………………………….…...42
Figura 3.5 - Transformação de um Buck-Boost num Flyback………………………….……44
Figura 3.6 - a) Representação básica de um conversor DC/DC; b) Obtenção da tensão média
de saída(Vo)……………………………………………………………….…….45
Figura 3.7 - Diagrama de blocos PWM……………………………………………….……...45
Figura 3.8 - Comparação dos sinais para o controlo PWM………………………….……….45
Figura 3.9 - Circuito esquemático de um Step-Down……………………………….……….46
Figura 3.10 - Estado a ON num Step-Down………………………………………….………47
Figura 3.11 - Estado a OFF num Step-Down………………………………………………...47
Figura 3.12 - a) Modo condução contínua; b) Modo condução descontínua; c) Modo
condução intermedio……………………………………………….………….48
Figura 4.1 - Esquema exemplo de um circuito balanceador de 4 células…………...……….50
Figura 4.2 - Diagrama geral do sistema……………………………………………………...51
xvi
Figura 4.3 - À esquerda a bateria de chumbo-ácido e à direita a bateria escolhida de lítio
fosfato de ferro……………………………………………………………….....53
Figura 4.4 - Fonte de alimentação SP – 240-24……………………………………………...53
Figura 4.5 - Tensão de saída da fonte de alimentação (imagem retirada dum osciloscópio)...54
Figura 4.6 - Configuração dos pinos do LT3741 e respetiva imagem do encapsulamento….55
Figura 4.7 - Desenho da placa de testes Step-Down (LT3741) – Software Eeagle………….56
Figura 4.8 - Desenho da placa de testes Step-Down (LT3741) com planos de massa –
Software Eeagle………………………………………….……………………...57
Figura 4.9 - Percurso da corrente a ON………………………….…………………………...57
Figura 4.10 - Percurso da corrente a OFF…………………….……………………………...58
Figura 4.11 - Configuração da tensão de saída no LT3741……………………………….....58
Figura 4.12 - Configuração da tensão de saída adaptada para carregador universal………...59
Figura 4.13 - Tensão de RS vs tensão referência VCTRL…………………………….……..61
Figura 4.14 - Configuração para o controlo da corrente máxima à saída do Buck………….62
Figura 4.15 - Configuração de um conversor Buck síncrono……………………………..…63
Figura 4.16 - Esquemático do MOSFET do tipo N selecionado para o projeto………...…..64
Figura 4.17 - Circuito esquemático da placa de testes Step-Down (Eagle CAD)…………...66
Figura 4.18 - Em a) configuração como potenciómetro. Em b) como reóstato……………...67
Figura 4.19 - Configuração dos pinos do potenciómetro digital……………………………..67
Figura 4.20 - Vista do lado de cima e lado debaixo da PCB de testes para o potenciómetro
Digital………………………………………………..………………………...68
Figura 4.21 - Configuração dos pinos no sensor de corrente………………………….……..68
Figura 4.22 - Vista do lado de cima e lado debaixo da PCB de testes para o sensor de
corrente………………………………………………………..……………….69
Figura 4.23 - Plataforma Arduíno Uno……………………………………………...……….69
Figura 4.24 - Ambiente gráfico do compilador Arduíno……………………………………..70
Figura 4.25 - Configuração do sensor de temperatura LM35………………………………...72
Figura 4.26 – Sensor de temperatura LM35a registar a temperatura ambiente…………..…..72
Figura 4.27 - Fluxograma geral………………………………………………………….…....73
xvii
Figura 4.28 - Proposta de fluxograma para carregar baterias de Li-Ion……………………...75
Figura 4.29 - Proposta de fluxograma para carregar baterias à base de níquel……….……...76
Figura 4.30 - Controlo para a Corrente Constante……………………………………………77
Figura 4.31 - Controlo para a Tensão Constante……………………………………………..78
Figura 5.1 – Bancada de testes…………………………………………………………..……79
Figura 5.2 – Célula de NiMH, 1.2V; 750mAh ………………………………………………80
Figura 5.3 – Evolução da tensão, temperatura e da capacidade na célula de NiMH…..……..80
Figura 5.4 – Derivadas da temperatura e da tensão para mesma experiência de carga.……...81
Figura 5.5 – Gráfico com a capacidade, tensão na bateria e respetiva derivada………….….82
Figura 5.6 – Gráficos da evolução da tensão, temperatura e capacidade das células da Bateria
de NiMH…………………………………………………………………….…..83
Figura 5.7 – Derivadas da tensão das células A e B…………………………………………83
Figura 5.8 – Gráfico com a capacidade, tensão e respetiva derivada da bateria de NiMH
(2.4V; 750mAh)……………………………………………………….……….84
Figura 5.9 – Célula de LiPo utilizada no teste………………………………………….……85
Figura 5.10 – Evolução da tensão, corrente e capacidade na bateria de LiPo………….……85
Figura 5.11 – Evolução da temperatura bateria de LiPo……………………………….…….85
Figura 5.12 – Bateria de LiFePO4 a inserir no andarilho……………………………….…...86
Figura 5.13 – Evolução da tensão, corrente e capacidade na bateria de LiFePO4……….….87
Figura 5.14 - Gráfico da performance do sensor ACS713…………………………………..87
Figura 5.15 - Diagrama do teste ao sensor de corrente……………………………………...88
Figura 5.16 - À esquerda, observa-se a fonte de corrente a 3.02 A. À direita, apresenta-se o
LCD com o valor da corrente que o sensor de corrente l……………….….…..88
Figura 5.17 - Bancada de testes ao sensor de corrente………………………………………89
Figura 5.18 - Circuito do AD5231 como reóstato…………………………………….……..90
Figura 5.19 - Trama de 24 bits. Neste exemplo o potenciómetro fica na posição 256……...90
Figura 5.20 - Configuração da tensão de saída adaptada com os valores das resistências…..91
Figura 5.21 - Vista de cima (lado DIP) da placa Step-Down…………………………….….93
xviii
Figura 5.22 - Vista de baixo (lado SMD) da placa step down………………………………94
Figura 5.23 - Configuração da tensão de saída do Buck para Vout = 9.14V…….…………94
Figura 5.24 - Bancada com os elementos de teste do step-down (LT3741)…………..…….95
Figura 5.25 - Pontos-chave para funcionamento do circuito……………………………..…95
Figura 5.26 - Imagem retirado do vídeo do teste da placa Step-Down LT3741…………....98
Figura 5.27 - Imagens retiradas do osciloscópio: a) Tensão na gate dos MOSFETs
b) Transição ON para OFF c) Transição de OFF para ON………………….100
Figura 5.28 - Tensão na saída e tensão no ponto em comum dos dois MOSFETs….……..100
Figura 5.29 - Imagens retiradas de um vídeo que demonstra a pressão necessária em alguns
pontos da PCB para o correto funcionamento…………………………….…101
xix
Introdução
Capítulo 1 – Introdução
Numa manhã normal na vida do jovem Pedro, o despertador toca. O Pedro arranja-se, e
vai para a escola na sua nova bicicleta elétrica a ouvir música no seu MP3. A meio do
caminho e após ter visto as horas no seu relógio digital, “acelera no pedal” pois já está
atrasado. Ao entrar na aula de matemática, fala com o João para lhe pedir uma calculadora,
tendo-se esquecido da sua em casa. Ao sair da escola liga do seu telemóvel à mãe a dizer que
não vai almoçar a casa. No fim do almoço, e enquanto não se decide pela sobremesa, liga o
portátil para enviar um e-mail ao professor de História. O que existe de comum nos
dispositivos utilizados pelo Pedro? Qual a fonte de energia do despertador, do MP3, do
relógio digital, do telemóvel e do computador?[1]
Torna-se fácil perceber que as baterias e as pilhas fazem parte do nosso dia-a-dia, sendo
a energia armazenada facilmente convertida em luz, calor ou em energia mecânica. Tem-se
vindo a assistir a uma evolução exponencial na necessidade de tornar portáteis uma grande
variedade de dispositivos eletrónicos. Num exemplo claro dessa necessidade encontra-se o
computador pessoal, sendo hoje em dia uma das ferramentas essenciais em todas ou quase
todas as áreas de trabalho. Aparelhos eletrónicos tais como: telemóveis, brinquedos, aparelhos
de som, instrumentos de medida, aparelhos médicos entre muitos outros, não dispensam de
uma fonte de energia portátil - Baterias.
Desde o aparecimento da primeira pilha (descoberta de Alessandro Volta em 1800) que
tem surgido uma variedade enorme de baterias. Atualmente, existe no mercado uma grande
diversidade de baterias, variando as suas características físicas e químicas, bem como a
autonomia e ciclos de vida. Com a variedade de oferta nos dias de hoje, é possível efetuar
uma melhor escolha de baterias para atender às necessidades de uma aplicação específica.
O bom desempenho e longevidade de uma bateria depende, em grande parte, do sistema
e engenho para efetuar a sua recarga. Geralmente, e em produtos de consumo são dadas
prioridades reduzidas aos carregadores das baterias, afetando a durabilidade e desempenho
destas. Efetuar uma escolha de um carregador com qualidade faz todo o sentido,
especialmente quando a bateria escolhida para o dispositivo eletrónico é de custo elevado. Em
muitos casos, o dinheiro investido num carregador mais sofisticado e eficiente é devolvido em
tempo útil de vida da bateria [2].
1
1.1
Motivação e Enquadramento
Durante o século XX, a taxa de idosos teve um aumento acentuado na população
mundial, e existe a tendência para uma continuação desse aumento no século XXI. Perder a
total ou parcial mobilidade é natural na população envelhecida, afetando isso, não só a
capacidade de andar, mas também, a capacidade de concretizar tarefas comuns do dia-a-dia.
Estes fatores são determinantes para uma qualidade de vida e independência [3].
A presente dissertação enquadra-se num projeto a cargo da Professora Cristina Santos e
da investigadora Maria Martins, que tem por objetivo desenvolver um andarilho robotizado. O
desenvolvimento de um andarilho eletrónico coloca-nos perante vários desafios interessantes.
Um dos principais desafios para esse projeto envolve o sistema de alimentação, baterias e
carregamento destas.
Sendo que um dos objetivos desta dissertação era desenvolver um carregador para a
bateria do andarilho eletrónico, pensou-se que seria vantajoso tornar esse mesmo carregador
universal, possibilitando o carregamento das baterias mais comuns encontradas no mercado.
Tal como neste projeto de andarilho, outros robôs e protótipos surgem naturalmente num
laboratório de eletrónica, tornando-se útil ter à disposição um carregador universal,
compatível com as diferentes químicas que constituem as diferentes baterias, bem como,
aplicar-lhes o correto método de carga. Carreadores universais encontrados no mercado,
normalmente são de custos elevados, torna-se portanto, interessante desenvolver um
carregador universal na tentativa de diminuir o quanto possível o investimento monetário.
Figura 1.1 – Andarilho eletrónico em fase de desenvolvimento na Universidade do Minho.
2
Introdução
1.2
Objetivos
Desde o primeiro momento em que este projeto foi proposto que o foco principal
aponta para o desenvolvimento de um carregador de baterias, capaz de aplicar uma correta
carga na bateria escolhida para o andarilho robotizado. Para tornar possível a construção deste
engenho é necessário efetuar um levantamento de dados técnico e teóricos sobre os tipos
baterias mais comuns dos dias de hoje, bem como um estudo de circuitos de carga. É
essencial efetuar um estado da arte sobre os carregadores universais existentes no mercado e
projetos similares de forma a haver um enquadramento nos princípios de funcionamentos de
um sistema de carregamento para baterias.
Para que esta dissertação seja concluída com sucesso é necessário alcançar uma série
de objetivos, em que, as principias metas a atingir são as seguintes:

Efetuar uma revisão bibliográfica sobre baterias recarregáveis: características
dos diferentes tipos destas, métodos de carga, segurança no seu manuseamento.

Escolher uma bateria capaz de satisfazer os requisitos propostos pelo projeto
andarilho eletrónico.

