João Pedro Quintas Rodrigues Gestão inteligente da carga das baterias de um robô futebolista João Pedro Quintas Rodrigues novembro de 2011 UMinho | 2011 Gestão inteligente da carga das baterias de um robô futebolista Universidade do Minho Escola de Engenharia
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João Pedro Quintas Rodrigues
Gestão inteligente da carga dasbaterias de um robô futebolista
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
novembro de 2011
Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestreem Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor Agostinho Gil Lopes
João Pedro Quintas Rodrigues
Gestão inteligente da carga dasbaterias de um robô futebolista
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
iii
“There are no foolish questions and no man becomes a fool until he has stopped asking
questions”
Charles Proteus Steinmetz
iv
v
Agradecimentos
Existe um conjunto de pessoas às quais tenho de agradecer todo o apoio prestado para
a realização deste projecto, bem como na longa caminhada até chegar ao fim deste ciclo.
Em primeiro lugar tenho de agradecer aos meus pais pelo apoio prestado em todos os
anos da minha formação, foi um caminho longo e de esforço de todas as partes.
Ao meu tutor, o doutor Agostinho Gil Lopes, por todo o apoio e orientação prestados,
sempre confiando em mim, motivando-me e ajudando sempre com ideias novas e abordagens
diferentes.
Aos meus amigos e companheiros de curso pela sua amizade e companheirismo, em
especial o Avelino Ferreira, Sérgio Silva, Vitor Veiga, Rui Moreira, João Paulo Silva, Bruno Pereira,
João Costa, Rui Pereira, Merylin Santos, Miguel Sousa, Frederico Pereira, e José Vieira que com
as suas críticas construtivas e ideias me ajudaram neste caminho.
Por fim ao doutor António Fernando Ribeiro, principal responsável pela entrada no
Laboratório de Automação e Robótica e por ter integrado a equipa que participou na RoboCup
2011, Minho Team, bem como o Robótica 2010 e 2011.
A todos, o meu muito obrigado!
vi
vii
Resumo
Recentemente têm surgido no mercado um conjunto de baterias de alto rendimento,
capazes de amplas capacidades de descarga e de fornecer elevados picos de corrente com
elevados rácios de potência por volume e potência por peso. Estas novas baterias exigem um
plano de carga extremamente rigoroso, pois a sua esperança de vida e a segurança de quem as
manuseia depende em muito de como é carregada a bateria.
Com a renovação da equipa de robôs futebolistas da Universidade do Minho surgiu a
necessidade de se implementar um sistema de gestão da carga das baterias, pois as
actualmente utilizadas (LiPo – Lithium Polimer), são extremamente instáveis quando sujeitas a
descargas e/ou cargas descontroladas, que podem danificar as baterias e o robô.
A finalidade em que se insere este projecto consiste, assim, na implementação de um
sistema que inteligentemente faça a gestão da carga das baterias do robô futebolista. O sistema
funciona basicamente em dois modos: o modo gestão de carga e o modo de carregamento. A
transição para o modo de carregamento é ditado pela necessidade de carregamento das baterias
e estando o robô ligado à rede eléctrica. No modo gestão, o sistema recolhe dados da carga das
baterias e envia essa informação para o computador central do robô, para que este adapte o seu
comportamento de acordo com a carga disponível. Já no modo de carregamento, o sistema
utiliza a energia da rede eléctrica para carregar as baterias, implementando um rigoroso plano
de carga exigido pelas características das baterias, por forma a aumentar o tempo de vida das
mesmas.
Palavras chave: conversores de tensão, microcontroladores, controlo PID, PWM, ADC,
comunicação I2C, PCB, rectificadores, sensores.
viii
Abstract
Recently have appeared on the market a set of high performance batteries, capable of a
large discharge capacity and provide high peak currents with a high power by volume and power
by weight ratios. These new batteries require an extremely rigorous charge plan because their life
expectancy and the safety of those who handle them depends greatly how charged the battery is.
With the renewal of the University of Minho MSL robots arose the need to implement a
power management system for the batteries that are currently used, the LiPo batteries, are
extremely unstable when are subjected to uncontrolled discharges and/or uncontrolled charges,
than can damage the batteries and the robot.
The purpose in which appears this project is then to implement a system that intelligently
manages the battery power of a robot footballer. The system works basically in two modes: the
power management mode and the charging mode, the transition to the charging mode is dictated
by the need to charging the batteries while the robot are connected to power grid. In
management mode, the system collects the voltage information across the battery terminals,
using an ADC, after treating sends the information via I2C to the central computer of the robot so
that fits behaviors. In the charging mode, the system uses the energy from power grid to charge
the batteries, implementing a rigorous plan required by the charging characteristics of the
battery.
