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Como funcionam os carregadores de baterias (ART448) - O Carregador

 

O Carregador

Um carregador simples consiste numa fonte que estabelece uma corrente em sentido contrário na célula, pilha ou bateria que deve ser recarregada. Como a resistência interna de uma bateria varia com a carga e normalmente é muito pequena, é preciso agregar à essa fonte algum dispositivo para limitar a um valor seguro a corrente de carga, conforme mostra a figura 7.

 

Um carregador simples de bateria - G1 e G2 são ligados aos pólos da bateria e o resistor de 10 ohms serve como limitador de corrente.
Um carregador simples de bateria - G1 e G2 são ligados aos pólos da bateria e o resistor de 10 ohms serve como limitador de corrente.

 

Nos carregadores mais simples, o que se tem é apenas um limitador de corrente com um valor que determine a corrente que no tempo indicado pelo fabricante consiga repor toda sua carga.

Veja que não devemos (e não podemos) fazer circular uma corrente excessiva no processo de recarga. Ao circular, a corrente não só repõe a energia na célula como também, devido à sua resistência elétrica, gera calor aquecendo a bateria.

O aquecimento excessivo pode ter conseqüências perigosas para a integridade da bateria indo desde o dano dos eletrodos e da própria substância química do eletrólito até a explosão da bateria pela formação de gases sob pressão!

Nas células recarregáveis de todos os tipos é indicada a corrente recomendada pelo fabricante para uma carga segura, conforme mostra a figura 8.

 

Nestas baterias a corrente de carga é normalmente 1/10 da capacidade (400 mA para uma bateria de 4000 mAh) e é indicado seu valor para 16 horas. Para carga rápida, a corrente é maior.
Nestas baterias a corrente de carga é normalmente 1/10 da capacidade (400 mA para uma bateria de 4000 mAh) e é indicado seu valor para 16 horas. Para carga rápida, a corrente é maior.

 

No entanto, as baterias modernas e os carregadores exigem mais cuidados do que simplesmente aplicar uma corrente no sentido inverso por certo tempo. Isso nos leva aos carregadores "inteligentes".

 

Carregadores Inteligentes

Para se obter uma carga mais rápida, mais eficiente (com menor gasto de energia) e que também prolongue a vida útil da célula, pilha ou bateria, são usados diversos recursos nos carregadores.

Assim, um primeiro recurso simples para a carga consiste em se utilizar o regime de corrente constante. Numa célula completamente descarregada a tensão nos seus terminais é baixa. Assim, ao aplicarmos a tensão do carregador, a diferença entre sua tensão e a da bateria é elevada. Isso faz circular uma corrente inicial elevada, conforme mostra a figura 9.

 

À medida que a bateria se carrega a corrente através dela diminui
À medida que a bateria se carrega a corrente através dela diminui

 

À medida que a bateria se carrega, a tensão nos seus terminais sobe se contrapondo à tensão do carregador. Com isso a corrente na bateria diminui gradualmente até que no final do processo ela é pequena. A curva de carga não é, portanto, linear, conforme mostra a figura 10.

 

 Curva de carga para a tensão, numa bateria de carro
Curva de carga para a tensão, numa bateria de carro

 

Uma fonte de corrente constante faz circular uma corrente por uma carga com uma intensidade que independe da sua resistência ou da tensão que ela apresenta. Assim, o processo de carga de uma bateria com uma fonte de corrente constante se faz com a mesma intensidade do início ao final.

Outro recurso encontrado em alguns carregadores consiste na temporização automática. O carregador interrompe a corrente depois de um certo tempo programado, que é o especificado.

Mas os carregadores mais sofisticados são muito mais completos contendo recursos como o monitoramento constante da carga, da temperatura e outras características importantes da célula.

 

Monitorando a Carga

Diversos fabricantes de microcontroladores apresentam projetos de carregadores inteligentes de baterias que possuem recursos importantes. Estes recursos vão desde a adoção de regimes especiais para a carga em termos de tempo, como também a monitoração da tensão.

Assim, damos como exemplo a curva de carga de um carregador sugerido pela Texas, que o leitor interessado pode encontrar em artigo completo no site em MIC008, utilizando o microcontrolador MSP430

 

Carga inteligente com o MSP430.
Carga inteligente com o MSP430.

 

Veja que neste circuito, a corrente varia com o tempo no processo de carga completa.Seu funcionamento pode ser explicado da seguinte forma:

A capacidade de uma bateria é expressa como capacidade C, dada em mA-h. Por exemplo, uma bateria de 500 mAh tem uma taxa C de 500 mA. A correspondente da 1 C é 500 mA e a corrente de 0,1 C é de 50 mA.

Assim, levando em conta essa informação, a carga de uma bateria Li-Ion deve ser feita em três etapas:

 

* Carga lenta - uma pré-carga feita com uma corrente de 0,1 C.

* Carga rápida - uma carga com corrente constante feita com 1 C.

* Etapa de tensão constante

 

Durante a carga lenta, a bateria é carregada com uma corrente de 0,1 C. Isso vai ocorrer quando a bateria estiver com uma tensão menor do 2,5 V.

Algumas baterias de Nicad são recarregadas sem que haja necessidade de uma descarga completa, o que faz com que elas passem a apresentar o "efeito memória".

As baterias Li-Ion não têm esse problema, podendo ser totalmente carregadas antes de uma descarga total. Portanto, o procedimento de carga lenta raramente é empregado com esse tipo de bateria.

A carga rápida (com corrente constante e tensão constante) é a fase mais importante no processo com esse tipo de bateria. Muitas baterias Li-ion estarão plenamente carregadas com uma tensão de 4,1 V ou 4,2 V.

Assim, a bateria é carregada com corrente constante de 1 C até a tensão alcançar 4,1 V ou 4,2 V. O circuito mede continuamente a corrente de sensoriamento - a corrente num resistor sensor ligado em série (Rsense) ajustando o ciclo ativo do PWM com o Microcontrolador. Quando a tensão alcançar esse valor, o circuito passará a operar no modo de carga com tensão constante.

Quando isso acontece, o circuito passa a funcionar como uma fonte de tensão fixa de 4,1 V ou 4,2 V. Nesse ponto, a resistência interna da bateria começa a cair, o que exige uma compensação para manter a corrente abaixo de0,1 C.

Quando a bateria está completamente carregada, a maiort parte da energia será convertida em calor. Assim, uma sobrecarga pode causar um sobreaquecimento e até explosão. De qualquer forma, isso reduz a vida útil da bateria.

As baterias Li-Ion são extremamente sensíveis a sobrecarga, o que significa a necessidade de se controlar com precisão de 50 mA a tensão de 4,1 V ou 4,2 V do processo de recarga.

Alguns métodos permitem determinar quando uma bateria está completamente carregada. Esses métodos são:

* Durante o processo de carga com tensão constante, quando a corrente cai para 0,1 C a bateria se encontra completamente carregada.

* Determinar a temperatura da bateria de modo a se determinar quando começa a ocorrer o sobreaquecimento.

* Usar um método de temporização seguro. Quanto mais o tempo passar de um valor considerado ideal para a carga, a bateria poderá ser considerada completamente recarregada. (veja mais no artigo da Texas Instruments MIC008)

 

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