Baterias recarregáveis

jfonseca

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#1
Depois de "apanhar" bastante de baterias recarregáveis de minhas furadeiras e máquinas portáteis, decidí tentar entender melhor seu funcionamento. Meu desafio atual é resgatar a bateria de uma furadeira/parafusadeira Black & Decker de 18V.

A primeira tarefa foi tentar descobrir que tipo de célula usam para formar os 18V. Temos células de ácido/chumbo de 2,0V, Nickel (Cd e MH) de 1,2 a 1,25 V, células de Lítio que variam de 3,6 a 3,7 V, Lítio-Fosfato que são de 3,2 a 3,3 V, as alcalinas não recarregáveis de 1,5V e óxido-prata de 1,6V.

Em nosso caso, a bateria HPB18 é de NiCd, então cada célula deve ser de 1,20 V. Os reviews dessa bateria não são os melhores, como pode-se verificar seguindo este link.

E este vídeo elucidou bastante coisa:

Neste frame congelado vemos a estrutura interna:



Vemos que são 15 células de NiCd ligadas em série(15 x 1,2 = 18), então a carga deste tipo de bateria exige cuidados especiais. Primeiro porque o NiCd sofre do "efeito memória" : as baterias passam a pegar carga apenas na região de trabalho, e perde-se boa parte da bateria "por esquecimento". Segundo porque as baterias não são idênticas e umas pegarão mais carga que outras, com 15 células é bem provável que isso aconteça. Para que a carga chegue igualmente a todas, a deve-se usar carga lenta.

A carga rápida do NiCd pode levar apenas 1 hora. A carga lenta pode levar 7 horas. Então para quem não tem 3 ou 4 destas baterias, o jeito é usar a carga rápida. Porém ela tem a deficiência já mencionada: as baterias podem não ficar totalmente carregadas, e algumas delas pegarão o "efeito memória". Como estão ligadas em série, a bateria de menor capacidade determina a capacidade de toda a cadeia. Talvez esteja aí a causa das muitas reclamações sobre baterias B&D de 18 V : usuários que aplicaram apenas cargas rápidas desde o início do uso das baterias terão menor aproveitamente que aqueles que efetuaram algumas cargas lentas em meio às rápidas.

A principal vantagem do NiCd para máquinas portáteis é que a bateria mantém sua tensão nominal praticamente até o fim da carga, diferente das baterias de ácido/chumbo que vão perdendo voltagem. Então não é trivial detectar uma bateria de NiCd descarregada : apenas aferir a tensão correta usando um multímetro não significa que ela esteja carregada.

Existem duas formas usuais para se verificar se a bateria NiCd está carregada: a primeira é verificar a temperatura durante a carga. O composto NiCd começa a esquentar no fim da carga: essa elevação de temperatura é detectada e o carregador é desligado. No entanto esta técnica é arriscada no caso da bateria ser desconectada e reconectada ao carregador imediatamente após a carga. O carregador irá aferir a temperatura já elevada como sendo a temperatura inicial, e irá sobrecarregar a bateria buscando uma nova elevação de temperatura.

A segunda forma de verificar o fim de carga é realizar algum trabalho com a bateria e verificar a corrente que ela é capaz de fornecer. Um par de resistores de precisão formando um divisor de tensão pode ser utilizado. A queda de voltagem calculada por meio da Lei de Ohm indica a corrente nos resistores. A bateria de NiCd tem determinada amperagem-hora nominal. Efetuando uma medida de corrente instantânea, durante alguns segundos, podemos estimar a amperagem-hora da bateria com uma certa margem de erro. Estando dentro de uma faixa pré-determinada, a bateria encontra-se carregada. Abaixo disso, requer mais carga. Soa complexo, mas este circuito pode ser feito com apenas componentes comúns.

Carregadores microcontrolados permitem que "algoritmos" mais avançados sejam utilizados. As baterias de ácido/chumbo, por exemplo, são bastante complicadas de se carregar corretamente. A carga rápida aquece a bateria, e pode até causar explosão de baterias seladas. A carga lenta é ideal, mas nem sempre é prática. Então o que carregadores microcontrolados fazem é utilizar um algoritmo para carregar a bateria. Iniciam com uma carga lenta e profunda, que "enche" a bateria. Após um período de descanso para esfriar a bateria, passam então a uma carga mais veloz até atingir 100% da tensão nominal. Após isso a carga é apenas mantida.

Infelizmente a grande maioria dos carregadores disponíveis no mercado apenas tem um circuito fixo, onde o "algoritmo" é um só. Normalmente é empregado um transistor em série com a bateria, e algum tipo de sensor de corrente ou de tensão(normalmente um resistor de baixo valor em série) envia feedback ao transistor(também é comúm utilizar um segundo transistor, de menor porte, na base do transistor maior para controlar a corrente de saída). Quando a corrente de carga atinge determinado nível, ou a tensão da bateria atinge certo valor, a corrente é atenuada ou desligada por meio do transistor em série.

Para o caso da Black & Decker 18V, construí um carregador de tensão variável usando um VariAC e um transformador 220 : 12 V a 24V de 6 Amperes. Dou cargas lentas periódicas nas baterias, iniciando por uma tensão um pouco acima daquela em que a bateria se encontra, elevando aos poucos conforme a carga se estabiliza em determinado ponto. Quando a corrente de carga se reduz, elevo um pouco a tensão até atingir 20% acima daquela da bateria. Deixo esta tensão elevada por no máximo 15 a 20 minutos. Por fim, mantemos a bateria cheia aplicando uma tensão ajustada para corrente próxima a zero no início. Conforme a bateria perde carga naturalmente, a tensão se eleva um pouco até estabilizar novamente com corrente zero. Faço tudo isso a mão, estando presente na oficina, o que nem semprer é possível.