Projetar um carregador universal para as baterias da família Níquel, Lítio e
Chumbo-Ácido. Útil não só para carregar a bateria escolhida mas para carregar
baterias de outros projetos de robótica.
1.3
Estrutura do Documento
Esta dissertação encontra-se dividida em seis capítulos. No Capítulo 2, para além de
uma apresentação sobre as baterias e carregadores possíveis de encontrar no mercado, é feita
uma revisão bibliográfica sobre noções gerais referentes a baterias e seus parâmetros.
O Capítulo 3 é dedicado aos fundamentos teóricos explorados nesta dissertação, desde
uma explicação sobre os corretos métodos de carga para cada tipo de bateria à explicação do
funcionamento de um conversor DC-DC step-down comum. Servindo este capítulo 3 de base
para o desenvolvimento do carregador universal de baterias.
Todo o trabalho de desenvolvimento prático encontra-se no Capítulo 4, onde são
apresentados os componentes escolhidos para integrar o sistema de carregamento universal de
baterias.Neste capítulo é ainda apresentada uma proposta de algoritmos de carga de baterias a
inserir no carregador.
No Capítulo 5, estão descritos os testes que foram efetuados em cada um dos
componentes que compõem o carregador, bem como os seus resultados. Antes de serem
3
apresentados os testes aos componentes eletrónicos, são efetuados diversos carregamentos a
diferentes tipos de baterias.
Por fim, no Capítulo 6 é feita uma análise conclusiva sobre todo este projeto de
mestrado. É ainda sugerido uma proposta de trabalhos futuros, que podem contribuir para um
melhoramento deste projeto.
4
Capítulo 2 – Estado da arte: Baterias e Carregadores
Como foi referido na introdução do Capítulo 1, um carregador de baterias deverá
aumentar a longevidade e desempenho de uma bateria. Normalmente, quando um
determinado dispositivo eletrónico que contém uma bateria é lançado para o mercado, é
acompanhado pelo respetivo carregador. Esse mesmo carregador está, normalmente,
configurado para as características da bateria do dispositivo, fazendo com que existam
inúmeros carregadores diferentes no mercado (figura 2.1). Existe um alto risco de danificar
uma bateria, caso esta seja carregada com um carregador que não foi projetado para a própria,
podendo mesmo sobreaquecer ao ponto de explodir e causar ferimentos a quem a rodeia
(figura 2.2).
Figura 2.1 - Carregador da empresa SONY.
Apenas para câmaras digitais da SONY [4].
Figura 2.2 - Bateria de lítio a arder.
Por outro lado, existem carregadores em que os seus objetivos passam por carregar um
leque variado de baterias. Estes carregadores, ditos universais, são desenvolvidos
maioritariamente por empresas relacionadas com a prática de modelismo, onde os veículos
(carros, aviões, barcos) utilizam os tipos de baterias mais comuns do mercado. No entanto,
também são úteis para ambientes industriais e laboratórios de investigação. Os carregadores
universais, para além de terem a capacidade de carregar mais do que um género de baterias
têm, geralmente, a inteligência para carregar as baterias da maneira mais eficaz, segura e
cuidada. Carregadores ditos convencionais ou para uso pessoal usam a eletrónica analógica
para desempenharem a sua função, mas a inclusão de um microcontrolador permite que o
carregador se torne inteligente, ao ponto de poder atuar em diversas situações [5].
Com o recurso a um microcontrolador consegue-se controlar a corrente que passa na
bateria, a tensão entre os seus terminais, alterar a frequência de comutação dos
5
semicondutores, bem como, o PWM e outros parâmetros. Caso ocorra alguma anomalia é
possível interromper o processo de recarga, evitando acidentes e danos. Uma sobrecarga não
controlada pode tornar-se um grande problema devido ao aumento da temperatura na bateria.
Por exemplo, nas baterias à base de níquel um ligeiro aumento da temperatura é inevitável
durante o carregamento. No entanto, quando a bateria está carregada atinge-se um pico de
temperatura, e para não por em causa a integridade da bateria, o carregador deverá ser capaz
de alterar o método de carga, permitindo arrefecer a bateria, posto isto o carregamento está
completo [2]. Um carregador de baterias programável permite carregar diferentes baterias
com processos químicos diferentes, sem ter que alterar qualquer parte do hardware [6].
2.1
Noções Gerais Sobre Baterias
No mundo da ciência e tecnologia, uma bateria é um dispositivo que armazena energia
química e transforma na forma de energia elétrica [7]. As reações químicas que produzem os
eletrões que por sua vez formam a corrente elétrica são denominadas de reações
eletroquímicas. As baterias constam de dispositivos eletroquímicos formadas por duas ou
mais células galvânicas, células combustíveis, células de fluxos ou ainda células
eletroquímicas [8]. O conjunto destas células ou elementos base podem ser dispostos em série
ou em paralelo consoante as especificações pretendidas pela carga, formando assim o que é
denominado por bateria.
Baterias Primárias e Secundárias
Designa-se uma bateria de primara, caso esta seja descartável, ou seja, findada a sua
energia não é possível efetuar uma recarga (devido às característica químicas da bateria). Por
sua vez, considera-se que uma bateria é secundária, se as reações eletroquímicas terminarem e
for possível proceder a um recarregamento de energia, recorrendo a uma fonte externa a fim
de a bateria ser capaz de desempenhar novamente as suas funções [9].
Conjunto de Células (ou Bateria)
Tal como já foi referido, uma célula é o elemento básico de uma bateria. Com o intuito
de satisfazer os requisitos energéticos de dispositivos eletrónicos, o conjunto de células que
formam a bateria podem ser assembladas em série ou em paralelo. Se for pretendido uma
maior tensão nominal, as células devem estar dispostos em série (figura 2.3). Sendo assim, a
tensão nominal da bateria vai corresponder à soma das células individuais, mas a capacidade
permanece igual.
6
Estado da Arte
Figura 2.3 – Configuração em série.
Caso seja necessário uma corrente de maior intensidade e uma capacidade nominal
maior por parte da bateria, as suas células deverão estar dispostas em paralelo (Figura 2.4)
ficando a tensão nominal igual à de uma célula individual. Ter em conta que em qualquer uma
das configurações, as células devem obrigatoriamente ter as mesmas características, caso
contrário pode ocorrer o mau funcionamento da bateria ou até mesmo resultados perigosos
[2].
Figura 2.4 – Configuração em paralelo.
Ânodo, Cátodo e Eletrólito
A célula galvânica produz corrente elétrica quando ocorre uma ionização, ou seja, um
átomo ou uma molécula absorveu ou libertou um eletrão. Dessas ionizações resultam a
libertação de iões, que no caso da eletroquímica vão fluir pelo eletrólito, em direções opostas.
Nestas condições o eletrólito é um ótimo condutor iónico e, por sua vez, um mau condutor
elétrico podendo encontrar-se no estado sólido, liquido ou até pastoso.
Nas pilhas ou células galvânicas que constituem as baterias primárias, o ânodo é o
elétrodo negativo (polo negativo), onde ocorre o fenómeno de oxidação, havendo assim uma
cedência de eletrões a um circuito externo e um fluxo de iões positivos (catiões) na direção do
cátodo. O elétrodo positivo (polo positivo), é denominado de cátodo, onde ocorre a redução
7
(recolha dos eletrões libertados pelo ânodo). Também a partir deste elétrodo ocorre um fluxo
de iões mas negativos (aniões) em direção ao ânodo.
Como pode ser observado na figura 2.5, o cátodo é normalmente representado do lado
direito e o ânodo do lado esquerdo [10]. No caso das baterias secundárias, a função do ânodo
e cátodo dependem se a bateria está a efetuar uma descarga ou se está a carregar [11].
Reação Eletroquímica
Para que uma bateria, ou simplesmente uma célula, faça uma descarga elétrica sobre
uma carga é necessário que um dos elétrodos liberte eletrões e o outro tem de os absorver, a
este fenómeno dá-se o nome de “Reação Oxidação – Redução”. Através deste fenómeno é
possível transformar energia química em energia elétrica.
Figura 2.5 – Reação Oxidação – Redução (descarga elétrica).
Ao fechar o circuito com, por exemplo, um multímetro (figura 2.5), ocorre uma
descarga elétrica. O ânodo contém a substância onde ocorre uma oxidação, ou seja liberta
eletrões. Por sua vez, o cátodo possui a substância que vai absorver os eletrões, dando-se
assim uma redução. Isto acontece em baterias ditas primárias, nas secundárias (recarregáveis)
quando está a ocorrer uma recarga na bateria através de uma fonte externa, sucede-se o
processo inverso da reação descrita em cima, sendo reposta uma certa quantidade de energia,
ou seja, passa a ocorrer uma oxidação no cátodo e uma redução no ânodo [11].
8
Estado da Arte
2.1.1
Parâmetros de Uma Bateria
Capacidade
Numa bateria a capacidade expressa-se em Ah, ampere-hora (1 Ah = 3600 coulombs).
Por convenção internacional é definida como a carga elétrica (fluxo de eletrões) que é
possível obter de uma bateria. A uma corrente constante de descarga (I), a capacidade
pode ser descrita pela seguinte equação, sendo
o tempo de descarga: [11]
Eq. 1-1
Numa definição mais generalizada:
∫
Eq. 1-2
Sendo assim, a capacidade obtém-se multiplicando a corrente de descarga (em
Amperes) pelo respetivo tempo de descarga (em horas). Por exemplo, se uma bateria fornece
1A de corrente elétrica numa hora, significa que tem uma capacidade de 1 Ah. Se pode
fornecer 1A em 100 horas a capacidade passa a ser de 100 Ah. Quanto mais elevada for a
capacidade da bateria, maior será o seu tempo de descarga, considerando uma corrente
constante de descarga [12].
Independentemente do tipo de bateria, os parâmetros que influenciam diretamente a
capacidade são: corrente de descarga, temperatura e a tensão nas células. Para avaliação da
capacidade de uma bateria, tem de se ter em conta o historial da bateria, como por exemplo, o
período de armazenamento anterior e também o estado da carga [11].
Taxa C
Nas baterias, a corrente de carga ou descarga é normalmente descrita como uma taxa
“C”. A “taxa C” é uma medida da “velocidade” com que a bateria é descarregada em ralação
à sua capacidade máxima. Considere-se o exemplo: uma taxa de 1C, significa que a bateria
será totalmente descarregada numa hora. Se uma bateria tiver uma capacidade de 100 Amphora, isso significa que a corrente é de 100 A, para descarregar na totalidade com uma hora.
Para a mesma bateria, se a taxa for 5C, vai haver uma descarga de 500 A (em 12 min), à taxa
de C/2 a corrente é de 50 A (em 2 horas).
9
Portanto, a “taxa C” acaba por ser um índice de corrente máxima (carga ou descarga)
que a bateria consegue debitar, indicando assim o tempo em que a bateria demora a
descarregar toda a sua energia a uma corrente máxima [13].
Estado da carga (State of Charge % (SOC))
O SOC descreve a capacidade atual da bateria em percentagem, relativamente à sua
capacidade máxima. Sendo assim, 100% corresponde à bateria estar cheia e 0% corresponde à
bateria estar vazia. Para calcular estado da carga (SOC), normalmente utiliza-se o processo de
integração da corrente [13].
Profundidade de descarga (Depth of Discharge % (DOD))
É a expressão oposta ao “estado de carga”, sendo a capacidade gasta (descarregada),
expressa em percentagem em ralação à capacidade máxima da bateria, que a bateria pode
atingir sem se danificar [13]. No caso das baterias recarregáveis (secundárias), o DOD é um
parâmetro importante, pois está diretamente relacionado com o número de ciclos de recarga a
serem alcançados na bateria [11]. Portanto, conclui-se que o DOD pode ser descrito pela
seguinte expressão:
Eq. 1-3
Tensão Nominal (V)
É a tensão (em volts) dita como referência entre os terminais da célula ou bateria, dita
muitas vezes como a tensão “normal”. O valor da tensão nominal depende do estado de carga
(SOC) [13].
Tensão em aberto (Open-circuit voltage (OCV))
É a diferença de potencial entre os terminais da bateria sem que esta esteja aplicada a
uma carga. Depende do estado da carga (SOC) e aumenta o seu valor precisamente com o
aumento do SOC [13].
Tensão de descarga mínima (ou de “Cut-Off”)
Tal como a expressão indica, esta tensão representa o valor mínimo (em Volts) para a
bateria conseguir efetuar uma descarga de corrente elétrica. É através deste valor de tensão
que se pode afirmar que a bateria está “descarregada” [13].
10
Estado da Arte
Densidade Gravimétrica de Energia (Wh/Kg) e Densidade de Energia (Wh/L)
Para comparação de sistemas de baterias, tornou-se comum relacionar o conteúdo de
energia na bateria com o seu peso ou volume [11]. Utiliza-se a expressão “Densidade
Gravimétrica” quando se está a relacionar a energia com o peso (Wh/kg). Este parâmetro é
uma característica da química da bateria e do sistema de empacotamento da mesma. A relação
entre a energia e o volume é denominada de “Densidade de energia”, e expressa-se em Wh/L.
Por vezes, pode ser chamada de Densidade Volumétrica” [13].
Tempo de Vida
Indica o número de ciclos de carga/descarga que a bateria se propõe a executar, após
esse número, a bateria deixa de ter o desempenho esperado. Os ciclos de carga são estimados
pelos fabricantes em certas condições de carga e descarga, humidade e temperatura a que as
baterias ficam sujeitas [13].
Resistência Interna
A resistência interna de uma bateria caracteriza a capacidade de limitar a corrente para a
carga. Os valores da resistência diferem para uma corrente de carga e descarga, também vai
depender do estado de carga da bateria (SOC). Com o aumento da resistência interna da
bateria, a eficiência desta vai diminuir e a instabilidade térmica vai aumentar à medida que a
energia de carga é convertida em calor [13].
Um requisito comum exige que o valor da resistência interna DC deve ser
significativamente inferior ao da carga a aplicar a bateria (cerca de 1/10 ou inferior), caso esta
regra não seja cumprida, a queda de tensão provocada pela corrente de descarga consumida
pela carga vai limitar o tempo de serviço da bateria, ou seja, vai danifica-la [11].
Fenómeno de “Auto-descarga”
Diz-se que ocorre um fenómeno de auto-descarga quando ocorre perda de carga ao
longo dos tempos em que a bateria esteve inativa e em circuito aberto [11].
Efeito de memória
Este fenómeno ocorre nas tecnologias de baterias mais antigas, como as baterias à base
de Níquel, por exemplo. Neste tipo de baterias, se não houver um devido cuidado nos
processos de carga, é possível que a capacidade de a bateria carregar totalmente deixe de
11
acontecer. Para a prevenção do chamado efeito memória deve o utilizador deixar descarregar
a bateria sempre até à sua tensão de descarga mínima (Cutt-off). Apenas se deve recarregar a
bateria quando é atingida essa tensão mínima, nunca antes, evitando assim que esta fique
“viciada”. O efeito de memória é causado por alterações químicas e formação de cristais
dentro da bateria que diminuem a capacidade máxima de descarga.
Figura 2.6 – Ânodo de uma bateria de Níquel-Cadmio: à esquerda, com reduzida formação de cristais e à direita,
danificada com grande formação de cristais.
Na figura 2.6, à esquerda, é possível observar que o ânodo de uma bateria de NiCd está
em ótimas condições, com cristais de hidróxido de cadmio hexagonais de cerca de 1 micro. Já
na figura à direita, verifica-se a formação de cristais com mais de 50 micros, ocupando grande
parte do eletrodo, consequentemente, podem provocar um aumento de curtos circuitos
internos ou de auto-descargas [14].
Existe a possibilidade de reverter o efeito memória e voltar a ter a bateria em condições
ótimas de funcionamento, para tal, é necessário efetuar uma descarga completa da bateria (até
à tensão mínima de descarga) e voltar a carregar a mesma, este processo deverá ser repetido
diversas vezes [15].
2.2
Tipos de Baterias – Características
Existem vários tipos de baterias, com diversas características físicas e químicas, no
entanto nenhuma das baterias consegue fornecer uma solução totalmente satisfatória em todos
os requisitos. Com o aumento de oferta nos dias de hoje, é possível efetuar uma melhor
escolha de bateria para atender às necessidades de uma aplicação específica [2].
Neste ponto, são apresentadas os tipos de baterias mais comuns que se podem encontrar
no mercado:
12
Estado da Arte
2.2.1
Chumbo-Ácido
Figura 2.7 – Baterias de chumbo-ácido.
Gaston Planté, físico francês, criou em 1859 a bateria de chumbo-ácido, sendo esta a
mais antiga no sector das baterias recarregáveis. São, ainda hoje, largamente utilizadas e as
suas características e comportamentos são bem conhecidos [2]. O grande sucesso deste género
de baterias ao longo dos tempos deve-se a um número favorável de fatores, como por
exemplo, um custo relativamente baixo [16]. Direcionadas a várias aplicações, surgiram duas
designações para estas baterias, as SLA (Sealed Lead Acid – Bateria Selada de Chumboácido), também conhecida com o nome comercial de Gelcell e as baterias VRLA (Valve
Regulated Lead Acid – Bateria de chumbo-ácido regulada por válvulas). Tecnicamente os
dois tipos de baterias são iguais [17].
A bateria de chumbo-ácido é caracterizada pelo facto do chumbo ser material ativo em
ambos os elétrodos [11]. O elétrodo negativo (ânodo) é constituído por chumbo (Pb),
enquanto o elétrodo positivo (cátodo) é constituído por óxido de chumbo (IV), de fórmula
. Ambos os elétrodos são imersos numa solução eletrolítica composta por ácido
sulfúrico e água.
Figura 2.8 - Esquemático de uma célula de chumbo-ácido.
Cada célula tem, normalmente, uma tensão nominal de 2.0V. Quando está descarregada,
a tensão pode descer até 1.75V e pode atingir um valor de 2.25V ou 2.40V quando está
13
carregada ao máximo. Estes valores dependem da concentração de ácido sulfúrico no
eletrólito e da temperatura da bateria [9] [11].
Têm a capacidade de fornecer correntes de valor elevado. Podem encontrar-se no
mercado baterias com capacidades desde 0.2Ah até algumas centenas de Ah,
consequentemente apresentam uma relação potência/peso relativamente baixa, onde se pode
encontrar valores de densidades gravimétricas de 25 a 50 Wh/kg. A profundidade de descarga
é baixa, onde o desempenho deste tipo de baterias fica comprometido quando se efetuam
profundidades de descarga superiores a 30% da sua capacidade máxima.
Em termos de vantagens, pode-se afirmar que a comercialização e fabrico deste género
de baterias é de custo relativamente baixo, possuem uma tecnologia madura, confiável e bem
compreendida. A taxa de auto-descarga é normalmente de baixo valor e conseguem ter a
capacidade de obter altas correntes de descarga. Em contra partida, a relação entre a energia e
o volume (tamanho), tal como a energia gravimétrica é muito baixa, tornando estas baterias
inapropriadas para aplicações onde a portabilidade é uma prioridade. O ciclo de vida de uma
bateria de chumbo-ácido é relativamente curto, dependendo das profundidades de descarga e
da temperatura de operação uma bateria de chumbo-ácido comum pode fornecer 200 a 300
ciclos de carga/descarga [2].
As baterias de chumbo-ácido são vulgarmente utilizadas em automóveis, carros
elétricos utilizados nas indústrias (empilhadoras) ou ainda em caso de falha de energia (UPS).
Os equipamentos hospitalares, cadeiras de rodas elétricas e bicicletas elétricas, são mais
alguns exemplos. Sendo assim, aplicações onde o fator custo e a capacidade de fornecer
elevadas correntes são importantes, as baterias de chumbo-ácido são uma possível boa
escolha [9].
Figura 2.9 - Dispositivos que normalmente utilizam baterias de chumbo-ácido [18], [19], [20].
14
Estado da Arte
2.2.2
Níquel-Cádmio
A bateria de níquel-cádmio conhecida como NiCd, ou NiCad, foi criada pelo Sueco
Waldmar Jungner, em 1899. O material para o desenvolvimento das mesmas era dispendioso
em comparação às baterias existentes na altura (baterias de chumbo-ácido), eram, portanto,
utilizadas em aplicações especiais. Em 1932, o material ativo da bateria foi depositado num
elétrodo de níquel puro e, em 1947, deu-se o início a investigações para criar uma bateria de
NiCd selada que recombinasse os gases internos gerados pela bateria em vez de os extrair [2].
Figura 2.10 – Baterias de níquel-cádmio.
Pertencem a uma família de baterias secundárias que se baseiam em eletrólitos aquosos
mas alcalinos compostos por hidróxido de potássio. Esta família é composta, principalmente,
por três tipos de baterias: níquel/cádmio, níquel/hidrogénio e níquel-hidreto metálico [11].
Uma célula de níquel-cádmio é constituída por um elétrodo negativo (ânodo) de uma liga de
cádmio e ferro, e um elétrodo positivo (cátodo) composto por hidróxido (óxido) de níquel. Os
elétrodos são imersos numa solução aquosa de hidróxido de potássio, tal como já foi referido
[9].
Figura 2.11 – Representação da constituição de uma célula de NiCd.
15
A tensão nominal de uma célula situa-se normalmente nos 1.2V. Muitos dispositivos
eletrónicos são projetados para trabalhar com células primárias que possam descarregar a
valores como 0.9 – 1.0 V por célula, a tensão nominal de 1.2V de uma célula NiCd é
suficiente para permitir a operação. Após uma recarga é possível observar valores de 1.4V ou
1.5V, dependendo do historial da célula. Mas ficando a bateria em circuito aberto, esses
valores passam para menos de 1.4V em pouco tempo [11]. Em termos de capacidade podemse encontrar no mercado baterias a rondar os 300mAh até 3000mAh. Em relação às baterias
de chumbo-ácido apresentam uma melhor densidade gravimétrica mas, no entanto, em
comparação com tecnologias mais recentes, as baterias de NiCd possuem valores pobres de
densidade.
Nestas baterias se prestados todos os cuidados são de longa de durabilidade, esperandose cerca de 1000 ciclos a uma profundidade de 80% quando os ciclos de carga/descarga são
efetuados corretamente. O tempo de recarga é, normalmente rápido, mesmo depois de um
período de armazenamento longo. As baterias de níquel-cádmio são ótimas para funcionarem
a baixas temperaturas, e mesmo que estejam ligeiramente sobrecarregadas, mantêm toda a sua
performance. Em contrapartida, este género de baterias possui algumas carências, sendo a
mais notória o chamado efeito de memória, tal como já foi referenciado. Se a bateria for
recarregada diversas vezes sem que esteja descarregada, vai ocorrer a formação de cristais no
interior da bateria, danificando a sua estrutura. O efeito de memória não é a única
desvantagem das NiCd. Estas contêm metais tóxicos que não podem ser libertados no meio
ambiente. Alguns países estão mesmo a limitar o uso de baterias de NiCd. Em comparação
com outras baterias mais recentes as NiCd possuem uma baixa densidade de energia, valores
que rondam os 45 a 80 Wh/Kg [2].
Entre as baterias recarregáveis as NiCd ainda continuam a ser uma escolha confiável,
quando toca a condições de trabalho onde se tem de contar com baixas temperaturas. Nas
telecomunicações, ferramentas de trabalho e aplicações médicas ainda é possível encontrar
este género de baterias [2]. Embora estas baterias não sejam favoráveis por razões ambientais,
as NiCd vão continuar em uso, mesmo que seja a um nível reduzido, continuando a ser uma
escolha entre as baterias secundárias [22].
16
Estado da Arte
2.2.3
Níquel-Hidreto Metálico
Figura 2.12 – Baterias de níquel-hidreto metálico [23] [24].
As NiMH, sigla atribuída a este género de baterias, são bastante similares às baterias
referidas no ponto anterior, as níquel-cádmio. Em relação a estas, substituiu-se o elétrodo
negativo baseado em cádmio, por um elétrodo de hidrogénio absorvente. Esta transformação
permite às baterias de NiMH serem portadoras de uma maior capacidade (para um certo peso
e volume) e permitiu a eliminação do cádmio, prejudicial para o meio ambiente [25]. O
eletrólito é alcalino e, normalmente, composto por hidróxido de potássio. Este é usado em
quantidades mínimas onde a maior parte do líquido é absorvido pelo separador (Poliolefina
Hidrofílica) e os elétrodos [26].
Figura 2.13 – Esquemático de uma célula de NiMH.
Em 1989, surgiram no mercado as primeiras baterias de NiMH, sendo o culminar de
duas décadas de investigação. No entanto, não eram viáveis para o mercado consumidor e
para pequenas aplicações devido ao preço elevado [27]. A pesquisa e desenvolvimento do
elétrodo negativo foram da autoria da empresa Philips, em 1970. Sendo o elétrodo positivo
fruto de desenvolvimento e investigação por parte do Dr. Masahiko Oshitani da GS Yuasa
Company. Estas descobertas proporcionaram o aparecimento destas baterias “amigas do
ambiente” [28].
Tal como nas baterias de níquel-cádmio, a tensão nominal é de cerca de 1.2V, podendo
registar-se valores de tensão entre 0.9V e 1.5V caso a bateria esteja descarregada ou
17
totalmente carregada. A bateria considera-se descarregada quando a tensão atinge,
normalmente, 1V [26]. Estes valores são importantes, pois assim as NiMH vêm substituir as
baterias de NiCd em muitas aplicações. Em termos de temperatura, este tipo de baterias
diferem no seu comportamento relativamente às de níquel-cádmio, já que o hidrogénio pode
contribuir para efeitos de calor [11]. As capacidades disponíveis no mercado variam desde
pilhas de 250 mAh até baterias de mais de 5000 mAh. A capacidade da bateria diminui
visivelmente com o aumento da corrente, em particular para taxas acima de 4C ou
funcionando a temperaturas baixas [26].
Comparado com as baterias de NiCd, a taxa de auto-descarga para estas baterias é mais
elevada. Significando isto que, se uma bateria de NiMH estiver armazenada vai perder carga
mais rapidamente do que se fosse uma de NiCd, dependendo sempre de alguns fatores como,
por exemplo, a temperatura [29]. Quando as baterias de NiMH foram introduzidas no
mercado, uma das suas características principais usadas para promover esta tecnologia, foi o
facto de não possuírem “efeito de memória”. No entanto, isso não era totalmente correto, pois
verificou-se mais tarde que as baterias de NiMH estão sujeitas a este efeito mas em menor