Keywords: voltage converters, microcontrollers, PID control, PWM, ADC, I2C communication,
PCB, rectifiers, sensors.
ix
Lista de acrónimos DC Direct Current
AC Alternating Current
I2C Inter Integrated Circuit
PIC Peripherical Interface Controller
LCD Liquid Cristal Display
V Volt
A Ampere
Ω Ohm
W Watt
Hz Hertz
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
LED Light Emitting Diode
FET Field Effector Transistor
SMD Surface Mount Technology
PWM Pulse With Modulation
ADC Analog to Digital Converter
MIPS Millions of Instructions Per Second
PCB Printed Circuit Board
RMS Root Mean Square
x
l Litro
s Segundo
h Hora
ºC Graus Celcius
Ah Ampere * hora
Wh Watt * hora
Wh/kg Relação energia/peso
Wh/l Relação energia/volume
W/kg Relação potência/peso
xi
Índice AGRADECIMENTOS ............................................................................................................................... V
RESUMO ............................................................................................................................................. VII
ABSTRACT .......................................................................................................................................... VIII
LISTA DE ACRÓNIMOS ...........................................................................................................................IX
FIGURA 1 – EXPLOSÃO DE UMA BATERIA LIPO [2] .................................................................................................... 3
FIGURA 2- BATERIA LIPO COM CÉLULAS DANIFICADAS [3] ......................................................................................... 3
FIGURA 3 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UMA BATERIA [6] ............................................................................... 5
FIGURA 4 - EXEMPLO DE USO DE FONTES ALTERNATIVAS PARA CARREGAMENTO DE BATERIAS [8] ...................................... 5
FIGURA 5 - EXEMPLO DE BATERIA DE ÁCIDO-CHUMBO [5] ........................................................................................ 8
FIGURA 6 - CURVA DE CARGA CARACTERÍSTICA [5] ................................................................................................... 9
FIGURA 7 - BATERIA DE ÁCIDO-CHUMBO APLICADO A UMA CADEIRA DE RODAS [5] ...................................................... 10
FIGURA 8 - ALGUNS MODELOS DE BATERIAS DE HIDRETO METÁLICO DE NÍQUEL ........................................................... 10
FIGURA 9 - EXEMPLO DE BATERIA DE LIPO [5]....................................................................................................... 12
FIGURA 10 - PROCESSO QUÍMICO NUMA BATERIA LIPO [5] ..................................................................................... 13
FIGURA 11 - PLANO DE CARGA MISTO [5] ............................................................................................................ 14
FIGURA 12 - CURVA DE DESCARGA [5] ................................................................................................................ 15
FIGURA 13 - PLANO DE CARGA [5] ...................................................................................................................... 16
FIGURA 14 - CARREGADOR HYPERION EOS1420I NET3 [11] .................................................................................. 17
FIGURA 15 - CARREGADOR HYPERION EOS0606I AD [12] .................................................................................... 18
FIGURA 16 - CARREGADOR HITEC X4 [15] ........................................................................................................... 20
FIGURA 18 - CARREGADOR ROBBE RB8541 [19] ................................................................................................. 21
FIGURA 19 - CARREGADOR ROBBE RB8553 [19] ................................................................................................. 22
FIGURA 20 - MODELO BÁSICO DE UM CONVERSOR DE TENSÃO ................................................................................. 25
FIGURA 21 - MODELO BÁSICO DE UM VARIADOR ELECTRÓNICO DE VELOCIDADE ........................................................... 26
FIGURA 22 - ESQUEMA BÁSICO DE UM TRANSFORMADOR ....................................................................................... 27
FIGURA 23 - NÚCLEO DE UM TRANSFORMADOR .................................................................................................... 27
FIGURA 24 - DIVISOR DE TENSÃO RESISTIVO .......................................................................................................... 29
FIGURA 25 - REFERÊNCIA DE TENSÃO COM ZENER [27] ........................................................................................... 30
FIGURA 26 - ESQUEMA DE LIGAÇÕES DE UM LM78XX ........................................................................................... 30
FIGURA 27 - TRANSFORMADOR DE ALTA FREQUÊNCIA USADO EM FONTES COMUTADAS ................................................. 31
FIGURA 28 - ESQUEMA BÁSICO DO CONVERSOR BUCK ............................................................................................ 32
FIGURA 29 - ESQUEMA DE LIGAÇÕES DO PTN78060W [33] .................................................................................. 33