Usando uma placa Arduíno e um circuito em série, é possível controlar com precisão a carga da bateria, empregando até mesmo formas diversas de onda. Assim, o trabalho de recarga pode ser automatizado, utilizando os algoritmos ideais para cada tipo de bateria.

Com o Arduíno, as baterias podem ser carregadas com uma combinação de DC e de PWM, e outras formas de onda. Por exemplo: as baterias de ácido/chumbo sofrem com a sulfatação natural das placas. Utilizando corrente pulsada pode-se reverter parte do efeito da sulfatação que ocorre em baterias que permanecem sem uso durante períodos prolongados. Outras aplicações do Arduíno podem ser os próprios algoritmos já mencionados, e "programas de recarga" de baterias mais complexos. Utilizando os vários pinos sensores analógicos do Arduíno é possível aferir com precisão o nível de corrente de carga e da tensão atual da bateria com o carregador desconectado.

Retornando ao resgate de minhas baterias da Black & Decker: apliquei uma carga lenta de 16 horas a 18V para buscar preencher todas a baterias da série com o máximo de carga possível, sem causar aquecimento ou sobrecorrente. Depois utilizei a margem de 20% acima e apliquei uma tensão de 22V durante 30 a 50 minutos para dar a carga rápida final. O resultado foi excelente: o torque das furadeiras de 18V é surpreendente, e com a bateria carregada corretamente elas são extremamente úteis em trabalhos em locais de difícil acesso a fios e extensões.

Deixo estas dicas para os amigos dos Valvulados pois, ao longo dos anos, fiz com que as baterias de furadeiras e parafusadeiras durassem muito mais tomando alguns poucos cuidados. As baterias são o grande desafio do futuro na busca por energia verde sustentável. Carros da Fórmula E por exemplo já demonstram o poder de boas baterias, sustentando carros de corrida por horas com altíssimo rendimento. A fabricante de carros elétricos Tesla também tem dedicado boa parte de suas pesquisas a baterias, e promete revolucionar o campo com inovações no futuro próximo. Por isso é importante conhecer um pouco mais desses armazenadores tão comúns e sobre os quais normalmente sabemos tão pouco! Por hoje é só em nossa seção de assuntos eletrônicos variados!
 
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jfonseca

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#2
Prosseguindo com nossa série sobre recarga de baterias, decidí tentar recuperar algumas baterias de chumbo/ácido que tenho jogadas no quintal. Após ver que em diversos locais do mundo não há a cultura do descarte e recompra que temos no Brasil, partí para o Youtube para ver o que mais poderia garimpar sobre o assunto. Realmente vemos o quanto o mercado explora a obsolescência planejada: baterias, assim como as lâmpadas, são feitas para durar pouco e obrigar-nos a comprar novas. Seguem alguns vídeos que chamaram a atenção.

Recondicionamento de baterias no Nepal. Baterias feitas a mão para serem usadas em locais remotos no Nepal onde não há energia elétrica.

Parte I - A parte II segue automaticamente no YT.


O autor do seguinte vídeo nos mostra que no fundo da bateria é deixado um mínimo espaço onde caem os resíduos de chumbo. Com pouco tempo os resíduos fecham o curto-circuito entre as placas. Segundo o narrador "estas baterias são feitas para acabar em 2 a 4 anos no máximo". Cortando as placas a uma altura maior, as mesmas baterias duram 12 a 14 anos.



No seguinte vídeo, o autor compra um banco de 8 baterias industriais por 40 dólares. Foram descartadas pela empresa onde ele trabalha. Das 8 baterias, 7 estavam perfeitas - todas iam para reciclagem/lixo.


Apenas uma pequena amostra do quanto estamos inseridos em um sistema de obsolescência planejada. A bateria em seu automóvel poderia durar mais de uma década não fosse construída especialmente para pifar em poucos anos. Como mencionei no post inicial, baterias são o grande desafio da "energia verde", então acredito que vale a pena saber um pouco mais sobre.
 

marcoamf

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#3
Tinha um Kindle velho aqui em casa e ele ficou muito tempo sem carga. Simplesmente não ligava mais. Cheguei a deixar dias carregando e tentei de alguas formas liga-lo plugado e desplugado, resets rapidos e coisa assim.

Ja desistindo (depois de saber o preço de uma bateria nova) descobri uns videos bacanas de uns caras que reavivam baterias de celular em condições semelhantes (que morrem por ficarem descarregadas por muito tempo). Como uma memória travada no zero. Emfim, eles usam uns equipamentinhos que conectam corretamente uns polos da bateria e dão uma espécie de sobrecarga.

Claro que acabei não seguindo adiante com isso, mas testei carregar o Kindle não com o carregador original dele mas sim com um de celular. Acho que a voltagem era maior que do original e a amperagem muito maior (tipo o dobro do carregador original). Ele então finalmente acendeu a luz de carga. Deixei 24h carregando e desde então o comportamento da bateria esta totalmente normal.
 

jfonseca

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#4
Também tenho um Kindle parado aqui. Já deixei ele "morrer" várias vezes e ele sempre volta.

O que me surpreendeu foi ontem ao encontrar uma câmera Canon que quebrou o display em 2007, só de curiosidade apertei o botão e ela ligou instantâneamente! Ela deve ter ficado pelo menos 7 anos jogada na gaveta. Essas baterias de câmeras Canon e Nikon tem algo diferenciado nelas, parecem que duram para sempre.