escala do que as antecessoras NiCd. Uma das principais razões para esta diminuição no efeito
de memória, está relacionado com a eliminação do cádmio.
A relação entre a energia acumulada e o peso é de cerca de 60 a 120 Wh/kg, sendo este
fator mais uma vantagem em relação às baterias NiCd. A uma profundidade de descarga de
cerca de 80% é possível obter entre 300 a 500 ciclos de carga/descarga [2]. Devido ao facto
de as células que constituem uma bateria nunca serem exatamente iguais, é importante que
nunca se descarregue na totalidade uma bateria, respeitando a profundidade de descarga. Caso
contrário, as células podem reverter a sua polaridade, passando a bateria a debitar uma tensão
negativa [28].
Num período de 20 anos, as NiMH passaram de uma simples curiosidade de laboratório
para um produto altamente desenvolvido e aplicável em várias situações. Uma capacidade
bem maior em relação às suas concorrentes diretas (as NiCd), uma menor sensibilidade ao
efeito memória, o simples armazenamento e transporte, o facto de não serem prejudiciais ao
meio ambiente, fazem das baterias NiMH uma solução dominante nas baterias recarregáveis.
No entanto, também existem contrapartidas, como por exemplo, o tempo de serviço ser
limitado (menores ciclos de carga/descarga que as NiCd), correntes de descarga limitadas
(apesar de ser possível efetuar descargas com correntes elevadas, é preferível e recomentado
não o fazer pois vai reduzir significativamente o tempo de vida da bateria). O algoritmo e
circuitos dos carregadores destas baterias são, também mais complexos devido ao
18
Estado da Arte
aquecimento destas durante o processo de recarga. Por mais cuidado que se tenha com a
bateria de NiMH, o efeito de memória ainda se faz sentir, o que já não acontece em baterias
recarregáveis mais recentes [2].
As baterias de níquel-hidreto metálico tornaram-se comuns no quotidiano, fornecendo
energia a vários tipos de dispositivos desde telemóveis a carros híbridos/elétricos.
Automóveis que tiveram sucesso como o Toyota Prius e o Honda Civic utilizaram baterias
desta tecnologia. O robô humanoide ASIMO desenvolvido pela Honda também utilizou estas
baterias [29].
Figura 2.14 – (À esquerda) Bateria utilizada no Toyota Prius e (à direita) telemóvel Motorola StarTac
de 1996 incorporava uma bateria de NiMH.
Nos dias de hoje e com o aparecimento de novas tecnologias de baterias, como baterias
à base de lítio, as NiMH começam a perder o seu espaço no âmbito das baterias recarregáveis.
2.2.4
Baterias de Iões de Lítio
Figura 2.15 – Baterias de Iões de Lítio.
As baterias de lítio surgiram, pela primeira vez em 1912, sendo o químico G.N. Lewis o
responsável pela sua invenção. No entanto, apenas foram comercializadas em 1970, devido
aos seus riscos em termos de segurança. O lítio é um metal instável, o que causava alguns
19
problemas, em especial, quando a bateria era carregada. Como tal, a investigação mudou para
baterias de lítio não metálicas à base de iões de lítio, o que reduziu a capacidade da bateria,
mas tornou-a mais segura para o utilizador desde que tomadas algumas precauções na
carga/descarga da bateria [30]. Em 1991, a empresa Sony Corporation, juntamente com a
empresa Japonesa Asahi Kasei Corporation, lançaram no mercado as primeiras baterias deste
género denominadas de “baterias de iões de lítio”, “baterias de Li-ion”, ou “LIB” [31].
Inicialmente, esta tecnologia de baterias não era muito utilizada devido ao custo ser
demasiado elevado. Com o passar dos anos, a sua utilização tornou-se banal devido às suas
qualidades, e o custo tornou-se menor. Hoje em dia, apesar de ainda serem das baterias mais
dispendiosas do mercado, já se encontram a um preço bem mais acessível e têm uma relação
preço/qualidade muito atraente.
Ao longo dos anos, surgiram através de estudos e investigação vários tipos de baterias à
base de iões de lítio, no entanto, apenas uma coisa se manteve em comum: a palavra de ordem
- Lítio [2]. Os formatos físicos encontrados no mercado são, normalmente, cilindros pequenos
(Estrutura sólida. Exemplo encontrado no PC Portátil), cilindros grandes (Estrutura solida),
em forma de bolsa (Estrutura solida, achatada. Exemplo encontrado nos telemóveis) e
prismático (Estrutura semirrígida de plástico. Vulgarmente encontradas em veículos de
tração).
Para o elétrodo negativo originalmente foi utilizado carvão, no entanto, desde 1997
passou-se a utilizar grafite (
) como material constituinte do ânodo. Essa mudança deve-se
ao facto de, por exemplo, o grafite ser capaz de fornecer uma corrente de descarga maior e
manter-se menos quente no processo de carga/descarga das baterias. No elétrodo positivo
pode-se encontrar no mercado baterias com óxido de lítio-cobalto (
de manganês de lítio (
), óxido
). O óxido de lítio-cobalto é utilizado há mais tempo e
consegue obter melhores densidades gravimétricas de energia, mas o manganês de lítio é
considerado mais seguro [2]. Normalmente, o eletrólito consiste numa mistura de carbonatos
orgânicos, como carbonato de etileno (
), carbonato de dietilo, contendo ainda sais de
lítio. O eletrólito neste tipo de baterias utiliza, geralmente, um dos seguintes iões de sais:
hexafluorofosfato de lítio (
perclorato de lítio (
[32].
20
), mono-hidrato de hexafluoroarsenate lítio (
), tetrafluoroborato de litio (
), ou lítio triflato (
),
) [31]
Estado da Arte
Figura 2.16 – Esquemático base com os componentes que podem constituir uma célula de Li-Ion.
Para prevenir curtos circuitos ainda existe nestas baterias um separador entre os dois
elétrodos, que quase sempre, é composto de polipropileno [33] [34].
A diferença de potencial numa célula de iões de lítio depende do material em que são
constituídos os seus elétrodos. Atualmente, é possível encontrar células com tensões num
intervalo de 2.5V a 4.2 V, caso esteja descarregada ou carregada respetivamente. No entanto,
um valor comum encontrado no mercado para uma tensão nominal é de 3.6 V [35] ou 3.7 V.
Para uma bateria de NiCd atingir tais valores de tensão nominal, seriam necessárias colocar
três em série (3*1.2 = 3.6 V). A profundidade de descarga ronda os 80%, considerando que a
bateria de lítio está descarregada quando a tensão se situa entre os 2.8 V e os 3V, dependendo
do material utilizado para o cátodo [35].
O dobro da capacidade para armazenar energia em relação às NiMH (entre 100 a 190
Wh/Kg), um menor peso, efeito de memória nulo, pouca auto-descarga, são as principais
vantagens que tornaram este tipo baterias comuns nos dias de hoje [30]. Podem-se encontrar
estas baterias praticamente em todos os dipositivos que necessitem de mobilidade, exemplos
disso são os indispensáveis computadores portáteis e telemóveis, entre outros dispositivos.
Figura 2.17 – Telemóvel Samsung Galaxy S e respetiva bateria. Uma célula de 3.7V é o suficiente para
alimentar um Smartphone fazendo com que os custos fiquem mais reduzidos.
Apesar de todas as vantagens, as Li-Ion também têm as suas contrapartidas. Uma
descarga total pode danificar a bateria irreversivelmente, por isso, é normal ter de existir um
21
circuito de proteção ligado à bateria para manter a tensão e a corrente nos seus limites. O
preço é superior às baterias de NiCd ou NiMH. O carregamento das Li-Ion tem de ser bem
monitorizado, pois estas baterias são pouco tolerantes a sobrecargas ou sobredescargas [30].
2.2.5
Lítio – Polímero
Figura 2.18 – Célula de 3.7 V de Lítio-Polímero.
Este género de baterias é uma evolução das baterias referidas no ponto anterior, e foram
introduzidas no mercado em 1996 [36]. A constituição química e física das baterias de
polímero de lito, denominadas também por LiPo, Li-Poly, Li-Pol ou LIP, difere das baterias
de iões de lítio convencionais apenas no eletrólito. Nas LiPo o eletrólito é um polímero sólido
e seco de óxido de polietileno e de poliacrilonitrilo [37], capaz de ser um bom condutor iónico
e um ótimo isolador elétrico. Uma das grandes vantagens em se utilizar um eletrólito sólido é
o facto de já não ser necessário envolver a bateria por cápsula rígida, dando a estas baterias
uma flexibilidade que outras baterias recarregáveis não conseguem. De maneira a diminuir a
resistência interna da bateria e aumentar a condutividade iónica, hoje em dia, é adicionado ao
eletrólito um gel que também é um polímero [38].
22
Estado da Arte
Figura 2.19 – Estrutura de uma célula de LiPo [39].
As tensões características de uma célula de LiPo são igual às das baterias de iões de
lítio, ou seja, 3.7 V para a tensa nominal, cerca de 4.2 V para a tensão máxima e 3V para se
considerar a bateria descarregada [40]. É muito importante que a célula termine a descarga
aos 3V, pois caso a tensão atinja valores abaixo dos 2.7V a bateria pode-se danificar
irreversivelmente. Tal razão leva a que no dispositivo eletrónico onde a bateria esteja a ser
utilizada seja necessário existir um circuito de proteção, que impeça de a bateria atinja valores
inferiores a 3V [41].
Para além das excelentes vantagens comuns às Li-Ion como, altas capacidades,
densidades energéticas altas, ciclos de vida prolongados e efeito de memória nulo, este género
de baterias possuem uma característica particular e bastante vantajosa em algumas aplicações,
que é o facto de poderem ser construídas em vários formatos e possuírem uma relação peso
energia ainda mais baixo que as Li-Ion, dando assim, asas à imaginação de projetos que
necessitem ser alimentados eletricamente e que seja importante aproveitar ao máximo o
espaço [40]. Na figura em baixo é possível verificar o quanto mais compacta é uma bateria de
polímeros lítio em relação a uma tradicional bateria de iões de lítio.
Figura 2.20 – Comparação da espessura entre os dois tipos de baterias [36].
23
Apesar de existirem algumas desvantagens como, por exemplo, apresentarem uma
maior taxa de degradação do que as baterias de iões de lítio (cerca de 500 ciclos) [36], perigo
de explosão, caso haja uma sobrecarga no seu carregamento, e o preço ser mais elevado que
as NiMh, são muitas mais as vantagens, tornando este género de baterias a escolha da maioria
dos
fabricantes
de
dipositivos
eletrónicos
hoje
em
dia.
O
mercado
do
modelismo/aeromodelismo é sem dúvida onde estas baterias têm mais utilização, fatores
como peso reduzido e forma física das baterias contribuem em grande parte para esse facto.
Algumas empresas de computadores portáteis também começam a adotar estas baterias,
exemplo da conceituada Apple.
Figura 2.21 – Computador Portátil MacBook Pro da Apple é alimentado por uma bateria LiPo.
Figura 2.22 – Carro elétrico RC e respetiva bateria LiPo.
Na figura 2.27, pode-se observar mais dispositivos eletrónicos onde se encontram
baterias de lítio-polímero, bicicletas elétricas, leitores de MP3, aparelhos de entretenimento,
aramas para a prática de Airsoft.
Figura 2.23 – Aplicações típicas das baterias de lítio-polímero.
24
Estado da Arte
2.2.6
Lítio Fosfato de Ferro
Figura 2.24 – Baterias de Lítio Fosfato de Ferro [42].
No final dos anos 90, estava mais do que provado que as baterias recarregáveis à base
de lítio eram, em quase todos os aspetos, mais vantajosas do que outras tecnologias, no
entanto, continuou a existir uma vasta pesquisa e investigação para se desenvolver baterias
recarregáveis com características melhoradas. As baterias de Lítio Fosfato de ferro,
conhecidas como as
,ou simplesmente, as LFP resultam dessas investigações para
melhorar não só o desempenho mas, principalmente, a segurança e a estabilidade química das
baterias. Em 1997, um grupo de investigadores a cargo de John Goodenough da Universidade
do Texas, conseguiu evoluir a bateria de iões de lítio, alterando o material do cátodo para
Lítio Fosfato de Ferro (
) [43]. Tal alteração, permitiu obter uma bateria recarregável
muito mais segura do que as antecessoras Li-Ion e LiPo, já que o
é um material
quimicamente e termicamente mais estável. Graças às ligações covalentes mais fortes do que
em outros cátodos, as baterias de
são capazes de suportar melhor as sobretensões,
temperaturas altas e curtos circuitos, evitando assim o perigo de incêndio ou explosão [44].
Figura 2.25– Esquemático base da constituição de uma célula de
.
25
A tensão nominal numa célula de LFP é, normalmente, de 3.2 V [44], podendo-se
encontrar baterias com células a 3V nominais, a tensão em que se considera a bateria
carregada situa-se nos 3.6V [35] e aos 2.4V célula está, geralmente, descarregada. A
profundidade de descarga é muito superior em relação a outras baterias, conseguem-se obter
mais de 2000 ciclos de carga e descarga, características que fazem com que estas baterias
tenham uma maior vida útil [44]. Comparando com as baterias de lítio que utilizam
como material para o cátodo, as
apresentam valores de densidade gravimétrica de
energia inferiores (90–120Wh/kg), mas conseguem-se obter valores de correntes de descarga
e recarga muito superiores às baterias comuns de Li-Ion [35]. Aliando a estas características,
o facto de não sofrerem do fenómeno de efeito memória e serem consideradas amigas do
ambiente [44], fazem com que as baterias LFP sejam utlizadas em diversas aplicações.
Figura 2.26 – Veiculo elétrico comercial da “Smith Electric Vehicles”.
Engenheiros e investigadores que desenvolvem veículos elétricos começam, hoje em
dia, a preferir as baterias de
, respondendo assim à preocupação da falta de segurança
característica das outras baterias à base de Lítio [45]. A empresa Norte Americana “Smith
Electric Vehicles”, construtora de veículos comerciais elétricos, utilizam esta tecnologia de
baterias como fonte de energia. Veículos de duas rodas como motociclos, SegWays e
bicicletas elétricas, dispositivos de consumo como computadores portáteis, sistema de
armazenamento de energia para a energia Solar e Eólica, veículos hospitalares, como as
cadeiras de rodas, ferramentas elétricas e muitos mais dispositivos eletrónicos usufruem,
atualmente, das baterias de lítio fosfato de ferro.
26
Estado da Arte
Figura 2.27 – Motociclo Killacycle considerada a mais rápida e poderosa moto elétrica.
A missão OLPC é um dos programas mais ambiciosos no apoio aos países que não tem
possibilidade de fazer chegar às crianças as tecnológicas necessárias para um correto
desenvolvimento educacional. O objetivo principal, passa por proporcionar a cada criança
com um computador portátil robusto, de baixo custo e baixa potência. Esses computadores
portáteis também utilizam as baterias
[46].
Figura 2.28 – Computador Portátil da missão OLPC [46].
Na tabela 2.1 encontra-se uma comparação entre as baterias secundárias. Esta
comparação é baseada no estudo efetuado sobre as baterias recarregáveis descritas em cima.
Na figura 2.33 é inda possível verificar as densidades gravimétricas de energia características
de cada tipo de bateria recarregável.
27
Tabela 2.1 – Comparação entre as diferentes baterias recarregáveis.
1.
2.
Depende sempre do material do cátodo
Depende sempre da profundidade de descarga (DOD)
Figura 2.29 – Densidades gravimétricas de energia típicas nas baterias recarregáveis [88].
28
Estado da Arte
2.3
Carregadores no mercado
O design e características dos carregadores evoluíram consideravelmente com o passar
da década. Novos tipos de baterias, com novas químicas, foram ficando mais maduras e
eficazes. Estes diferentes tipos de baterias e químicas requerem métodos de cargas especiais,
consoante a química da bateria. Estes métodos que não estavam disponíveis em carregadores
de baterias convencionais [6].
Para ser viável a construção do carregador apresentado nesta dissertação, para além das
baterias foi necessário realizar um estudo prévio sobre carregadores. Nos pontos a seguir,
pretende-se apresentar uma série de carregadores que se podem encontrar no mercado.
Começa-se por apresentar três carregadores, em que cada um, apenas carrega uma tecnologia
de baterias. Os restantes, já são mais evoluídos e sofisticados. O carregador universal que se
pretende construir neste projeto, apresenta características semelhantes aos dispositivos
apresentados em baixo. É importante referir que os seis carregadores apresentados são apenas
uma pequeníssima parte dos muitos carregadores já existentes no mercado.
2.3.1 Velleman – VL7168
A VELLEMAN tem sido ao longo de mais de 30 anos, uma grande distribuidora de
produtos eletrónicos para as mais variadas aplicações. Na área das baterias e carregadores,
esta empresa propõe o dispositivo VL7168 (figura 2.34) para carregar baterias à base de
níquel (NiMH e NiCd) [47].
Figura 2.30 – Carregador de baterias NiCd e NiMH [47].
Este carregador é dos mais sofisticados para estes tipos de baterias e pode ser adquirido
por 46€ [48]. É capaz de carregar baterias com tensões de 1.4 V até 14 V, indicando através
de um LED se a carga está completa (Full-charge). Inclui a função de descarregar a bateria,
prevenido assim o chamado “efeito memória”. A corrente de carga é selecionável entre
100mA a 4000mA. Para maior segurança, o VL7168 controla a temperatura da bateria e
29
possui um temporizador. Utiliza um dos métodos mais sofisticados para detetar o fim de carga
denominado de “Delta V Negativo”. O facto de incluir um conetor universal de baterias e
pinças crocodilo, torna este carregador versátil para carregar diferentes formatos de baterias
de NiMH e NiCd [49].
2.3.2
Automatic Turbo – Charger
Os carregadores de baterias de chumbo-ácido são, normalmente, os mais económicos e
comuns, devido à longa existência das baterias de Pb e pelo método de carga simples. O
“Automatic Turbo - Charger” é desenvolvido por uma das empresas mais antigas da área do
modelismo, a alemã Graupner, fundada em 1930, em Estugarda [50].
Figura 2.31 - Carregador de baterias de chumbo-ácido da Graupner.
Este dispositivo apresentado na figura 2.35, é dedicado ao carregamento de baterias de
chumbo-ácido de 2V, 6V e 12V e capacidades de 2 a 20Ah. Caracteriza-se por ser leve e
bastante portátil, possuindo um LED para transmitir a informação de carga completa ou em
processo de carregamento. Está protegido de sobrecargas e curto-circuitos e não requer
qualquer tipo de manutenção. O sistema é capaz de detetar automaticamente a tensão da
bateria e aplica para o carregamento os princípios de tensão constante /corrente constante. O
carregador pode ser ligado à rede AC de 110 a 240V e a corrente de output varia entre 0.2 a 1
A. Pode ser adquirido por 17,50 € [51].
30
Estado da Arte
2.3.3
Li – Charger 4 Plus
Para a família das baterias mais utlizadas hoje em dia, a empresa Graupner lançou para
o mercado o “Li-Charger 4 Plus” (figura 2.36). Capaz de carregar até quatro células à base de
lítio (LiPo, Li-ion ou LifePO4), está disponível por 24,95€ [52].
Figura 2.32 - Carregador para baterias de lítio.
Possui no seu interior um microprocessador RISC, tonando-o bastante eficaz e com
características que, normalmente, só se encontram em carregadores mais dispendiosos. Por
exemplo, se a bateria consiste num conjunto de uma a três células, este carregador é capaz de
contar automaticamente o número de células e autoconfigurar os parâmetros para o correto
carregamento da bateria em causa. Caso a bateria seja de quatro células, o utilizador terá de
definir os parâmetros manualmente [53]. Durante o processo de carga, este sistema calcula
automaticamente a taxa de carga a aplicar na bateria de acordo com as condições atuais do
carregamento e capacidade da bateria. A corrente máxima de carga situa-se nos 3A. O método
de carga é o denominado por “corrente constante/ tensão constante” e através de LEDs
informa o utilizador do estado do processo de carga. Para conectar a fonte de tensão, estão
disponíveis duas pinças crocodilo e existe uma entrada para conectar um balanceador.
2.3.4
Xbase Ultimate
A ANSMANN Racing é uma empresa alemã, que desenvolve e coloca no mercado
produtos relacionados com a prática de modelismo, desde carros a barcos teleguiados, até aos
pequenos acessórios, como: suspensões, rodas, partes eletrónicas ou mecânicas. Como não
poderia deixar de ser, têm uma parte dedicada a baterias e carregadores.
Até ao momento, foram apresentados carregadores que apenas carregam baterias de um
único tipo de química, o carregador “Xbase Ultimate” (figura 2.37), distribuído pela
ANSMANN Racing, permite carregar baterias de LiPo, Li-ion ou LifePO4, bem como,
31
baterias à base de níquel (NiMH e NiCd) e de chumbo-ácido. Tal capacidade permite que este
dispositivo seja considerado um carregador universal e encontra-se no mercado por 89,95€
[54].
Figura 2.33 – Carregador para vários tipos de baterias – Xbase Ultimate.
Caracteriza-se pela facilidade de manuseamento, graças ao seu programa bastante
intuitivo. A navegação é feita por apenas quatro botões e toda a informação relevante ao
processo de carga, como por exemplo a tensão aos terminais da bateria e o tempo decorrido
são apresentados num LCD de alto contraste. A corrente de carga situa-se entre 0.1 A e os 5
A. A alimentação do carregador pode ser feita por AC 230 V ou então por DC 11-15V.
Também é possível efetuar a descarga das baterias com uma corrente entre 0.1 A e 1 A. O
“Xbase Ultimate” é bastante interessante, visto ser um carregador muito completo e com um
preço acessível. Quanto ao número de células, para as baterias da família de lítio, pode
carregar de 1 a 5 células, para as de Níquel carrega de 1 a 15 células, já nas de chumbo-ácido
é capaz de carregar baterias de 2 a 20 V.
2.3.5
EOS 0720i NET3 – AD
O EOS 0720i NET3-AD apresenta características bastante atrativas, tornando-o um dos
carregadores universais mais completo e eficaz existente no mercado. É apresentado e
desenvolvido por mais uma empresa dedicada à prática de modelismo, a Hyperion. Sendo que
se trata dum carregador inteligente, foi cuidadosamente projetado com muitos recursos
internos de segurança, como proteção contra inversão de polaridade e curto-circuitos, aviso de
erro de tensão na entrada, advertências na contagem de células, bem como, entradas para
sensores de temperatura [55].
32
Estado da Arte
Figura 2.34 – Um dos carregadores universais da Hyperion.
A universalidade é praticamente total, carrega ou descarrega até 7 células de LiPo, Liion, LiFePO4 para as baterias de NiCd/NiMH é capaz de carregar/descarregar até 16 células.
As correntes de carga situam-se entre os 0.1A até um máximo de 20A, dependendo da
característica e capacidade da bateria. Para descarregar baterias pode atingir valores de 10 A.
Para um melhor controlo da carga de cada célula possui um balanceador interno,
prolongando, assim, a vida útil das baterias à base de lítio. Com um display é capaz de
transmitir a informação sobre a corrente, tensão e estado do processo de carga ou descarga. Se
for necessária uma análise mais detalhada do processo de carga ou descarga é possível gravar
na memória interna do carregador todo o processo de carregamento da bateria e,
posteriormente, por USB descarregar essa mesma informação. Todo este sistema pode ser
alimentado tanto em DC como em AC, com valores compreendidos entre 10.5V~29V DC e
100V~240V AC. Este versátil carregador de baterias pode ser adquirido por 143€ [56].
2.3.6
XMove 2.0 Station
O xMove 2.0 Station apresenta-se como um carregador de baterias que, na prática, são
quatro carregadores numa mesma caixa, tornando-o um carregador universal muito particular
e interessante. É desenvolvido pela já referida empresa de modelismo ANSMANN, e pode ser
comprado por 149€ [57].
33
Figura 2.35 – Carregador 4 em 1 da ANSMANN.
Os quatro LCDs permitem visualizar informações, tais como: a tensão da bateria,
corrente de carga/descarga, tempo de carga, possíveis erros, etc. Estes dados são transmitidos
ao utilizador em tempo real de forma totalmente independente das quatro baterias a carregar.
Os tipos e quantidades de células que este carregador permite carregar ou descarregar são as
mais comuns do mercado – 1 a 6 células para Li-ion/LiPo/LiFePO4; 1 a 15 para Níquel e para
as baterias de chumbo-ácido são permitidas voltagens de 2 a 20V. Possui um balanceador
interno independente para cada bateria. A corrente de carga varia entre 0.1 A e 5 A, podendo
o utilizador definir a velocidade do carregamento a efetuar. De modo a facilitar a vida do
utilizador, este carregador permite guardar até 5 configurações de processos de carga, assim,
não é necessário inserir sempre os parâmetros de uma mesma bateria.
De forma a recuperar baterias à base de níquel que estejam com problemas de “efeito
memoria”, este sistema possui um modo de Carga/descarga cíclico, efetuando uma carga e
consequente descarga durante 5 vezes, possibilitando assim, a recuperação da bateria.
Também é possível conectar o carregador a um PC e descarregar os dados referentes a um
processo de carga ou descarga para posterior análise. O carregador foi projetado para conectar
a uma fonte de alimentação 12V (por exemplo, uma bateria de carro) ou uma fonte de 220V
AC [58].
34
Fundamentos Teóricos
Capítulo 3 – Fundamentos Teóricos
Neste capítulo, são apresentados os temas teóricos que servem como base para o projeto
apresentado nesta dissertação. São abordados os métodos mais indicados para carregar cada
tipo de bateria, bem como, uma explicação básica do funcionamento de um conversor de
tensão (Step-Down).
3.1
Métodos de carga para baterias
Existem várias metodologias que permitem carregar baterias. Estas variam quanto ao
princípio de funcionamento, à simplicidade de implementação e à sua eficácia. A seleção de
um determinado método de carga deve sempre ter em conta o tipo de bateria em que este será
aplicado. Visto que este projeto é direcionado para o carregamento de diversas tecnologias de
baterias, foi necessário efetuar um estudo sobre métodos de carga, e, consequentemente,
escolher o melhor algoritmo para carregar cada tipo de bateria. De seguida, são apresentadas
algumas sugestões para uma escolha correta de um carregador de baterias [59]:

Utilizar sempre um carregador que aplique o método de carga indicado para a
química da bateria;

A tensão da bateria tem de coincidir com a do carregador;

Dentro do razoável, a taxa C, a aplicar na bateria, pode ser superior ou inferior
ao recomendado pelo fabricante. No entanto, baterias com uma capacidade
maior vão demorar mais tempo a carregar do que baterias com capacidades
menores e vice-versa;

Quanto maior for o valor da corrente a aplicar no carregamento, menor será o
tempo do processo de carga. Ter sempre em conta as características da bateria,
para não aplicar uma corrente superior à suportada por esta;

Uma correta e precisa deteção de fim de carga prolonga a vida útil da bateria;

Quando uma bateria está totalmente saturada, se esta for de chumbo - ácido, o
carregador deve ser capaz de baixar um pouco a tensão na bateria; se se trata
de uma bateria à base de níquel o carregador deve ser capaz de passar a
corrente para um valor muito baixo (Trickle charge); numa bateria de lítio, o
carregador tem de conseguir terminar o carregamento mal a bateria chegue ao
fim de carga, evitando assim sobrecargas;
35

Os carregadores devem ter um sensor de temperatura para monitorizar a
temperatura e atuar em caso de anomalia térmica;

As baterias de chumbo-ácido, normalmente, não aquecem em nenhum
momento do no processo de carga; Baterias à base de níquel, elevam a sua
temperatura gradualmente ao longo do processo de carga e exponencialmente
no final do processo de carga; As tecnologias de lítio não devem aquecer em
nenhum instante do carregamento.
3.1.1
Carregar baterias de Chumbo-Ácido
As baterias de chumbo-acido não são particularmente difíceis de carregar, o maior
desafio passa por não danificar a bateria e sobretudo prolongar a vida da mesma [60]. Em
geral, as baterias de chumbo-ácido devem ser carrgadas a taxas de baixo valor (0.1C, 0.2C ou
0.3C), para que não se produza excesso de gases, sobrecargas e temperaturas altas.
Em baixo, são apresentados quatro métodos possíveis para o carregamento das baterias
deste tipo, sendo uns mais indicados do que outros:
Tensão Constante [60]: Neste método, as células da bateria tendem a igualar a carga
entre elas. No início é aplicada uma tensão que, por sua vez, vai fornecer à bateria uma
corrente de elevado valor, devido à grande diferença de potencial entre a bateria e o
carregador. É muito importante limitar a corrente de carga inicial para evitar danificar a
bateria. É um método pouco dispendioso, pois no fundo apenas é necessário uma fonte de
tensão DC. No entanto, não é o mais indicado para carregar baterias, já que a probabilidade de
ocorrer sobrecorrentes no início é grande, podendo danificar a bateria.
Corrente Constante: Apresenta-se como um método não muito dispendioso, onde é feito
um controlo da corrente na bateria. Este método é útil quando é necessário recuperar baterias
que estiveram armazenadas durante um longo período de tempo sem qualquer recarga
efetuada, no entanto, caso não haja um controlo e limitação da tensão, existe o perigo de haver
uma sobrecarga e consequentes danos na bateria [61]. Portanto, através de uma fonte de
corrente é aplicada à bateria uma corrente constante e mantido esse mesmo valor de corrente
até que a tensão aos terminais da bateria atinja um nível de bateria carregada [62].
Multi-Estágios [63]: As baterias de chumbo - ácido são das baterias secundárias, as que,
normalmente, necessitam de mais tempo para o processo de carga, no entanto, com este
método é possível reduzir a esse tempo cerca de 6 horas das 16 que, no geral, é necessário.
Este método é dos mais eficazes e aconselhados para o carregamento de baterias de chumbo36
Fundamentos Teóricos
ácido. Contrariamente aos métodos descritos em cima, no método Multi-Estágios, existe
primeiramente um controlo sobre a corrente e depois sobre a tensão, permitindo reduzir o
tempo de recarga e a eficácia. Apesar de ser um pouco mais dispendioso que os outros
processos de carga, este método vai trazer compensação a longo prazo, aumentando
consideravelmente a vida útil da bateria de chumbo – ácido [60]. Na figura 2.39, é possível
verificar que todo este modo de carga passa por três fases distintas.
Figura 3.1 – Método Multi-Estágios para baterias de chumbo-ácido [63].
O estágio de carga 1 é semelhante ao método de corrente constante, onde é aplicada
uma corrente máxima permitida pelas características da bateria (10 a 30% da capacidade
nominal [64], onde a bateria carrega cerca de 70%, ou seja, houve um carregamento rápido.
A passagem para o estágio 2 surge naturalmente quando a bateria atinge o valor da
tensão limite de carga (2.4V/Célula). Nesta fase a tensão da bateria é regulada e à medida que
a bateria entra em saturação a corrente de carga vai diminuindo exponencialmente até atingir
3% (0.03C) do valor da corrente nominal, e assim, termina o processo de carga e iniciar-se o
último estado. Durante esta fase 2, existe uma ligeira “sobrecarga de tensão” que é importante
para o bem-estar da bateria. Isto pode-se comparar a um pequeno descanso após um bom
almoço antes de recomeçar o trabalho. Se esta fase de ligeira sobrecarga for ignorada, a
bateria pode perder a capacidade de carregar completamente e futuramente baixar a sua
performance. O estágio 3, tensão flutuante, assegura que a bateria não fica sobrecarregada
com 2.4V/célula. A tensão de flutuação recomendada para a maioria das baterias de chumboácido roda os 2,25/Célula [60]. Ter em conta que nem todos os carregadores respeitam esta
37
fase 3, caso não haja a capacidade de descer o nível da tensão para 2.25V/Célula é importante
nunca deixar a bateria a carregar em sobretensão (2.4V/Célula) por mais de 48h.
3.1.2
Carregar Baterias de Níquel
Tal como nas suas características físicas, também nos algoritmos de carga, as baterias
de NiMH são idênticas às de NiCd, apenas diferem ligeiramente no seu comportamento em
termos de temperatura [65]. Nas baterias de chumbo-ácido e de iões de lítio é possível
controlar as sobrecargas ao fixar a tensão de carga máxima, nas baterias à base Níquel isso
não é possível. A recarga é efetuada injetando corrente constante na bateria passando a tensão
e a temperatura na bateria a subir lentamente. Sendo assim, o método de tensão constante para
o carregamento automático, não é recomendável para este tipo de baterias. A razão principal
depara-se com o fato de estas baterias não absorvem suficientemente bem as sobrecargas, que
por si só provocam um aumento da temperatura nada favorável à preservação destas [66] [67].
Para este género de baterias existem vários métodos para detetar o fim do procedimento de
carga. A escolha da condição do fim de carga vai depender da taxa C, em que a bateria é
carregada. Se carregadas de um modo lento ( <0.5C), existe o perigo de formação de cristais
nos elétrodos (efeito memória), é portanto, preferível recarregar sempre que possível este
género de baterias de um modo rápido (de 0.5C a 1C) [2]. Em baixo estão citados alguns
desses métodos para deteção de final de carga [68]:
Tempo – É o método mais simples para por fim a um ciclo de carga, através de um
temporizador define-se um intervalo de tempo para carregar a bateria. Normalmente, é
utilizado como medida de segurança caso falhem todos os outros métodos de fim de carga.
Pode também ser utlizado como método principal quando a taxa C aplicada é de baixo valor
(0.1C a 0.3C), ou seja, quando se efetua uma carga lenta. Aplicável a todos os tipos de
baterias.
Temperatura – Por temperatura absoluta. Atingindo um determinado valor de
temperatura na bateria, significa que o processo de carga está terminado. No entanto, deve ser
utlizado mais como método de segurança do que método principal de deteção de fim de carga,
pois fatores como a temperatura ambiente tornam este método pouco eficaz.
dT/dt – A derivada da temperatura ao longo do tempo pode ser utilizada como método
de fim de carga quando se utiliza uma carga rápida. A taxas inferiores a 0.3C a temperatura
não se eleva o suficientemente para deteção de fim de carga [2]. Tipicamente, quando a
38
Fundamentos Teóricos
temperatura incrementa de 0.8ºC a 1ºC por minuto, significa que está terminado o processo de
carga.
-∆V (NDV) – Um método mais preciso para deteção de fim de carga pode ser
implementado com a ajuda de um microprocessador que esteja, constantemente, a monitorizar
a tensão na bateria. Uma queda de tensão (por célula) significa que a bateria atingiu a carga
completa. Isto é conhecido como “Delta V Negativo” (NDV). Este método funciona, também,
quando a bateria está parcialmente carregada ou até mesmo totalmente carregada. A tensão
que determina o fim da carga numa bateria à base de níquel é, normalmente, de um valor
muito baixo. Portanto, é importante que o ADC do microprocessador tenha uma resolução
capaz de detetar a tensão NDV. A bateria deve ser carregada acima dos 0.5C, abaixo desse
valor torna-se muito difícil detetar a queda de tenção NDV. Logo, conclui-se que as baterias
de níquel, para além de outros fatores, devem ser carregadas de modo rápido [2] [65].
Uma curva característica de um processo de carga para baterias de níquel é possível
observar na figura em baixo. Aplica-se uma corrente constante com uma taxa elevada para ser
possível detetar a queda de tensão negativa no final do processo de carga. Normalmente, nas
baterias de NiCd a tensão NDV é de menos de 30mV/célula e para as NiMH menos de 16
mV/célula [2].
Figura 3.2 – Método de carga para baterias de Níquel - Delta V Negativo [69].
Após o sistema detetar o fim de carga, normalmente, o carregador passa para um modo
de “Trickle Charge”, ou seja, aplica uma pequena corrente (menos de 0.05C) para compensar
a auto-descarga da bateria e permitir que esta baixe a sua temperatura, deste modo, garante-se
que a bateria está sempre carregada e em condições ótimas quando for retirada do carregador
[2].
39
3.1.3
Carregar baterias de Lí-Ion e LiPo
A metodologia para carregar baterias de iões de lítio e de lítio-polímero é idêntica. À
semelhança das baterias chumbo-ácido, também nas baterias de lítio o método misto de
estados de carga com corrente constante/tensão constante é o mais aconselhado e utlizado nos
carregadores de baterias no mercado. Um carregador de baterias de Li-Ion é um limitador de
tensão, tal como, nas baterias de chumbo-ácido. A diferença reside principalmente numa
maior tensão limite por célula (4.20V em vez de 2.35V), numa tolerância menor na tensão
limite e deixa de haver a necessidade de aplicar uma pequena corrente ou tensão no fim do
processo de carga, ao contrário do que acontece nas das NiMH e nas de chumbo-ácido [2].
Enquanto as baterias SLA conseguem ser flexíveis quanto à tensão de corte e
consequente sobretensão, as baterias de Li-Ion são muito rígidas na definição da tensão limite,
correndo o risco de danificação e no limite, destruição física da bateria caso estas fiquem
sujeitas a sobretensões. A maior parte das baterias à base de iões de lítio têm como tensão
máxima de carga de 4.2V com uma tolerância de ±0.05. A taxa C para carregar estas baterias
é de 0.5C a 1C, no entanto, é sempre importante respeitar as recomendações do fabricante da
bateria. Neste tipo de baterias, a medida da temperatura, serve apenas como medida de
proteção e não para deteção de fim de carga como nas baterias à base de níquel, pois em todo
o processo de carga as baterias de Li-Ion permanecem frias ou mornas [2].
Figura 3.3 – Curvas características no carregamento de baterias de Li-Ion [6].
40
Fundamentos Teóricos
Na figura 3.3, está representado o método misto de corrente constante/tensão constante.
Em primeiro lugar, o carregador deve efetuar uma avaliação do estado em que a bateria se
encontra. Quando a bateria está com uma tensão abaixo dos 2.8V a 3.0V, deve ser carregada a
uma taxa de corrente de 0.1C a 0.2C no máximo. Atingida a tensão de 3V é aplicada uma
corrente constante maior para que a tensão na bateria eleve o seu valor até atingir a tensão
limite de 4.2V. Posto isto, a tensão de 4.2 V é mantida constante à medida que a corrente
diminui a sua intensidade. Considera-se que o carregamento da bateria está terminado quando
a corrente atinge cerca de 7% da sua capacidade nominal (0.07C). Deve ser utilizado um
temporizador como mais uma medida de segurança caso o carregador não detete o final do
processo de carga [6].
3.1.4
Carregar baterias de Lítio fosfato de ferro
O método de carga para as LiFePO4 é idêntico ao das baterias comuns de lítio, no
entanto, um carregador que esteja apenas preparado para carregar baterias de Lítio e LiPo não
pode ser usado para carregar baterias de LiFePO4. A razão é simples, enquanto as baterias
comuns de lítio têm uma tensão limite de 4.2V por célula, nas LiFePO4 essa tensão é,
normalmente de 3.6V [70].
Figura 3.4 – Curvas características no carregamento LiFePO4 [67].
Como se pode verificar na figura 3.4, é conveniente o algoritmo ter uma pré-avaliação
do estado de carga da bateria. De seguida, é aplicada a corrente constante até se atingir a
tensão de 3.6 V/Célula. A condição para terminar o processo de carga é semelhante às baterias
41
de lítio comuns, ou seja, quando a corrente está próxima de 7% a 10% da capacidade nominal
termina-se o carregamento [67].
Para uma correta configuração das taxas C a aplicar nas baterias, convém sempre
verificar os requisitos dos fabricantes das baterias. No entanto, as baterias de LiFePO4 podem
ser carregadas com taxas elevadas (superiores e 1C).
3.2
Conversores de Tensão DC/DC
Em muitas ocasiões, é necessário transformar uma tensão DC noutra com uma
amplitude diferente. Em corrente alternada, o processo de alterar o valor da tensão, é
facilmente realizado por um transformador com a relação entre as suas espiras [71], já em
tensão contínua é necessário recorrer a circuitos que contêm semicondutores (BJT, MOSFET
ou IGBT) para efetuar um controlo por modelação de largura de impulsos (PWM) a uma certa
frequência [72].
Conversores DC-DC são, portanto, sistemas eletrónicos comutados, capazes de
transformar um valor de tensão constante, numa outra tensão também constante, desejada e
controlada. Estes circuitos desempenham um papel importante quando relacionados com o
controlo de motores DC ou fontes de alimentação comutadas, entre outras aplicações [71].
São também muito importantes em dispositivos comuns dos dias de hoje, tal como nos
computadores portáteis ou telemóveis pois estes aparelhos têm cada um por si só, exigências e
características em termos de alimentação para o carregamento das suas baterias. Conversores
DC-DC são, portanto, uma peça essencial para os carregadores de baterias, de modo a ser
possível obter uma tensão ou corrente constante e controlada, para carregar as mesmas.
É possível dividir os conversores DC-DC em duas categorias: os isolados e os não
isolados. Diz-se que o conversor é isolado se utilizar um elemento capaz de isolar
eletricamente a entrada da saída (exemplo: um transformador de alta frequência). Existem
várias topologias para exte género de conversores, sendo que as aplicações que exigem
isolamento elétrico utilizam, normalmente, uma das seguintes configurações: forward,
flyback, push-pull, half-bridge ou full-bridge. Os conversores ditos não isolados, não contêm
nenhum elemento que isole a entrada da saída. São largamente mais utilizados que os
conversores isolados e a sua configuração é mais simples, contendo, normalmente, um semicondutor, uma indutância, um díodo e um condensador [67]. Nesta dissertação será explicado
o funcionamento básico de um conversor não isolado Step-Down (Buck), já que este projeto
exige um conversor desta topologia. No entanto, existem outras configurações de conversores
42
Fundamentos Teóricos
não isolados como: Step-Up (Boost), Step-down/Step-Up (Buck-Boost), Cuk e um FullBridge. Refere-se ainda que, normalmente, nos manuais especializados para a explicação do
funcionamento básico dos conversores DC-DC são utlizados os conversores não isolados, já
que os conversores isolados são apenas uma modificação adicional aos não-isolados [73]. Na
figura em baixo é possível observar a alteração de um conversor não-isolado Buck-Boost num
conversor isolado Flyback.
Figura 3.5 – Transformação de um Buck-Boost num Flyback [74].
3.2.1
Controlo por modulação de largura de impulso - “PWM”
Num conversor DC/DC, a tensão média na saída é ajustada controlando o tempo que o
semicondutor fica ligado ou desligado (ton e toff). A figura 3.6 ilustra este conceito de
comutação no semicondutor para controlar a tensão na saída do conversor. Como pode ser
notado na figura 3.6 b), a tensão média de saída (Vo) depende do tempo a ON (ton) e do
tempo a OFF (off). Um dos métodos mais utilizados para o controlar a tensão de saída (Vo)
ajusta o tempo de duração que o semicondutor fica a ligado (ON), implicando uma comutação
a uma frequência fixa, ou seja, um período igualmente constate (Ts=ton+toff). Neste método
de controlo, denominado de PWM (Pulse-Width Modulation) ou modelação por largura de
impulso, o semicondutor é, portanto, constantemente ligado e desligado numa relação D
(duty-cycle) entre o tempo a ON e o período de comutação (Ts) [73]. A razão duty-cycle pode
ser representada na seguinte equação:
Eq. 3-1
43
Figura 3.6 – a) Representação básica de um conversor DC/DC; b) Tensão média de saída (Vo) [73].
Na figura em baixo está representado o diagrama de blocos de um controlo por PWM.
Figura 3.7 – Diagrama de blocos PWM [73].
Como se pode verificar, o amplificador através da diferença entre a tensão atual à saída
e a tensão de referência desejada gera um sinal de erro (Vcontrol). Este mesmo sinal é
utilizado no bloco seguinte (comparador) para ser comparado com uma onda repetitiva do
tipo dente de serra (Vst – Sawtooth voltage). O que resulta do bloco “comparador” é uma
onda de com uma frequência fixa e um período igual a Ts. É possível verificar a comparação
entre Vcontrol e Vst, na imagem em baixo [73].
Figura 3.8 – Comparação dos sinais para o controlo PWM [73].
44
Fundamentos Teóricos
Conclui-se da imagem tal, que quando o sinal Vcontrol é maior que o sinal Vst o
semicondutor está ligado (ON), caso contrário, fica desligado (OFF). Conclui-se, ainda, que o
semicondutor fica mais tempo ligado quando o valor atual da saída (Vo atual) está mais
afastado do valor de tensão desejado (Vo desejado), ou seja, quando o erro é maior.
3.2.2
Conversor de tensão Step-Down (Buck)
Como já foi referido nesta dissertação, existe o interesse de ser estudado o conversor
DC/DC step-down (ou Buck), a razão deve-se ao facto da tensão de entrada do carregador
(24V) ser superior às tensões das baterias a ser carregadas por este sistema. Logo, tal como o
nome indica, o conversor step-down tem como objetivo converter a tensão de entrada (Vin)
numa tensão média igualmente continua mas de valor inferior (Vo). O circuito básico de um
step-down está representado na figural em baixo. Assumindo que a tensão de entrada (Vin) é
constante, a tensão média de saída (Vo) pode ser calculada através da relação Duty-Cycle:
[73].
∫
(∫
Variando o duty-cycle (
∫
)
Eq. 3-2
) é possível controlar o valor médio da tensão na saída
do step-down (Vo). O condensador colocado em paralelo com a saída, tem como efeito ser
um filtro passa baixo, acentuando assim o ripple na saída. Pode-se considerar na maioria dos
casos que a tensão instantânea na saída é muito próxima da tensão média
[73].
Figura 3.9 – Circuito esquemático de um Step-Down.
O funcionamento deste género de conversores DC/DC pode ser dividido em dois
estados [71]:
45