FIGURA 30 - BUCK ON [21].............................................................................................................................. 33
FIGURA 31 - BUCK OFF [21] ............................................................................................................................ 33
FIGURA 32 - CONDUÇÃO CONTÍNUA [21] ............................................................................................................ 34
FIGURA 33 - CONDUÇÃO DESCONTÍNUA [21] ....................................................................................................... 34
FIGURA 34 - LIMIAR ENTRE A CONDUÇÃO CONTÍNUA E DESCONTÍNUA [21] ................................................................. 35
FIGURA 35 - EVOLUÇÃO DOS VALORES DE ILB [21] ................................................................................................ 35
FIGURA 36 - RIPPLE [21] .................................................................................................................................. 37
FIGURA 37 - CONVERSOR FORWARD ................................................................................................................... 38
FIGURA 38 - TOPOLOGIA BÁSICA DO TAPPED INDUCTOR BUCK [30] .......................................................................... 39
FIGURA 39 - RECTIFICADOR DE MEIA ONDA .......................................................................................................... 39
FIGURA 40 - FORMA DE ONDA DO RECTIFICADOR DE MEIA ONDA .............................................................................. 39
FIGURA 41 - RECTIFICADOR ............................................................................................................................... 40
FIGURA 42 - FORMA DE ONDA DE SAÍDA DO RECTIFICADOR ...................................................................................... 40
FIGURA 43 - RECTIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO ............................................................................................. 40
FIGURA 44 - FORMA DE ONDA DO RECTIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO ................................................................. 40
FIGURA 45 - DIGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA DE CONTROLO ............................................................................ 41
FIGURA 46 - EXEMPLO DE UM SISTEMA DE CONTROLO ANALÓGICO [38] ..................................................................... 42
FIGURA 47 - FLUXOGRAMA DE EXEMPLO .............................................................................................................. 43
xiv
FIGURA 48 - EXEMPLO DE RESPOSTA CONTROLO ON OFF ....................................................................................... 43
FIGURA 49 - DIAGRAMA DE BLOCOS DO CONTROLO PID [48] .................................................................................. 44
FIGURA 50 - RESPOSTAS DE UM SISTEMA A VÁRIOS VALORES DE KP [48] .................................................................... 45
FIGURA 51 - RESPOSTA DE UM SISTEMA COM CONTROLO P [47] .............................................................................. 46
FIGURA 52 - RESPOSTAS DE UM SISTEMA A VÁRIOS KI [48] ..................................................................................... 46
FIGURA 53 - RESPOSTAS DE UM SISTEMA A VÁRIOS KD [48] .................................................................................... 47
FIGURA 54 - TABELA RESUMIDA DOS EFEITOS DOS TERMOS NO CONTROLADOR PID [47] ............................................... 47
FIGURA 55 - RESPOSTA EM MALHA ABERTA DE UM SISTEMA [47] ............................................................................. 48
FIGURA 56 - PARÂMETROS DE ZEIGLER-NICHOLS E COHEN AND COON [47] ............................................................... 48
FIGURA 57 - SIMULAÇÃO DE RECTIFICADOR DE PONTE COMPLETA COM FILTRO CAPACITIVO ............................................ 51
FIGURA 58 - CIRCUITO SIMULADO ...................................................................................................................... 52
FIGURA 59 - RESULTADO DA SIMULAÇÃO ............................................................................................................. 52
FIGURA 60 - ESQUEMA DE UM DIMMER DE LUZ [59] .............................................................................................. 53
FIGURA 61 - FORMA DE ONDA RESULTANTE DO DIMMER [59] .................................................................................. 54
FIGURA 62 - CARACTERÍSTICA DO DIAC [59]......................................................................................................... 54
FIGURA 63 - STEP-DOWN CLÁSSICO .................................................................................................................... 55
FIGURA 64 - NOVA ABORDAGEM ........................................................................................................................ 55
FIGURA 65 - ESQUEMA DE LIGAÇÕES DO ASC713 [62] .......................................................................................... 57
FIGURA 66 - CURVA CARACTERÍSTICA DE RESPOSTA DO ASC713 [62] ....................................................................... 57