Estado a ON: Ocorre quando semicondutor (por exemplo um MOSFET) é ligado e
conduz durante o tempo
. A corrente de entrada começa a crescer e passa a fluir
através da bobina L, do filtro capacitivo C e da carga, que neste caso é uma resistência
R.
Figura 3.10 – Estado a ON num Step-Down.
Tensão na bobina em ON:
Eq. 3-3

Estado a OFF: Este modo inicia-se quando se desliga o MOSFET, e inicia-se o tempo
. O díodo fica diretamente polarizado e começa a conduzir devido à energia
armazenada na indutância, continuando assim, a fluir corrente pela bobina e pela
carga. Entretanto, o valor da corrente na bobina, começa a diminuir até que o
semicondutor comece a conduzir novamente, voltando-se para o estado ON.
Figura 3.11 – Estado a OFF num Step-Down.
Tensão na bobina em OFF:
Eq. 3-4
A correta análise destes circuitos é efetuada de duas formas: em modo de condução
contínua ou em modo de condução descontínua, havendo ainda um modo intermédio. O
primeiro caso ocorre quando a corrente a fluir na bobina nunca, e em qualquer momento, se
46
Fundamentos Teóricos
anula (figura 12 a)). Já no modo de condução descontínua, a corrente da bobina chega a ter o
valor de zero amperes até que novo ciclo se inicie (Figura 12 b)). O modo de condução
intermedio, aos já mencionados, ocorre quando a corrente se anula exatamente no momento
em que se inicia o novo ciclo, ou seja, em t=Ts (figural 12 c)) [73] [67].
Figura 3.12 – a) Modo condução contínua; b) Modo condução descontínua; c) Modo condução intermédio.
Os conversores step-down são largamente utilizados em diversas aplicações e garantem,
quase sempre, uma eficiência superior a 90% [71]. Estes podem ser encontrados no mercado
em circuitos integrados bastante compactos. Entre outras funcionalidades, estes IC´s,
normalmente, e a partir de uma tensão referência aplicada a um pino (tensão de feedback) é
possível garantir uma tensão constante e estabilizada na saída, bem como, limitar a corrente
para a carga. Um exemplo desses integrados step-down, é o LTC3741, que como será
explicado mais à frente, foi o componente escolhido para o protótipo a desenvolver nesta
dissertação.
47
Capítulo 4 – Desenvolvimento Prático
É agora apresentado neste capítulo 4, todo o trabalho prático realizado ao longo desta
dissertação, onde se começa por apresentar as características do carregador de baterias a
desenvolver, bem como, o seu hardware e respetivos testes. Por fim, são apresentados alguns
fluxogramas que permitem, futuramente, desenvolver o software para todo o sistema de
carregamento de baterias secundárias.
4.1
Sistema de Carregamento – Características e Funcionalidades
O sistema para carregamento de baterias proposto nesta dissertação tem como principal
característica ser versátil, tanto em termos de gamas de tensão como em gamas de corrente,
permitindo assim, que seja possível carregar baterias com diferentes números de células a
diferentes taxas de corrente, consoante as características das mesmas. O protótipo abrange as
tecnologias de baterias mais comuns do mercado: Chumbo-ácido, Níquel-cádmio, NíquelHidreto Metálico, Iões de lítio, Lítio-Polímero e as mais recentes Lítio Fosfato de Ferro. O
sistema está dimensionado para conseguir debitar 10A na saída, ficando ao critério do
utilizador a escolha da taxa C (corrente a fornecer) para o processo de carga da bateria. O
display de alto contraste permite ao utilizador monitorizar dados como a corrente e a tensão
na bateria, bem como, o tempo decorrido no processo de carga. Caso ocorram anomalias e a
bateria comece a sobreaquecer, o carregador está equipado com um sensor de temperatura,
desligando todo o sistema caso se atinja uma temperatura limite. Proteções contra curtoscircuitos, sobrecorrentes e sobretensões estão também asseguradas.
Balanceadores de células de baterias
Quando uma bateria é composta por duas ou mais células, a probabilidade da tensão
limite de carga ser alcançada ao mesmo tempo é reduzida, isto vai fazer com que algumas
células fiquem carregadas primeiro do que outras. Considera-se que uma bateria está
balanceada quando todas as células atingem a tensão limite de carga. Por muito ou pouco
tempo que demore a ocorrer o balanceamento de tensão, há sempre o risco de as células que
ficam em sobrecarga se danificarem [75].
48
Balanceadores são dispositivos auxiliares ao carregamento de baterias, que têm por
função gerir a carga de cada célula. Apesar de ser possível efetuar uma recarga numa bateria
sem um balanceador, utilizar estes dispositivos prolonga a vida útil da mesma, pois as células
são carregadas de forma igual [67]. Uma forma simples para o balanceamento é colocar
semicondutores em paralelo com as células, e quando o circuito detetada um desequilíbrio
entre a carga das células, os semicondutores referentes às células desequilibradas são fechados
[67].
Figura 4.1 – Esquema exemplo de um circuito balanceador de 4 células [67].
Apesar de alguns carregadores universais incluírem internamente uma gestão de carga
para balancear as células, normalmente, estes dispositivos são auxiliares e ficam ao critério do
utilizador da bateria a recarregar, tal razão, levou a que se tenha decidido não incorporar um
balanceador para este projeto.
4.2
Hardware – Protótipo
De uma maneia simples, a figura 4.2, mostra um diagrama do protótipo para o sistema
de carregamento de baterias. Um dos critérios de escolha para os componentes teve por base o
conhecimento prévio de alguns destes, como por exemplo, o microcontrolador e o sensor de
temperatura, o que à partida garantia alguma fiabilidade.
49
Figura 4.2 - Diagrama geral do sistema
4.2.1
Bateria para o andarilho
A escolha da bateria dependia, principalmente, dos motores que integram o andarilho
eletrónico. Segundo as informações concedidas pela responsável do projeto do andarilho,
cada um dos dois motores eram alimentados a 12V, consumiam em média cerca de 2A, e a
corrente de arranque nunca ultrapassou os 13A. Uma bateria leve, o quanto possível, com
custo aceitável e com autonomia para mais de 6 horas, foram alguns dos requisitos impostos
pelo projeto do andarilho. Perante estes dados, efetuou-se uma estimativa para a escolha da
capacidade da bateria:
Eq. 4-1
Tal como explicado anteriormente, ter uma bateria de 12Ah significaria que se esta
fosse descarregada a 12A, a autonomia seria de 1 hora. No entanto, a estimativa para a
descarga é de 2A (Taxa C = 0.167 C) por motor DC. Visto que o andarilho está equipado com
dois motores DC de 12V, o consumo é de 4A, sendo teoricamente necessário uma bateria de
cerca de 24Ah.
Baseado no estudo sobre baterias, decidiu-se procurar no mercado uma bateria de
chumbo-ácido e uma bateria de lítio fosfato de ferro. Encontraram-se duas baterias com uma
capacidade de 20Ah. Considerando que numa utilização normal do andarilho os 4A de
consumo dos motores não vão ser contínuos, ou seja, por momentos o utilizador aciona os
50
motores, umas vezes está parado e outras os motores consomem menos ou mais. Sendo assim,
os 20Ah serão para uma autonomia superior a 6 horas.
Tabela 4.1 - Comparação entre as duas baterias escolhidas [89] [90].
Com base no que consta no datasheet das baterias foi possível criar a tabela 4.1, onde é
feita uma comparação entre as duas baterias. O preço da bateria de chumbo-ácido (65,80 €) é
como esperado, inferior ao da bateria LiFePO4 (86.88€) [76] [77]. No entanto, a escolha
recaiu sobre a bateria de lítio-fosfato de ferro pelas seguintes razões:

Tempo útil de vida muito mais longo (Ciclos até cerca de 1500);

Metade do peso em ralação à de Chumbo-Ácido;

O processo de carga tem de ser mais cuidado do que a de Chumbo mas é mais
rápido;

A bateria de chumbo-ácido se não for usada, auto descarrega-se muito mais
rápido que a de LiFePO4;

No entanto, a abateria de LiFePO4 carece de um circuito de proteção para que
a tensão aos seus terminais não desça abaixo dos 11V, caso contrário, existe o
risco de a bateria se danificar irreversivelmente;

Igualmente no processo de carga, caso se ultrapasse os 15V ou 16V aos
terminais da bateria de LiFePO4, esta danifica-se, mas um correto algoritmo de
carga impede que isso aconteça;
51
Figura 4.3 – À esquerda a bateria de chumbo-ácido e à direita a bateria escolhida de lítio fosfato de ferro
4.2.2
Fonte de alimentação
Um dos princípios básicos para o funcionamento de um carregador de baterias universal
depara-se com a conversão da tensão constante, neste caso de um Step-Down. Para tal, foi
necessário encontrar uma fonte de alimentação que permitisse conectar o sistema à rede
elétrica nacional (230 Vac ~ 50Hz) e retificasse para uma tensão de 24V DC.
Para efetuar uma recarga na bateria selecionada para o andarilho, decidiu-se que uma
alimentação de 24Vdc seriam suficientes para o carregador universal a desenvolver, visto que,
a tensão máxima de carga da bateria são 15V, ficando uma margem de tensão considerável
para recarregar outras baterias. Um outro fator fundamental para recarregar a bateria
escolhida, depara-se com o valor da corrente de carga máxima aproximar-se dos 10A, ou seja,
segundo o fabricante da bateria LiFePO4 selecionada a taxa C aconselhada para o processo de
carga é de menos de 0.5C, ou seja, menos de 10A (Taxa C = 0.5×20Ah). Tal requisito trouxe
algumas dificuldades na escolha da fonte de alimentação, pois 10A é um valor considerável
nas fontes de tensão comuns existentes no mercado.
Figura 4.4 – Fonte de alimentação SP – 240-24
52
Conciliando desempenho e custo, a fonte de alimentação selecionada foi a SP – 240-24
da empresa Mean Well. Uma tensão de saída de 24V e corrente de saída de 10A, proteções
contra curtos circuitos, sobretensões, sobrecorrentes, sobreaquecimento e um custo
relativamente baixo fazem com que esta fonte de tensão seja a mais indicada para este projeto.
Figura 4.5 – Tensão de saída da fonte de alimentação (imagem retirada dum osciloscópio)
4.2.3
Conversor Step-Down – LT3741
Desde o início da construção deste protótipo foi sempre considerado que, para ser
possível carregar uma bateria, seria necessário aplicar uma tensão constante aos terminais da
mesma, bem como, fornecer uma corrente DC indicada para a bateria. Visto que um dos
objetivos principais deste projeto seria tornar este sistema útil para recarregar baterias com
diferentes tensões nominais, o primeiro critério para a escolha do integrado step-down seria
este ser capaz de fornecer uma tensão e corrente ajustável e controlada. A escolha recaiu
sobre um IC da empresa Linear Technology, o LT3741, que se salientou em relação a outros
conversores ajustáveis, principalmente por ser de alta potência e ser capaz de debitar até 20A
na saída (com MOSFETs externos). A tensão de entrada (Vin) é de 6V a 36V para uma saída
ajustável até (Vin – 2V), são, portanto, gamas de tensão convenientes para o projeto. O facto
de o IC conter no seu interior os drivers para o controlo dos MOSFETs, também teve o seu
peso na escolha deste componente. A Linear Technology afirma que a eficiência é superior a
94%, e que as aplicações para este IC passam por carregar supercondensadores, aplicações
onde é extremamente necessário proteções contra curto-circuitos ou limitar correntes e
aplicações, onde é necessário uma corrente constante ou uma tensão constante [78].
53
Figura 4.6 – Configuração dos pinos do LT3741 e respetiva imagem do encapsulamento [78]
Um dos receios da escolha deste integrado, que acabou por ser tornar um desafio
interessante, deveu-se à falta de experiência em soldar componentes SMD deste género. O
LT3741 possui um encapsulamento SMD 20-TSSOP, ou seja, o teste deste IC não poderia ser
efetuado numa breadboard ou veroboard, pela dificuldade em soldar, bem como, inerente ao
facto de se estar a lidar com elevadas correntes (10A) comutadas a frequências elevadas (300
kHz), ficando o sistema suscetível a ruídos. Foi, portanto, necessário projetar um circuito para
uma placa em PCB, com todos os componentes auxiliares ao LT3741, para se iniciarem os
testes de comportamento deste integrado. Outro ponto interessante, deve-se ao facto do
encapsulamento do LT3741 conter na sua base um pino extra (exposed pad), que é
manualmente inacessível e deve ser soldado ao GND da placa, a fim de dissipar o calor
gerado no IC. Para desenhar a placa em PCB com o integrado LT3741, foi utilizado o
software “Eeagle - Versão 6.1.0”. Visto que, existiam três componentes em SMD (LT3741,
Bobina e a Resistência RS) e os restantes eram de encapsulamento axial (Axial Leaded),
projetou-se a PCB com duas faces. Do lado de cima, colocaram-se os componentes de
encapsulamento axial, do lado de baixo, ficaram desenhadas as pistas, tal como os
componentes SMD.
54
Figura 4.7 – Desenho da placa de testes Step-Down (LT3741) – Software Eeagle
Para que a corrente a aplicar à carga percorresse sempre o menor caminho possível,
tentou-se sempre desenhar as pistas para que a malha fechada ficasse com a menor área
possível. Para tal, foi necessário inserir um plano de massa que cobrisse a placa, tanto por
cima, como por baixo, eliminando assim, também possíveis ruídos. Nas figuras 4.9 e 4.10,
está representado um excerto do esquema da placa PCB Step-Down, onde é possível observar
o percurso da corrente de saída.
55
Figura 4.8 – Desenho da placa de testes Step-Down (LT3741) com planos de massa – Software Eeagle
.
Figura 4.9 – Percurso da corrente a ON
56
Figura 4.10 – Percurso da corrente a OFF
Regulação da tensão à saída do Step-down
O controlo da tensão de saída do Step-Down é efetuado através de um divisor resistivo
conectado entre a saída e o pino 10 - FB (feedback) do LT3741 (Figura 4.11). A tensão
referência no pino FB é de 1.21V, ou seja, para que o valor da tensão desejada à saída (Vout)
seja atingido é necessário obter 1.21 V no pino FB. A equação 4.2, determina o valor da
tensão na saída em função das resistências que definem o divisor resistivo [78].
Figura 4.11 – Configuração da tensão de saída no LT3741
Eq. 4-2
A proteção para sobretensões à saída é assegurada pelo próprio LT3741. Se por algum
motivo a tensão à saída se exceder de modo a que no pino FB se atinjam 1.5 V (125% da
57
tensão de referência), então o próprio sistema desliga a comutação dos semicondutores por 13
µs, obrigando a corrente de saída a baixar o seu valor [78].
Como exemplo, imagine-se que se deseja à saída do step-down uma tensão igual a 12V.
Para tal, define-se um valor para as resistências (por exemplo R2=6.8 kΩ) e utilizado a
expressão 4.2, do divisor resistivo obtém-se R1=763Ω.
Adaptação do divisor resistivo para o carregador universal
O método que o step-down LT3741 utiliza para regular a tensão de saída está pensado
para as aplicações em que apenas se deseja um valor de Vout fixo. Para o protótipo desta
dissertação, a tenção à saída varia consoante a bateria a carregar. Se se pensar que, para
configurar um valor Vout no LT3741 é necessário definir uma das resistências do divisor
resistivo, torna-se evidente que não seria nada prático estar sempre a alterar fisicamente as
resistências do circuito. A solução passa por utilizar um potenciómetro (Rp) digital no lugar
da resistência R1, tornando, assim, o sistema versátil nas tensões de saída. Quando o
utilizador transmite ao sistema o valor da tensão nominal da bateria, o microprocessador
ajusta o potenciómetro digital para a posição ideal. O circuito para a regulação da tensão a
partir do pino FB no carregador de baterias universal passa a ser o da figura em baixo:
Figura 4.12 – Configuração da tensão de saída adaptada para o carregador universal
58
Tendo em conta a expressão 4.2, é apresentada em baixo a equação que permite calcular
a tensão aplicada aos terminais da bateria (Vout):
Eq. 4-3
A configuração da figura 4.12, tem por principal objetivo regular a tensão Vout, no
entanto, como medida de segurança adicional, decidiu-se colocar três díodos em paralelo com
o pino FB, com o fim de prevenir possíveis picos de tensão tanto no próprio pino FB, como
no potenciómetro digital, evitando que se danifiquem. Segundo os dados do fabricante, a
tensão máxima para o pino FB é de 3V, ao utilizar os três díodos garante-se que entre o pino
FB e a massa nunca se atinjam mais de 2.1V (3×0.7V). A função da resistência R2 que está
em série com o potenciómetro digital, tem a finalidade de evitar que a tensão à saída possa vir
atingir valores elevados, caso o potenciómetro fique próximo de zero ohms. O
dimensionamento de R1 e R2 é explicado na secção 5.2, inerente ao facto de estar diretamente
relacionado com os valores máximos e mínimos do potenciómetro.
Configurar a corrente de saída máxima
A corrente máxima de saída é definida pela tensão aplicada ao pino CTRL1, podendo
ser calculada pela seguinte expressão:
Eq. 4-4
A resistência RS, está colocada entre os pinos SENSE+ e SENSE-, que tem por função
devolver um feedback ao integrado sobre a corrente que está a passar à saída. Tal como
demonstra o gráfico da figura 4.13, a gama de tensões referência que a resistência devolve ao
circuito interno é de 0mV a 51mV, o que corresponde a uma gama de tensões internas,
VCTRL (pino negativo do comparador interno ao chip, o CRTL buffer) de 0V a 1.5V (Em
Anexo A: ver o diagrama de blocos interno do IC LTC3741) [78].
59
Figura 4.13 – Tensão de RS vs tensão referência VCTRL
Utilizando a tabela em baixo, determina-se a resistência Rs. Visto que, a corrente
máxima definida para este projeto é de 10 A, a resistência correspondente é de 5mΩ.
Tabela 4.2 – Valores para a resistência RS [78]
A tensão VCTR1 pode agora ser calculada através da expressão 4.4.
Eq. 4-5
O LT3741 fornece 2V contínuos a partir do pino VREF, utilizados para o divisor de
tensão (Em Anexos: ver o diagrama de blocos interno do IC LTC3741), que define o valor de
VCTRL1. O pino VREF é capaz de fornecer uma corrente máxima de 500µA. As resistências
R1 e R2 são de precisão e têm os seguintes valores: R1=7.5k e R2=2.5k. Para o cálculo
destas, utilizou-se apenas 200uA, pelo facto de ser necessário mais 200uA para uma outra
configuração do sistema.
60
Figura 4.14 – Configuração para o controlo da corrente máxima à saída do Buck
Como exemplo, quando a intensidade da corrente à saída for de 10A, a tensão de
referência de RS vai ser de 50mV, o que se vai traduzir em 1.5 V para VCTRL, que por sua
vez, vai ser comparado com VCTRL1.
Ter em conta que o step-down LT3741 tem apenas a função de definir a corrente
máxima. O controlo da corrente que vai para a bateria, é efetuado sempre a partir do
microprocessador, através do algoritmo de “corrente constante”.
Seleção da frequência de comutação, da indutância e dos MOSFETs
A frequência de comutação é programável a partir do pino RT numa gama de 200kHz
até 1MHz. Para este projeto foi selecionada a frequência de 300kHz. Escolheu-se uma
frequência de gama mais baixa para evitar um aumento de temperatura nos componentes do
sistema (MOSFET´s e bobina), mas em consequência, o ripple na corrente de saída poderá ser
mais acentuado, o que para carregar uma bateria não se torna um problema.
Este tipo de integrados Step-Down utiliza dois MOSFETs: O High Side e o Low Side
MOSFET. O primeiro é o elemento comutador típico necessário em qualquer circuito
conversor de tensão. O segundo, emula um díodo, também típico num step-down que, como
já foi explicado no capítulo 3, apenas conduz quando o estado do circuito está a OFF. Ao
utilizar um MOSFET em vez de um simples díodo, deixa de existir uma queda de 0,7V,
trazendo uma maior eficácia ao sistema. A este tipo de conversores que utilizam um
MOSFET em vez de um díodo dá-se o nome de conversor síncrono (figura 4.15) [79].
61
Figura 4.15 – Configuração de um Conversor Buck Síncrono
Desprezando as perdas de comutação de ambos os semicondutores é possível verificar a
vantagem em utilizar um MOSFET em vez de um díodo, pela comparação das equações das
perdas dos componentes:
Eq. 4-6
Onde:



é a queda típica de 0.7V
I é a corrente para a carga
é a resistência no MOSFET
Eq. 4-7
Igualando as perdas nos dois componentes para a corrente de carga máxima (10 A),
verifica-se que a resistência no MOSFET seria de 70 mΩ. Como, normalmente, são usados
MOSFETs com resistências
menores do que 10 m , fica claro que, ao utilizar um
MOSFET em vez de um díodo consegue-se reduzir as perdas.
Para a seleção dos MOSFETs, tomou-se em conta os requisitos que se encontram no
datasheet do LT3741. Para um correto funcionamento, a tensão máxima de threhold da gate
(VGS(th)) deve ser inferior a 2V, a tensão máxima VDS deverá ser maior que a tensão de
entrada (24V), bem como, a tensão máxima VGS recomenda-se ser maior do que 7V. A
corrente que atravessa o MOSFET tem de ser maior que a corrente máxima para este projeto,
ou seja, >10A. Recomenda-se ainda que a resistência entre a drain e a source seja inferior a
6.3mΩ. Feita uma pesquisa no mercado, selecionou-se um MOSFET Canal Tipo-N da
62
empresa Infineon, cujo encapsulamento é do tipo TO 220 e a sua referência é a IPP037N06L3
G. As principais características deste componente estão descritas na tabela em baixo.
Tabela 4.3 – Sumário das características do MOSFET [80]
Figura 4.16 – Esquemático do MOSFET do tipo N selecionado para o projeto [80]
Segundo o datasheet do LT3741 utilizando a equação 4.8, o ripple na corrente de saída
será no máximo de 15%.
Eq. 4-8
Para o cálculo da indutância, implementou-se a equação 4.8 numa folha de cálculo
(Excel). Foram-se variando os valores de Vout, e para a corrente de saída ( ) colocou-se um
valor de 1.5A, resultando a tabela 4.4. Apontou-se para o meio da tabela onde se exigia um L
maior, ou seja, para os 12V que daria uma bobina de 44µH. Para não se escolher uma bobina
63
exagerada, limitou-se o L a 47µH. Posto isto, continua a existir o perigo de o Buck entrar em
modo de condução descontínua quando a corrente a passar na carga é muito baixa (15% de
1.5 A = 200mA), no entanto, o condensador na saída garante a corrente necessária à carga.
Tabela 4.4 – Valores Possíveis para L
Seleção dos Condensadores de entrada e de saída
Segundo recomendações presentes no datasheet, tanto o condensador colocado na
entrada como o colocado na saída, devem possuir um baixo ESR (resistência em série
equivalente). Decidiu-se utilizar um condensador eletrolítico de 220 µF com um ESR de
0.067Ω de 35V, tanto na entrada como para a saída.
O condensador CBOOT e o pino Vcc_int
O condensador conectado ao pino CBOOT fornece uma tensão flutuante de 5V para o
driver do MOSFET de cima (o comutador principal), ou seja, este condensador vai estar
sempre a carregar e a descarregar, consoante o MOSFET estiver ON ou OFF. Como
recomendação do datasheet do LT3741, colocou-se um condensador de 220nF. Por sua vez o
pino Vcc_int fornece 5 V constantes para carregar o condensador CBOOT. Para o
64
condensador ligado ao pino Vcc_int, é recomendação utilizar 0.5 µF/nC da total gate charge
do MOSFET (79nC), portanto, utilizou-se: C4=47µF.
Figura 4.17 – Circuito esquemático da placa de testes Step-Down (Eagle CAD)
4.2.4
Potenciómetro digital
Num potenciómetro analógico, o ajuste da posição é feito manualmente, sendo possível
obter infinitos valores de resistências entre o cursor e uma das extremidades. Já num
potenciómetro digital, para se ajustar uma posição desejada é necessário inserir um valor
binário num registo interno, possibilitando obter uma quantidade fixa e pré-definida de
valores resistivos [81]. Normalmente, estes dispositivos são utlizados ou como potenciómetro
ou como reóstato. Na primeira configuração, os três terminais estão livres e podem ser
utilizados como um divisor de tensão. Para se obter uma configuração em reóstato basta ligar
o pino do meio a uma das extremidades do dispositivo, obtendo-se, assim, uma resistência
variável (Ver Figura 4.18). Para o carregador a desenvolver nesta dissertação é conveniente
utilizar a configuração como reóstato [81].
65
Figura 4.18 – Em a) configuração como potenciómetro. Em b) como reóstato [81].
Como foi explicado na configuração do step-down, a utilização do potenciómetro como
resistência variável, possibilita que se altere dinamicamente a tensão à saída do carregador
universal. Um dos requisitos mais importantes na escolha do componente deparava-se com a
resolução (número de posições). Um largo número de posições internas no potenciómetro
aumentaria a quantidade de valores de tensão na saída do carregador. Também era importante
que a alimentação fosse de 5V, para estar compatível com a alimentação do resto dos
componentes do sistema (microprocessador, sensor de corrente, sensor de temperatura). Posto
isto, selecionou-se um potenciómetro digital de 10 kΩ da empresa Analog Devices, de
referência AD5231. Dentro das muitas características que compõem este dispositivo,
encontram-se as que interessam a estre projeto: 1024 posições de resolução, 3V a 5V para
alimentação, protocolo de comunicação SPI e funcionamento como reóstato [82].
Figura 4.19 – Configuração dos pinos do potenciómetro digital [82]
Uma das contrapartidas da escolha do AD5231 está relacionada com o seu
encapsulamento (SMD 16-TSSOP), tendo sido necessário conceber uma PCB para realização
de testes e aprendizagem.
66
Figura 4.20 – Vista do lado de cima e lado de baixo da PCB de testes para o Potenciómetro Digital
4.2.5
Sensor de corrente
Para correntes DC, que é o caso das correntes que vai passar pela bateria a carregar, é
possível efetuar a sua mediação utlizado uma resistência de precisão de um valor muito baixo.
Pela lei de Ohm, a resistência ao ser atravessada pela corrente produz uma diferença de
potencial proporcional à mesma corrente. Apesar de este método ser simples, decidiu-se não o
utilizar pelo facto de ser necessário um amplificador para dar a informação ao
microcontrolador da corrente a passar na carga.
Decidiu-se utilizar um sensor de efeito de Hall para medir a corrente. O princípio básico
destes dispositivos passa pelo aparecimento de uma tensão, num condutor ou semicondutor,
que é submetido a um campo magnético perpendicular à direção da corrente que nele flui
[83]. Selecionou-se para este projeto um sensor de efeito de Hall da empresa “Allegro”, o
ACS713. Este circuito integrado é capaz de medir correntes até 20 A, a sua sensibilidade é de
185 mV/A, a corrente traduz-se numa tensão que vai dos 0.5V a 4.5V, sendo compatível com
o ADC do microcontrolador [84].
Figura 4.21 – Configuração dos pinos no Sensor de Corrente [84]
Comos se pode verificar na figura 4.21, a corrente entra no pino IP+, atravessa o
integrado e volta a sair em IP-, paralelemente devolve uma tensão Vout que corresponde a
67
corrente medida. Mais uma vez, para efetuar testes a este IC, foi necessário conceber uma
PCB onde ser encontra o ACS713 e dois condensadores para filtrar ruídos.
Figura 4.22 – Vista do lado de cima e lado debaixo da PCB de testes para o Sensor de Corrente
4.2.6
Microcontrolador
O microcontrolador escolhido para este projeto pertence a uma família de plataformas
Open-Soure desenvolvidas pela empresa Arduíno. Este tipo de microcontroladores são mais
fáceis de utilizar do que um vulgar microprocessador, pois a linguagem de programação,
semelhante a C++, é própria da empresa Arduíno, onde se utilizam bibliotecas que facilitam a
aplicação em diversas situações. O compilador é igualmente fornecido pela empresa e é
bastante intuitivo. Na figura 4.24, pode-se observar o ambiente gráfico do compilador para
Arduíno.
Figura 4.23 – Plataforma Arduíno Uno
São indispensáveis duas funções em qualquer código para estas plataformas: Setup() e
Loop(). Na primeira inicializam-se bibliotecas a usar, modos de pinos, etc. Esta função
68
Setup() é chamada e corre apenas uma vez, até que se faça reset ao microcontrolador. A
função Loop() é onde se coloca o código para desempenhar as funcionalidades desejadas. Tal
como o nome dá a entender, esta função repete-se constantemente. Ambas as funções têm de
estar no código Arduíno, mesmo que não tenham linhas de código inseridas nelas. Das muitas
plataformas que esta empresa dispõe utilizou-se para este projeto a Arduíno Uno.
Figura 4.24 – Ambiente gráfico do compilador Arduíno.
A escolha do Arduíno Uno (Figura 4.23), que utiliza um microcontrolador ATmega328,
deveu-se ao facto de já se possuir esta placa de outros projetos e, portanto, existir o
conhecimento prévio para o seu manuseamento. Em geral, as características da plataforma,
como suportar protocolo SPI enquadravam-se neste projeto. De seguida, é mencionado um
sumário das características do microcontrolador Arduíno Uno [85]:
69
4.2.7

Tensão de Operação: 5V;

Pinos Digitais: 14;

Pinos Analógicos: 6;

Memória Flash: 32KB;

SRAM: 1KB;

Velocidade do Clock: 16MHz;
Sensor de temperatura
Ao transferir energia elétrica para uma bateria, a bateria começa a ser carregada. No
entanto, nem toda a energia do processo de carga se transforma em energia química. Parte da
energia elétrica transforma-se em energia térmica. A uma taxa C elevada, a temperatura
aumenta, podendo-a danificar caso não se interrompa o processo de carga. Um aumento
acentuado da temperatura é prejudicial à bateria e pode ser causado por uma sobretensão,
sobrecorrente, curto-circuito ou mesmo por razões externas. Logo, é importante monitorizar a
temperatura da bateria em qualquer processo de carga [68]. Normalmente, a temperatura
limite na recarga das baterias é de 50°C para as de chumbo-ácido e 45°C para as restantes
tecnologias, devendo-se interromper o processo de carga se estes valores de temperatura
forem detetados pelo sistema [2]. Realça-se mais uma vez que nas baterias de lítio e de
chumbo-ácido não é normal a temperatura aumentar no processo de carga.
O sensor de temperatura escolhido para este sistema de carregamento universal é
fabricado pela Texas Instruments, o LM35. Este sensor é bastante preciso, de pequenas
dimensões e de custo reduzido. A variação da tensão com a temperatura é linear (10mV/ºC)
com uma precisão de 0.5ºC. Funciona com tensão de alimentação de 4 a 30V e consegue ler
temperaturas até 150ºC [86]. Semelhante ao sensor de corrente, o LM35 também apresenta o
valor da temperatura numa tensão, bastando para isso ligar diretamente ao ADC do
microcontrolador para se conseguir transformar a tensão na respetiva temperatura em graus
Celcius.
70
Figura 4.25 – Configuração do sensor de temperatura LM35 [86].
Figura 4.26 – Sensor de temperatura LM35a registar a temperatura ambiente.
4.2.8
Especificações do sistema (resumo)
Mediante alguns pré-requisitos foram escolhidos todos os componentes para a
construção do carregador de baterias universal, sendo agora possível apresentar as
especificações do sistema:

Tipos de baterias: Chumbo-Ácido, NiCd, NiMH, Li-Ion, LiPo e

Capacidade de carga até 10A;

Alimentação 24V;

Tensão de saída até 22V;

Display para monitorizar o processo de carga;

Proteção contra sobrecarga e sobreaquecimento;
;
71
Tabela 4.5 – Características do carregador.
4.3
Algoritmos (Fluxogramas)
Neste ponto é apresentado uma proposta de algoritmo, servindo de base para um futuro
software a integrar no sistema de carregamento de baterias universal. O utilizador do
carregador universal terá de inserir alguns dados para o sistema aplicar o correto método de
carga na bateria a carregar. No fluxograma da figura 4.27, verifica-se que o sistema fica à
espera que o utilizador indique qual o tipo de bateria a carregar.
Figura 4.27 – Fluxograma geral
72
Mediante o tipo de bateria, o sistema salta para um dos seguintes métodos de carga:

1 – Baterias de Li-Ion ou LiPo;

2 – Baterias de Chumbo-ácido;

3 – Baterias de Níquel;