FIGURA 67 - PLACA DE TESTE DO ASC713 ........................................................................................................... 57
FIGURA 68 - PINOUT DO PIC18F4520 [63] ........................................................................................................ 58
FIGURA 69 - DIAGRAMA INTERNO DO DRIVER HCPL3120 [64] ............................................................................... 59
FIGURA 70 - ESQUEMA DE LIGAÇÕES DO DRIVER NO CONVERSOR .............................................................................. 59
FIGURA 71 - EXEMPLO DE SNUBBER RCD [65] ..................................................................................................... 60
FIGURA 72 - EVOLUÇÃO DA TENSÃO E CORRENTE COM E SEM SNUBBER EM UMA COMUTAÇÃO [35] ................................ 60
FIGURA 73 - BARRAMENTO I2C [69] .................................................................................................................. 61
FIGURA 74 - TRAMA PADRÃO DO I2C [69]........................................................................................................... 61
FIGURA 75 - ESQUEMA BÁSICO DE UM BALANCEADOR DE 4 CÉLULAS ......................................................................... 62
FIGURA 76 - BALANCEADOR USADO .................................................................................................................... 62
FIGURA 77 - DIAGRAMA DE BLOCOS DO HARDWARE [73] ........................................................................................ 63
FIGURA 78 - FLUXOGRAMA DO CÓDIGO NO ARDUINO ............................................................................................ 64
FIGURA 79 - TEMPO DE GERAÇÃO DE UM NOVO CICLO DE CÓDIGO (5 V/DIV E 20 µS/DIV) ............................................. 65
FIGURA 80 - FLUXOGRAMA DO ALGORITMO DE GESTÃO DE CARGA ............................................................................ 66
FIGURA 81 - CIRCUITO UTILIZADO ....................................................................................................................... 67
FIGURA 82 - ALGORITMO DETECÇÃO DE ENERGIA .................................................................................................. 67
FIGURA 83 - PLANO DE CARGA MISTO [5] ............................................................................................................ 68
FIGURA 84 - ALGORITMO PARA MODO CARGA ...................................................................................................... 69
FIGURA 85 - PLATAFORMA DE TESTES .................................................................................................................. 71
FIGURA 86 - ILUSTRAÇÃO DOS ELEMENTOS QUE DITAM A CORRENTE DO CIRCUITO ........................................................ 71
FIGURA 87 - SIMULAÇÃO DO CONVERSOR COM OS NOVOS VALORES DE L E C .............................................................. 73
FIGURA 88 - VALORES TENSÃO E CORRENTE OBTIDOS NO PRIMEIRO TESTE ................................................................. 74
FIGURA 89-VALORES TENSÃO E CORRENTE OBTIDOS NO SEGUNDO TESTE ................................................................... 75
FIGURA 90 - ESQUEMÁTICO EM EAGLE CAD DE TODO O SISTEMA ............................................................................. 84
1
1. Introdução Apesar de haver registos de que na antiguidade os egípcios teriam inventado algo
semelhante a uma bateria e que foram encontrados artefactos perto da capital do Iraque de um
vaso com vestígios de químicos que poderiam gerar energia eléctrica, a invenção da bateria está
atribuída a Alessandro Volta, inventor italiano, que no final do século XVIII apresenta ao mundo a
pilha de Volta construída em cobre e zinco [1].
Desde essa altura que surgem cada vez mais baterias de diferentes tecnologias por
forma a aumentar a autonomia das mesmas. Mas nem tudo são vantagens pois os químicos
presentes nas baterias de hoje em dia são extremamente instáveis (quando a tensão de célula
está fora da gama admissível) e requerem normas rigorosas de gestão da carga.
Actualmente é possível encontrar baterias em quase todo o tipo de aplicações desde o
telemóvel, computador portátil e mesmo em robôs. A informação sobre o estado das baterias é
essencial para um robô autónomo, pois necessita de adaptar os seus comportamentos para
poupança de energia e/ou dirigir-se para o local de recarga das mesmas.
Nos robôs futebolistas da Universidade do Minho, a informação sobre o estado de carga
das baterias será essencial para que o robô adapte uma táctica/estilo de jogo por forma a ter
energia até ao final do encontro. Para isso é essencial haver um sistema que seja capaz de
recolher a informação sobre a carga das baterias e que seja capaz de informar o computador
central sobre o estado das mesmas, sendo assim possível tomar decisões com base num maior
número de informações. Por fim, o sistema deve ser capaz de implementar um plano específico
de carregamento das baterias, com base nas suas características químicas e eléctricas, usando
como fonte a rede eléctrica. Este processo agiliza o carregamento das baterias pois não é
necessário remover partes do robô, retirar as mesmas e carrega-las externamente num
carregador, poupando tempo precioso que pode ser empregue noutras tarefas.