4 – Baterias de Lítio-Fosfato de Ferro;
Baseado no estudo efetuado sobre métodos de carga, são apresentados em baixo os
fluxogramas que descrevem os métodos de carga para cada tipo de baterias. De realçar que
estes fluxogramas foram desenhados de uma maneira simples, apenas para explicar
esquematicamente os métodos de carga. Não se incluem medidas de segurança, como a leitura
da temperatura ou utilização de temporizadores. Ao se programar o microcontrolador é
natural que se incluam mais funcionalidades e surjam mais ideias para tornar este sistema
cada vez melhor, ficando estes fluxogramas sujeitos a alterações.
Se o utilizador escolheu carregar uma bateria de Li-Ion, o sistema vai para o fluxograma
1, representado na figura 4.28. Posto isto, fica à espera que o utilizador indique o número de
células a carregar, assim o sistema fica a saber qual a tensão máxima/limite para carregar. De
seguida, o sistema pede que lhe seja indicada a capacidade da bateria e a taxa C pretendida,
para assim ser possível determinar a corrente máxima a aplicar na bateria. Exemplo: Imaginese que o utilizador deseja carregar uma bateria de 3 células de Li-Ion com capacidade
2200mAh a uma taxa de 0.7C. O sistema com estes dados sabe que a tensão máxima a
carregar é de 12.6V (4.20V×3) com uma corrente constante de 1.54A (2.2Ah × 0.7).
73
Figura 4.28 – Proposta de fluxograma para carregar baterias de Li-Ion
Depois de inseridos os dados necessários ao sistema, é efetuado o teste para saber se a
bateria está demasiado descarregada. Caso esteja com a tensão abaixo do valor mínimo de
segurança, é injetada uma corrente constante com 0.1C até ser recuperada a tensão mínima
para se iniciar o carregamento. Caso esteja em condições ótimas para ser carregada, o sistema
efetua o cálculo da corrente a aplicar na bateria, consoante a taxa C e a capacidade inseridas.
De seguida, verifica se a bateria está com a tensão máxima permitida. Caso não esteja passa
para a função corrente constante até se atingir a tensão máxima. Atingida essa tensão, o
sistema passa para o modo tensão constante até que a corrente se aproxime de zero. Quando a
corrente a passar na bateira for 7% da capacidade termina-se o processo de carga.
O Fluxograma de uma bateria de
é idêntico ao apresentado para as baterias de
Li-Ion, diferenciando apenas nos valores de algumas variáveis como a por exemplo a tensão
máxima a carregar. Para as baterias de chumbo-ácido o fluxograma, mais uma vez é idêntico
ao da figura 4.28, mas retira-se o teste da condição inicial da bateria e também diferenciam os
valores de alguns parâmetros de tensão.
74
Caso se deseje carregar uma bateria de NiMH ou NiCd deverá ser escolhido na figura
4.29 a função referente ao fluxograma 3.
Figura 4.29 – Proposta de fluxograma para carregar baterias à base de Níquel
O utilizador terá de indicar o número de células a carregar para que, neste caso, o
sistema possua mais uma medida de segurança, caso a tensão na bateria ultrapasse um
determinado valor interrompe-se o processo de carga. Tal como foi explicado no ponto 3.1.2,
a tensão NDV indica o final do processo de carga, o algoritmo terá de ter definido o valor
dessa descida na tensão, segundo a literatura consultada, 10 mV é um valor bastante típico.
Posto isto, é inserida a capacidade da bateria bem como a taxa C para a corrente de carga.
Agora o sistema está em condições de passar para a função corrente constante. Fica neste
modo até que seja detetada uma queda de tensão na bateria (NDV), ou então, que a
temperatura comece a incrementar de 0.8C a 1C. De realçar que tanto o método NDV como a
derivada da temperatura ao longo do tempo para determinar o fim de carga, apenas funcionam
para taxas de carga acima dos 0.5C. Visto isto, o sistema passa para uma corrente constante
de muito baixo valor ate que a bateria seja retirada pelo utilizado.
75
Nos fluxogramas seguintes são explicados os métodos para controlar a corrente
constante, tal como, a tensão constante. Como se pode observar no fluxograma da imagem
4.30, o sistema faz o controlo da corrente com recurso ao potenciómetro digital do seguinte
modo:
1. Para evitar que se aplique uma corrente de valor elevado na bateria, desloca-se
o cursor do reóstato digital na posição máxima, que corresponde à resistência
máxima (8.48kΩ) e consequente valor à saída do Buck mínima (2.15V);
2. Mede o valor real da corrente a passar na bateria (I_bat);
3. Compara o valor real da bateria (I_bat) com o valor desejado (Imax);
4. Se o valor a passar na bateria (I_bat) for menor que o desejado, então, é
necessário aumentar a tensão à saída do Buck, o que na prática corresponde a
baixar o valor do reóstato digital (Rp=P-1). Caso contrário, se o valor I_bat já
ultrapassou o valor máximo estipulado pelo utilizador, então, passa a ser
necessário baixar o valor da tensão na saída do Buck, ou seja, aumentar a
resistência do reóstato;
Figura 4.30 – Controlo para a Corrente Constante
76
Para controlar a tensão constante a aplicar na bateria (figura 4.31), basta posicionar o
potenciómetro digital na posição que corresponde a tensão desejada. A garantia que a tensão
constante fica sempre com o valor correspondente à posição do potenciómetro, é dada pelo
mesmo controlo que foi abordado para a corrente constante.
Figura 4.31 – Controlo para a Tensão Constante
77
Capítulo 5 – Testes e Resultados
Escolhidos os elementos que compõem o sistema de carregamento universal de baterias,
deu-se início aos testes e respetivos resultados destes componentes eletrónicos. No entanto,
antes de se proceder aos testes práticos referidos, decidiu-se recarregar vários tipos de baterias
com uma fonte de corrente, com o intuito de verificar na prática o seus comportamentos e
apurar se coincidem com o estudo efetuado no ponto 3.1.
5.1 Carregamento de baterias – Testes práticos
De todas as baterias estudadas as que suscitaram mais curiosidade em relação aos
métodos de carga e seus respetivos comportamentos foram as baterias de níquel. Por essa
mesma razão foram estas as primeiras baterias a serem carregadas com uma fonte de corrente
disponível nas oficinas de eletrónica.
Em todos os processos de carga, monitorizou-se a evolução da temperatura na bateria
com o sensor de temperatura selecionado para o projeto. Dois multímetros foram utilizados,
um para monitorizar a tensão na bateria e outro para a corrente.
Figura 5.1 – Bancada de testes
78
5.1.1
Níquel-Hidreto Metálico – Carregamento
Bateria composta por uma célula
Na figura 5.2 encontra-se a célula de NiMH utilizada para esta experiência. A tensão
nominal é de 1.2 V e a capacidade é de 750mAh. A tensão em aberto antes do início da
recarga era de 1.092 e a temperatura inicial registada era de 18.55 ºC. A corrente aplicada na
bateria foi de 700mA, representando uma taxa C de 0.933.
Figura 5.2 – Célula de NiMH, 1.2V; 750mAh.
Figura 5.3 – Evolução da tensão, temperatura e da capacidade na célula de NiMH.
79
Figura 5.4 – Derivadas da temperatura e da tensão para mesma experiência de carga.
A monitorização e o registo de diversos valores da tensão e temperatura ao longo do
tempo permitiu obter o gráfico da figura 5.3, bem como construir a gráfico das derivadas da
tensão e da temperatura (figura 5.4). Tal como esperado a temperatura foi aumentando
gradualmente, bem como a tensão. Quarenta minutos após o início do carregamento a tensão
na célula começou a evoluir de uma forma mais acentuada, atingindo-se o ponto máximo aos
65 minutos (Vmax=1.609V). A partir deste ponto a tensão na bateria começa a diminuir,
estabilizando nos 1.598 V passados 15 minutos. Confirma-se assim a ocorrência do NDV a
rondar os 10mV (NDV=1.609-1.598=11mV), se o sistema tivesse configurado para um NDV
de 10mV, o processo de carga terminaria antes dos 15 min apos o registo da tensão máxima.
Nota-se ainda, que quando a tensão atinge o ponto máximo aos 65 minutos, a capacidade
encontra-se nos 750mAh, estando a partir dai a bateria carregada. A evolução da temperatura
confirma também a teoria que, na fase final do carregamento a temperatura aumenta de uma
forma muito mais rápida.
Na figura 5.4, verifica-se que quando a tensão na bateria atinge o ponto máximo, a sua
derivada é de 0 µV/s e a partir desse momento dV/dt torna-se negativa, o que significa que já
se pode considerar a bateria carregada. No entanto, o algoritmo implementado no sistema de
carregamento tem de ser capaz de não interromper o processo de carga aquando de ocorrência
de dV/dt negativos falsos, ou seja, para que se considere a bateria verdadeiramente carregada,
a derivada da tensão tem de permanecer negativa durante um certo período de tempo, o que
corresponde ao NDV da tensão na bateria.
80
Bateria composta por duas células
Para o segundo teste, colocaram-se em série duas células de NiMH, formando-se assim
uma bateria de 2.4V e uma capacidade de 750mAh. Esta experiência surgiu com a curiosidade
de se verificar o comportamento da bateria e a deteção do NDV quando se carregam mais de
uma célula. A tensão em aberto medida antes do início da recarga era de 2.192V e a
temperatura inicial registada era de 18.55 ºC. A taxa C aplicada foi igualmente de 0.933C
(700mA). Descarregaram-se as duas células de forma igual, ficando a bateria sem capacidade
para descarregar corrente para uma carga de 1 Ω (17W).
Figura 5.5 – Gráfico com a capacidade, tensão na bateria e respetiva derivada.
Observando os gráficos presentes na figura 5.5, verifica-se que tal como na bateria de
apenas uma célula, a tensão evolui gradualmente até ao minuto 40, passando a partir desse
momento a crescer de uma forma mais acentuada até ao ponto máximo. Este mesmo ponto
atingiu-se aos igualmente aos 65 minutos e o seu valor é de 3.280V. Caso, o algoritmo do
sistema tivesse configurado para detetar NDVs até 10mV, nesta experiência o carregamento
final era detetado 5 minutos após o ponto máximo registado (NDV= 3.280-3.270 = 10mV). A
derivada da tensão torna-se negativa quando a tensão na bateria é máxima, bem como a
capacidade se encontra nos 750mAh nesse ponto máximo.
Bateria composta por duas células (uma célula vazia e outra a meia carga)
A terceira e última experiência com baterias de NiMH surgiu com o intuito de se
verificar o resultado de um bateria ao ser recarregada quando uma célula se encontra num
estado de carga maior do que outra. Para tal, utilizou-se a mesma bateria da experiência
81
anterior (2.4V; 750mAh) e aplicou-se a bateria a uma carga até ficar totalmente descarregada.
Posto isto, aplicou-se uma corrente de 750mA numa das células (célula B) durante meia hora.
Assim sendo, a bateria para este teste possuía uma célula totalmente descarregada e outra a
cerca de meia carga. Aplicou-se a mesma corrente que nos testes anteriores, 700mA, e a
tensões em aberto das células A e B eram 1.141 e 1,366 respetivamente.
Figura 5.6 – Gráficos da evolução da tensão, temperatura e capacidade das células da Bateria
de NiMH.
Figura 5.7 – Derivadas da tensão das células A e B.
Para a construção dos gráficos das figuras 5.6 e 5.7 teve-se o cuidado de monitorizar a
evolução da tensão individualmente e o sensor de temperatura LM35 foi encostado à célula B,
a célula mais descarregada. A figura 5.8 reflete a evolução da tensão na bateria (Célula A +
Célula B). Observando figura 5.6, verifica-se claramente que o NDV manifesta-se primeiro na
célula B do que na célula A, o que faz todo o sentido, pois a célula B estava mais carregada
82
do que a célula B. O ponto máximo na célula B dá-se aos 35 minutos com o valor de 1,615V,
passados 17 minutos desse instante a tensão diminui 11mV podendo-se considerar a célula
carregada. A derivada da tensão na célula B passa a negativa a partir do instante que a célula
atinge o ponto máximo (1,615V). Para a célula A, a evolução da tensão manifestou-se da
forma esperada, evoluindo até ao ponto máximo, 1.635V aos 65 min, diminuindo até aos
1,625 decorridos 18 minutos.
Na figura 5.8 encontra-se a evolução da tensão da bateria com as duas células em série.
O ponto máximo ocorre igualmente aos 65 minutos, com o valor de 3.230, manifestando-se o
NDV passados 13 minutos (NDV=3.230-3.220=10mV). A derivada da tensão também
negativa a partir desse ponto máxima, estando agora a bateria carregada.
Figura 5.8 – Gráfico com a capacidade, tensão e respetiva derivada da bateria de NiMH
(2.4V; 750mAh)
5.1.2
Lítio - Polímero – Carregamento
Para testar baterias á base de lítio utilizou-se uma bateria de LiPo, disponível no
laboratório, de 3.7V e com uma capacidade de 850mAh, (figura 5.9).
83
Figura 5.9 – Célula de LiPo utilizada no teste.
O teste consistia em carregar a bateria com o método corrente constante - tensão
constante. A taxa C definida foi de 0.8C, correspondendo a uma corrente de 680mA.
Monitorizou-se a evolução da tensão, até que se atingisse a tensão limite típica nestas baterias,
ou seja, 4.2 V. A partir desse ponto, aplicou-se uma tensão constante de 4.2 e monitorizou-se
a descida da corrente. Posto isto, obteve-se o gráfico da figura 5.10.
Figura 5.10 – Evolução da tensão, corrente e capacidade na bateria de LiPo
Figura 5.11 – Evolução da temperatura bateria de LiPo
84
Como esperado, a tensão evoluiu progressivamente durante 53 minutos, onde nesse
instante atingiu os 4.2V. Para se terminar o processo de carga, o valor da corrente
normalmente tem de diminuir 7% da capacidade máxima. Esse valor foi atingido 27 minutos
depois de se ter passado para a fase de tensão constante.
Tal como nas baterias de NiMH a temperatura também foi controlada, e como se pode
observar no gráfico da figura 5.11, o valor da temperatura pouco se alterou, sendo uma
característica típica neste género de baterias, já que normalmente estas permanecem frias.
5.1.3
Lítio fosfato de ferro – Carregamento
Por último, efetuou-se um carregamento à bateria escolhida para incorporar o andarilho
eletrónico, a LiFePO4 de 12V e capacidade de 20Ah (figura 5.12). Utilizou-se na mesma
forma uma fonte de corrente, capaz de debitar 8 A (taxa C  0.4C). Descarregou-se a bateria
com duas lâmpadas de automóveis como carga, tendo-se o cuidado de não ultrapassar a
tensão de profundidade de descarga limite, recomendada pelo fabricante (11V).
Figura 5.12 – Bateria de LiFePO4 a inserir no andarilho.
Mais uma vez, o método a aplicar neste género de baterias é o método de corrente
constante – tensão constante. Sendo que a bateria é composta por 4 células de 3V cada, a
tensão limite para se passar ao método de tensão constante roda os 14.8 (3.7V×4). No
datasheet da bateria recomenda-se que a tensão limite seja de 15V. Observando os gráficos da
figural 5.13, a tensão demorou 2h 18 min a atingir os 15 volts, enquanto a corrente
permaneceu nos 8 A constantes. Em modo de tensão constante a 15V, o valor de corrente foi
85
diminuindo gradualmente, demorando cerca de 50 minutos a descer até aos 475mA, estando
agora a bateria á sua capacidade máxima.
Figura 5.13 – Evolução da tensão, corrente e capacidade na bateria de LiFePO4.
5.2 Testes ao sensor de corrente
A figura 5.14, ilustra o gráfico da corrente que atravessa o integrado e consequente
tensão gerada. Como se pode verificar, a curva é bastante linear o que possibilita extrair a
equação 5.1, que permite ao ADC do microcontrolador traduzir digitalmente a tensão do
sensor (Vout) numa corrente (Ip). Os pontos retirados do gráfico para desenvolver a equação
5.1 foram: P1 (0;0.5) e P2 (20;4.25).
Figura 5.14 – Gráfico da performance do sensor ACS713 [84]
Eq. 5-1
86
Para testar o comportamento do sensor de corrente, decidiu-se montar um amperímetro,
ou seja, a partir da fonte de corrente disponível nos laboratórios, aplicaram-se diferentes
correntes a uma resistência de potência de 1Ω (17W). Em série com a carga, colocou-se o
sensor de corrente que, por sua vez, está conectado ao ADC do microcontrolador. Utilizou-se
um display de 16x2 para monitorizar a corrente a passar na carga, aproveitando-se assim a
oportunidade para testar o próprio display intencionado a ser usado no protótipo final do
carregador universal. A experiência está representada na figura 5.15.
Figura 5.15 – Diagrama do teste ao sensor de corrente.
Aplicaram-se diferentes valores de corrente pela resistência desde 0.1A, até a um
máximo de cerca de 5A (é o máximo que a fonte de corrente permitia). Na figura 5.16, podese ver a experiência com o display LCD, e na tabela 5.1, estão registados os valores da tensão
do sensor (Vout) medidos com um multímetro.
Figura 5.16 – À esquerda, observa-se a fonte de corrente a 3.02 A. Na imagem da direita, apresenta-se o
LCD com o valor da corrente que o sensor de corrente leu.
87
Figura 5.17 – Bancada de testes ao sensor de corrente.
Tabela 5.1 – Valores Possíveis para L
88
5.3
Testes ao potenciómetro
Os pinos utilizados para a configuração em reóstato são o B e o W, ficando o pino A em
aberto.
Figura 5.18 – Circuito do AD5231 como reóstato [82]
Para testar o comportamento do integrado AD5231, conectou-se o dispositivo ao
microcontrolador e foi-se alterando o valor resistivo à saída do potenciómetro. Para tal,
implementou-se o código C no microcontrolador que permitisse via SPI enviar uma trama de
24 bits, indicando ao potenciómetro digital a função a desempenhar e a posição desejada. Na
figura em baixo, encontra-se um exemplo da trama a enviar para o registo interno do
potenciómetro.
Figura 5.19 – Trama de 24 bits. Neste exemplo o potenciómetro fica na posição 256
São enviados 8 bits de cada vez (característica do protocolo SPI [87]), o AD5231
ordena que seja enviado primeiramente o bit mais significativo. Com os primeiros 8 bits (176
decimal) ordena-se que seja movimentado o cursor W, dos restantes 16 bits apenas são
utilizados 10, necessários para alterar a posição de 0 a 1023.
Apesar de o datasheet do potenciómetro digital AD5231 apresentar o valor de 10kΩ,
experimentalmente não se obteve esse valor. A equação que determina a resistência no
potenciómetro digital como reóstato é a seguinte:
Eq. 5-2
89
Onde,