2
1.1. Objectivos Pretende-se, então, com este projecto criar um sistema de gestão da carga das baterias
de um robô futebolista, que tem como principais objectivos:
Desenvolver o hardware necessário para o carregamento de baterias
Integrar neste sistema o balanceamento das células das baterias para evitar desbalanceamentos que podem provocar avarias
Desenvolver e integrar no sistema uma gestão de carga das baterias existentes com o controlo da descarga e monitorização das mesmas
Fornecer ao computador de bordo o estado e quantidade de carga das baterias do robô
Como o espaço disponível no robô é diminuto, o sistema deverá ser o mais compacto possível.
Alimentação, se possível, pela rede eléctrica 110/230 V 60/50 Hz
1.2. Estrutura da tese Este documento encontra-se dividido em cinco capítulos. No capítulo 2 é feito um estudo
sobre o estado da arte actual de carregadores inteligentes de bateria, bem como uma revisão
sobre as principais tecnologias de baterias, e onde se definem os principais conceitos e as
características eléctricas inerentes a cada tecnologia.
No capítulo 3 é feito um estudo teórico dos vários blocos que constituem este projecto,
onde se incluem os conversores de tensão e as teorias de controlo mais comuns neste tipo de
aplicações. No capítulo 4 são apresentadas todas as etapas que levaram ao protótipo final do
carregador de baterias, com os problemas encontrados, soluções testadas e resultados obtidos
nas várias fases do projecto e com diferentes abordagens.
Por fim no capítulo 5 são apresentadas as conclusões deste projecto, bem como ideias
para trabalho futuro que podem contribuir para melhoramentos no protótipo apresentado.
3
2. Estado da arte Neste capítulo pretende-se fazer um levantamento dos principais sistemas de
carregamento de baterias com principal ênfase na tecnologia ácido-chumbo, Li-on, LiPO,
LiFePO4, NiCd e NiMH. Essas são as principais tecnologias em estudo de baterias para robôs
futebolistas. Um outro requisito prende-se ao facto dos carregadores puderem ser capazes de
inteligentemente gerir a carga das baterias para que as mesmas fiquem correctamente
carregadas e que a sua esperança de vida não seja diminuída.
Por fim foi dada preferência a carregadores modulares, ou seja, carregadores que
tivessem vários módulos para carregamento de outras tecnologias de baterias, este tipo de
carregadores são ainda mais raros e mais dispendiosos.
2.1. Introdução Pelo levantamento efectuado foi possível constatar que o maior impulsionador deste tipo
de carregadores inteligentes são as empresas de modelismo, pois os seus produtos, como
carros telecomandados, utilizam este tipo de tecnologia de baterias com as voltagens e correntes
usadas no caso em análise.
Cada empresa desenvolve o seu carregador inteligente em conformidade com as
características da bateria que irá fornecer, tal como também desenvolve a sua própria bateria de
acordo com o produto que produz, que faz com que existam vários modelos de carregadores de
baterias no mercado. Esses carregadores são, normalmente, limitados à tecnologia existente no
produto que a empresa produz ou vende. A sua aplicação em baterias de outro tipo com
configurações diferentes poderá ser impossível, sendo na maioria dos casos difícil. Isto deve-se
ao facto de o seu regime de carga ser inapropriado à bateria podendo provocar explosões, com a
consequente libertação de gases tóxicos, etc., tal como se pode ver na Figura 1 e Figura 2.
Figura 1 – Explosão de uma bateria LiPo [2]
Figura 2- Bateria LiPo com células danificadas [3]
4
Por outro lado, existem empresas dedicadas ou subsidiarias das empresas de
modelismo, que desenvolvem carregadores inteligentes de baterias modulares por famílias de
tecnologia de baterias, como por exemplo carregadores para Li+ que são para a família de
carregadores de baterias de lítio (Li-on, LiPO, LiFePO4, …) e também carregadores mais
universais que dispõem de várias saídas para as varias tecnologias que suporta, normalmente
estes dispositivos conseguem carregar várias baterias em simultâneo e tem balanceadores
dedicados a cada bateria em carga, que permite que o carregamento de cada bateria seja
independente do carregamento das outras baterias que estão simultaneamente em
carregamento.