P: é a posição interna, de 0 a 1023;
: é a resistência nominal entre o ponto A e B do potenciómetro;
: é a resistência do cursor W (independente da resistência nominal), que no
datasheet afirma ser de 15Ω [82], o que também não se confirmou
experimentalmente.
Dentro das muitas posições testadas, apresentam-se de seguida os valores resistivos para
a posição máxima, média e mínima: [82]
Valor máximo:
Eq. 5-3
Eq. 5-4
Valor médio:
Eq. 5-5
Eq. 5-6
Valor mínimo:
Eq. 5-7
Eq. 5-8
Com estes dados foi possível definir as resistências para divisor resistivo à saída do
conversor Step-Down.
Figura 5.20 – Configuração da tensão de saída adaptada com os valores das resistências
Através da equação 4.3, criou-se um sistema de duas incógnitas, R1 e R2, tendo em
conta quando a tensão à saída do carregador (Vout) é máxima e mínima, ou seja, quando a
resistência no potenciómetro é mínima e máxima, respetivamente.
90
Eq. 5-9
Eq. 5-10
Eq. 5-11
↔
Eq. 5-12
(Utilizou-se uma resistência de 6.8 kΩ)
Eq. 5-13
↔
Eq. 5-14
O valor 22V para a tensão máxima de saída é imposto pelo integrado LT3741
(Vout=Vin-2) [78] e o valor mínimo de 2V foi selecionado mediante a resolução do
potenciómetro e pelo número mínimo de células de NiMH. Na prática, em vez de se utilizar
R1= 5.7kΩ, colocou-se uma resistência de 6.8kΩ, por razões de disponibilidade. Sendo assim,
a tensão máxima à saída passaria a ser de 25.95 V, o que na prática não é possível, visto que,
a tensão da fonte de alimentação é de 24V.
Posto isto, pode-se verificar que a tensão à saída do step-down é máxima quando o
valor da resistência no reóstato é mínimo (62.5Ω) e vice-versa.
(Vout Máximo)
Eq. 5-15
(Vout Mínimo)
Eq. 5-16
91
5.4
Testes à placa Buck
Na figura 5.21 e figura 5.22, pode-se observar o resultado da placa em PCB – Step-
Down que, como já se referiu no ponto 4.2.3, foi projetada no software Eagle.
Figura 5.21 – Vista de cima (lado DIP) da placa Step-Down
A legenda da figura 5.21 é a seguinte:
1. Alimentação (enable) do integrado LT3741, 5 V;
2. Entrada da fonte de alimentação 24V;
3. Entrada da resistência (Potenciómetro digital) que define a tensão (Vout);
4. Saída do Step-Down (Vout);
92
Figura 5.22 – Vista de baixo (lado SMD) da placa step down.
Decidiu-se que para testar o step-down LT3741 a melhor forma seria utilizar uma
resistência de potência de 10Ω (17W) como carga, uma resistência de 768Ω para definir a
tensão de saída, ou seja, para testes essa resistência vai estar no lugar do potenciómetro
digital. Com uma resistência de 768Ω seria de esperar a seguinte tensão de saída (Vout):
Eq. 5-17
Figura 5.23 – Configuração da tensão de saída do Buck para Vout = 9.14V.
93
Figura 5.24 – Bancada com os elementos de teste do step-down (LT3741)
Na primeira abordagem à placa step-down não se obteve um resultado positivo, ou seja,
à saída em vez de 9.14V apenas se obtinha 0.258V. Posto isto, efetuaram-se algumas leituras
de tensão, com o multímetro, em pontos importantes do circuito. Esses mesmos pontos podem
ser observados na figura 5.25, em baixo:
Figura 5.25 – Pontos-chave para funcionamento do circuito.
94
No ponto 1, podia-se ler com o multímetro 5V, que alimentavam o circuito integrado
LT3741. Os pontos 2 e 3 estão ligados ao pino VREF, que fornece 2V para os dois divisores
resistivos, CTRL1 e CTRL2. Nestes dois pontos obteve-se, 1.97V, como esperado. Tal como
dimensionado no ponto 5 (ver secção 4.2.3), seriam de esperar 1.5V, registou-se 1.47V. O
pino CTRL2, pode, através de um termístor NTC, ser utlizado como controlador térmico. O
LT3741 reduz a corrente na saída (Io) se o termístor aquecer e variar a sua resistência.
Decidiu-se não utilizar esta funcionalidade, visto que o sistema já possui o sensor de
temperatura LM35. Posto isto, colocou-se um divisor resistivo exatamente igual ao de
CTRL1, a razão é a seguinte: o IC LT3741 só reduz a corrente à saída se a tensão em CTRL2
for menor que CTRL1. Sendo assim, com os dois divisores resistivos enxameante iguais,
VCTRL1 vai ser igual a VCTRL2, e o sistema de controlo térmico nunca vai atuar. Registouse um valor exatamente igual a VCTRL1, ou seja, 1.47V. Nos pontos 6 e 7, verificou-se se se
estavam a obter os 24V necessários a alimentar o sistema todo, ao qual se confirmou.
Até ao momento, todos os pontos verificados batiam certo. No entanto, quando se foi
verificar o ponto 8 (pino CBOOT), que tem como função principal alimentar o driver para
atuar a gate do MOSFET através de uma tensão flutuante. Verificou-se que em vez de os
esperados 5V apenas se obtinham 1.71V. Sendo assim, claramente não havia tensão suficiente
para ocorrer comutação no MOSFET. No ponto 9, onde se esperavam 5V para carregar o
condensador CBOOT, apenas se obtinham 3.31V. Virou-se as atenções para o pino SS (SoftStart), pino este, que tem a função de suavizar o início da corrente de saída (Io), evitando,
assim, picos de corrente. Este pino tem acoplado a si um condensador que é carregado com
uma corrente de 11µA. Quando a tensão no pino SS é menor que a tensão em CTRL1, o
LT3741 reduz a corrente à saída. Esta característica permitiu verificar que o step-down não
poderia funcionar, pois no ponto 10, apenas se obtinham 0.37V (sendo expetável ter 1.5V).
Mediu-se ainda a tensão no ponto FB, e em vez de os esperados medirem 1.21V, apenas se
obtinham uns 20mV. Em baixo, encontra-se uma tabela que resume a tensão nos pontos
referenciados:
95
Tabela 5.2 – Resumo das tensões medidas no Step-Down
Alteração do Condensador SS
Visto que a funcionalidade Soft-Start não estava a deixar atuar a comutação dos
MOSFETS, decidiu-se alterar o condensador que estava ligado entre o pino SS e a massa.
Retirou-se, então, o condensador SS de 6.8µF (que proporcionaria um elevado tempo de
arranque) por um condensador muito mais pequeno de apenas 22nF (reduzindo o tempo de
arranque a poucos microssegundos). Sendo assim, voltou-se a ligar o sistema e apesar de a
tensão na saída (Vout) não se ter alterado, no pino SS verificou-se que a tensão aumentou
para 3.30V. Mediu-se mais uma vez a tensão no condensador CBOOT, e apenas se obtinham
cerca de 3V. Decidiu-se tocar os condensadores CBOOT e o condensador acoplado ao pino
Vcc_int, sobe suspeita de estarem danificados, mas não surtiu querer efeito positivo. Também
os MOSFETs foram verificados, inicialmente no circuito e posteriormente externamente,
verificando-se que continuavam funcionais.
Visto que, a maioria dos componentes são do tipo de encapsulamento axial, desconfiouse que algum dos componentes poderia estar com maus contactos, apesar de se terem feito
todos os testes de condutividade e curto-circuito. Reparou-se então, que quando se tocava, por
exemplo, no condensador CBOOT, o valor da sua tensão variava. Depois de muitas
verificações na placa, de se ter repensado os componentes dimensionados bem se ter feito
imensas experiencias a “mexer” nos componentes sobe suspeita de maus contactos, eis que na
saída se conseguiu obter o valor esperado de 9.14V.
96
Portanto, o conversor com uma resistência de 768 ohms no lugar do potenciómetro
estava a converter uma tensão de 24V numa de 9.14V.
Figura 5.26 – Imagens retiradas do vídeo de teste à placa Step-Down LT3741.
Verificaram-se novamente as tensões nos pontos-chave do circuito, apresentados na
tabela 5.3. Com outro multímetro colocou-se em serie com a carga, e mediu-se a corrente
nela. Seria de esperar uma corrente de 0.914 A, e registou-se uma corrente de 0.865 A, o que
se pode considerar um resultado positivo.
Eq. 5-18
Tabela 5.3 – Resumo das tensões medidas no Step-Down, com resultados positivos
97
Curiosamente, após desligar o sistema todo e repetir a experiência, a placa step-down
deixou de voltar funcionar devidamente, voltando-se a obter os resultados da tabela 5.2.
Muitas tentativas se efetuaram, com verificação e correção de soldaduras, com mudanças de
componentes e alterações das resistências ligadas a FB, no entanto, nunca se conseguia obter
a conversão de tensão desejada. Retiraram-se os MOSFETS da PCB e colocaram-se num
circuito de teste simples em breadboard juntamente com um LED, para verificar se estes
estavam danificados, mas, constatou-se que estavam em perfeitas condições e comutavam
exatamente como esperado.
Por fim, decidiu-se fabricar uma nova placa PCB, pois a primeira após muitos testes e
alterações dos componentes, já se encontrava muito degradada. Nesta nova PCB, unicamente
se efetuaram duas alterações. Fabricou-se a PCB com furos metalizados, assim garantia-se
que o plano de massa de cima estava conectado ao de baixo (na placa inicial foi necessário
soldar os componentes axiais em ambas as faces para garantir esta ligação), e o IC LT3741 foi
soldado num forno próprio de SMDs, para garantir que todos os pinos ficariam bem soldados,
especialmente o pino que estava inacessível (exposed PAD). O facto de a PCB ter sido
inserida num forno para soldar de modo eficaz o SMD LT3741, fez com que o verniz que
estas placas normalmente são banhadas tivesse oxidado, talvez por se ter aplicado temperatura
a mais dentro do forno. Este incidente aumentou a dificuldade em soldar o resto dos
componentes, pois o estanho não aderia facilmente na PCB, fazendo com que muitas vezes as
pistas fossem arrancadas. Ainda assim, conseguiu-se soldar todos os componentes, mas ao ao
testar a placa step-down, confirmou-se a suspeita que não iria funcionar corretamente, pois
sem dúvida que as ligações e os maus contactos eram evidentes.
Apesar de o prazo para a entrega desta dissertação a esta altura encontrar-se a cerca de
duas semanas do limite, decidiu-se fabricar uma nova PCB, mas desta vez, para soldar o
componente LT3741, colocou-se pasta de solda no pino inacessível (exposed pad) e aplicouse calor com um secador próprio, soldando-se os restantes pinos do componente
manualmente. Os restantes componentes também foram soldados normalmente.
Esta terceira PCB step-down, foi a que dentro dos possíveis teve melhores
comportamentos, já que continuaram a ocorrer problemas de maus contactos, onde por vezes
obtinham-se os valores de tensão referência que permitiam o correto funcionamento do
conversor de tensão, e por outras vezes era necessário pressionar alguns componentes para a
PCB reagir satisfatoriamente. Ainda assim foi possível retirar algumas imagens de um
osciloscópio que comprovam o correto funcionamento da conversão de tensão, neste caso de
24 V para cerca de 9V.
98
Figura 5.27 – Imagens retiradas do osciloscópio: a) Tensão na gate dos MOSFETs b) Transição ON para
OFF c) Transição de OFF para ON
Na figura 5.27 a) observa-se que a tensão na gate do MOSFET High é maior do que 24
V o que permite que o canal fique aberto e contínuo, enquanto a tensão VGS na gate do
MOSFET Low encontra-se a 0V, tal como esperado. Quando o MOSFET Low passa a
conduzir observam-se os esperados 5V na sua gate. Na figura 5.27 b) e na figura 5.27 c) fezse um zoom para verificar se os dois MOSFETS transitavam no mesmo instante, o que se
confirma.
Figura 5.28 – Tensão na saída e tensão no ponto em comum dos dois MOSFETS
O gráfico a vermelho da figura 5.28 representa a tensão na saída do step-down, no qual
se pode verificar os 9V de Vout, já o gráfico a azul representa a tensão no ponto em comum
99
dos dois MOSFETS, que liga a source do MOSFET High e a drain do MOSGET Low.
Quando o circuito está a ON nesse ponto encontram-se os 24V da entrada e quando está a
OFF encontram-se 0V.
Contudo, não se conseguiu obter uma placa step-down com o integrado LT3741 que
ficasse robusta e fiável, já que, apesar de se ter feito uma placa nova, continuou-se a obter
problemas nos pontos-chave do circuito, como por exemplo, a falta de tensão no condensador
CBOOT, que garantiria a conversão no MOSFET, ou então a necessidade de aplicar pressão
no integrado LTC 3741, o que refletia os maus contactos que nunca se conseguiu resolver na
totalidade (5.29). O último componente IC L3741 disponível no laboratório e os MOSFETs
acabaram por se danificar, já que num dos últimos testes o pino RT, que configura a
frequência de comutação não estaria em contacto com a pista.
Figura 5.29 – Imagens retiradas de um vídeo que demonstra a pressão necessária em alguns pontos da PCB
para o correto funcionamento.
100
Capítulo 6 – Conclusões e Trabalhos Futuros
Neste capítulo final, é feita uma análise conclusiva de todo o trabalho desenvolvido
nesta dissertação. São ainda apresentadas algumas sugestões futuras para desenvolvimento
deste mesmo projeto.
6.1 Conclusão
A participação neste projeto de mestrado permitiu obter e fortalecer conhecimentos em
diversos temas na área de eletrónica e engenharia. Numa análise final de todo este projeto é
possível dividir esta dissertação em duas fases distintas mas dependentes uma da outra. Numa
primeira fase, dedicaram-se todas as atenções ao estudo e investigação detalhada sobre
baterias recarregáveis. Foi dada uma importância alargada a esta pesquisa, investindo-se cerca
de 50% do tempo para esta dissertação, já que todo este projeto para desenvolvimento de um
carregador universal de baterias partiu do zero. O resultado desta investigação sobre baterias
foi sem dúvida positiva, permitindo obter uma visão mais abrangente sobre o comportamento
e características das baterias mais comuns do mercado, passando a citar: NiMH, NiCd,
Chumbo-Ácido, LiPo, Li-Ion e as LiFePO4.
Depois de se ter alcançado um conhecimento sólido, sobre os parâmetros relacionados
com baterias, segurança no seu manuseamento, constituições químicas e físicas, vantagens e
desvantagens, bem como, aplicações típicas de cada tipo de bateria, partiu-se para a escolha
da bateria a integrar no projeto que proporcionou o inicio desta dissertação, “o andarilho
eletrónico”. Os argumentos para a escolha da bateria de LiFePO4 foram aceites pelos
responsáveis do projeto “andarilho eletrónico”, tendo a mesma sido encomendada. Não foi
possível efetuar muitos testes à bateria, já que, a bateria chegou ao laboratório em cima do
prazo de entrega desta dissertação.
O estudo sobre os carregadores existentes no mercado permitiu direcionar e definir
algumas especificações para este projeto, assim como obter uma ideia geral sobre as
potencialidades e funcionalidades destes carregadores. Ficou-se ainda, com uma noção dos
custos destes sistemas e do impacto que este género de carregadores universais têm em
algumas aplicações e áreas.
A parte final desta fase da investigação esteve relacionada com os métodos de carga
para cada tipo de bateria. Concluiu-se que as baterias devem ser recarregadas com o método
adequado à sua química constituinte, contribuindo isso para uma maior longevidade da bateria
101
e principalmente para uma maior segurança. Os fluxogramas propostos para o
desenvolvimento do software do sistema carregador universal, apesar de não terem sido
implementados, apresentam de uma forma clara e intuitiva todos os métodos de carga para
cada tipo de bateria. Foram ainda apresentados dois algoritmos para efetuar o controlo da
corrente constante e da tensão constante.
A segunda fase desta dissertação deparava-se com o objetivo de construir todo o sistema
para carregar diversos tipos de baterias. Antes do início desta parte prática do trabalho,
efetuaram-se algumas recargas em diferentes tipos de baterias, com o objetivo de confrontar
os seus comportamentos com o estudo efetuado. O resultado foi bastante positivo,
confirmando-se que tanto as baterias de NiMH como as baterias de lítio manifestavam tal
como no estudo e investigação.
A fonte de alimentação adquirida no mercado mostrou-se ser bastante robusta e
eficiente. Os testes efetuados ao potenciómetro digital, demonstraram que este era rápido a
responder às “ordens” enviadas a partir do Arduíno uno, mudando o valor resistivo sem
quaisquer problemas, apesar do valor de resistência diferir um pouco do indicado no
datasheet. Sem nunca se ter tido a oportunidade de utilizar um sensor de efeito de hall noutros
projetos, o integrado ACS713, mostrou eficaz e com uma margem de erro de cerca de 2%.
Portanto, este sensor de corrente, apresenta-se como uma solução interessante e essencial para
o controlo da corrente a aplicar na bateria, mostrando-se eficaz a obter leituras de correntes. O
microcontrolador e o sensor de temperatura escolhidos para o sistema, apresentam-se como
uma solução barata e simples de manusear, capazes de desempenhar as funções que lhes são
exigidas.
O componente de maior importância para todo o carregador universal de baterias foi o
que mais esperanças e desilusões trouxe a esta parte prática da dissertação. Aquando da sua
escolha o LTC3741 apresentou-se como um conversor step-down cheio de potencialidades,
que permitia obter os valores elevados de corrente exigidos pelo projeto, bem como a
simplicidade de através de um divisor resistivo, definir a tensão na saída. A construção da
placa PCB para testar este integrado foi desde o início ao fim o desafio mais difícil, mas no
entanto o mais interessante, que permitiu consolidar muitos conhecimentos adquiridos durante
a minha formação académica como por exemplo: o uso de uma ferramenta de desenho para
conceção de circuitos impressos (PCBs), o dimensionamento de componentes essenciais em
circuitos Buck (Bobina, MOSFETs, etc.) bem como, as técnicas para os soldar à placa PCB.
Os testes efetuados ao step-down (LTC3741) demonstram que apesar de todos esforços,
a placa demonstrou ter comportamentos inconstantes, onde por vezes se conseguia obter a
102
tensão desejada na saída, mas na maior parte das vezes era evidente que não se estavam a
obter as tensões referências necessárias para a comutação dos semicondutores. Mediante os
testes efetuados, pode-se concluir que, aparentemente todos os componentes que envolvem o
LT3741 estão bem dimensionados, no entanto, a qualidade e a forma como se construiu a
placa PCB pode estar a suscitar maus contactos que impedem de o step-down funcionar
corretamente. Não foi possível testar o conjunto dos elementos que compõem o carregador
universal de baterias, já que, até a data de entrega desta dissertação ainda não se tinha
conseguido tornar a placa step-down fiável e totalmente funcional.
Visto que este projeto partiu do zero, com a finalidade de escolher e efetuar o
carregador para uma bateria a integrar futuramente num andarilho eletrónico, conclui-se que
todo o trabalho aqui desenvolvido foi positivo, facilitando futuramente, a real construção de
um carregador universal de baterias, bastando para isso tornar o conversor step-down mais
robusto, já que restantes elementos do sistema são adequados e funcionam corretamente.
6.2 Sugestões para trabalhos futuros
Sendo que o elemento principal (LT3741) para a construção do carregador universal de
baterias, não se encontra a funcionar de maneira satisfatória, propõem-se numa próxima fase
construir a PCB com solder resist e com os pads estanhados para evitar maus contactos no
processo de soldadura. Se mesmo assim não se garantir o correto funcionamento da placa,
propõe-se a utilização de outro integrado step-down de alta potência, como por exemplo o
integrado “MAX15046”.
Tendo-se o step-down a funcionar corretamente propõe-se o seguinte:

Projetar uma PCB com, o integrado step-down, o sensor de corrente, o
microcontrolador e o potenciómetro digital. Incluir um interface para o utilizador
inserir dados.

Testar o funcionamento do sistema com todos os elementos.

Implementar e testar os algoritmos de carga propostos nesta dissertação, no
microcontrolador.

Instalar a bateria no andarilho eletrónico, com um LCD, que monitoriza o estado
da carga da bateria.

Se se justificar na aplicação, implementar com o LT3741 um carregador fixo e
dedicado no próprio andarilho, carregando assim apenas a bateria escolhida para
este.
103
104
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Anexo A
Diagrama de blocos interno do IC LTC3741 [78]
111