Em relação à preservação das baterias em armazenamento existem tecnologias que
necessitam de estar a uma determinada carga (por vezes a 70%), com isso é maximizada a
esperança de vida das próprias baterias. Com esta problemática muitos dos carregadores
analisados também tem a função de descarregar as baterias, de forma controlada.
Nos próximos tópicos são apresentados alguns carregadores com características
idênticas ao carregador em desenvolvimento nesta dissertação.
2.2. Revisão bibliográfica de baterias Neste tópico serão abordados aspectos considerados essenciais para quem lida com
baterias da família do chumbo, lítio e níquel. Esse suporte teórico torna-se fundamental na
medida em que estas baterias são extremamente instáveis com um uso incorrecto.
2.2.1. Introdução Uma bateria é um dispositivo armazenador de energia, com mais ou menos tecnologia,
que recorre a reacções químicas para armazenar a energia eléctrica que lhe é fornecida, e que
pelas reacções químicas inversas é capaz de fornecer energia eléctrica. Encontram-se em
grande expansão pois com os avanços tecnológicos actuais como: telemóveis, computadores
portáteis, UPS, veículos eléctricos, etc e robôs [4].
De forma geral, uma bateria é composta por células electroquímicas que podem ser
associadas de várias formas (série ou paralelo), como mais à frente será explicado, em que é
nessas células que se encontra um ou mais elementos químicos que associados a ânodos e
cátodos são capazes de armazenar energia, como se pode ver na Figura 3. Assim, é possível ver
5
uma bateria como uma célula onde ocorrem reacções químicas que transformam a energia
armazenada em forma química em energia electrica [5].
Figura 3 - Princípio de funcionamento de uma bateria [6]
Os principais desafios actuais com as baterias prendem-se com o aumento da sua
autonomia e longevidade ao mesmo tempo que o seu volume e peso são reduzidos e novas
formas rápidas e eficientes de as carregar. Existem grandes impulsionadores dessas tecnologias
e desenvolvimentos e cada vez mais investimentos nessas áreas pois o mundo tenta libertar-se
da dependência dos combustíveis fósseis, isso exige que seja possível extrair energia de fontes
renováveis e conseguir armazenar a energia de forma eficiente. Um exemplo disso é um
semáforo que dispõe de um painel fotovoltaico, como se pode ver na Figura 4, que durante os
períodos em que o sol lhe incide, transforma a energia solar em energia eléctrica, distribuindo
parte da energia para o funcionamento do próprio semáforo e uma outra parte para carregar
baterias para um funcionamento nocturno. [7]
Figura 4 - Exemplo de uso de fontes alternativas para carregamento de baterias [8]
6
Actualmente, existe um grande número de tipos de baterias com diferentes
características que estão adaptadas a várias funções para as quais são necessárias, como são
os casos das baterias de lítio, acido chumbo, polímero de lítio, níquel cadmio, etc.
Nesta revisão bibliográfica serão abordados os aspectos mais relevantes das baterias
existentes, a nível de tecnologia empregue, métodos de carga, sistemas de segurança ou
cuidados a ter, algumas aplicações, etc.
2.2.2. Conceitos gerais sobre baterias [5] Neste tópico são definidos alguns termos essenciais para se falar sobre baterias, esses
termos são referidos durante a dissertação e para melhor entendimento, são aqui explicados e
definidos.
Bateria: segundo vários dicionários, entende-se como uma bateria um conjunto de uma
ou mais células ligadas em conjunto para fornecer corrente eléctrica, com determinada diferença
de potencial, ao dispositivo que lhe esta conectado.
Célula: uma célula electroquímica é um dispositivo capaz de obter energia eléctrica
através de reacções químicas (descarga da bateria) e facilitar reacções químicas através de
energia eléctrica (carga da bateria). Uma bateria é composta por um número de células
associadas em série ou em paralelo de forma a obter as características pretendidas.
Nomenclatura das células: como foi dito anteriormente, as células podem estar
associadas em série ou paralelo ou um misto entre série e paralelo numa bateria, mas como
normalmente essas associações não são facilmente visíveis, existe uma nomenclatura para se
saber que tipo de associações de células constituem as baterias. Essa informação é essencial
para se planear o carregamento da bateria pois fornece informações sobre tensões nominais e
correntes máximas. Então a associação em série é expressa por “nS” onde “n” é o número de
células em série “S”, por exemplo “3S” indica que a bateria é composta por 3 células em série.
A associação em paralelo é expressa por “nP” onde “n” é o número de células em paralelo “P”,
por exemplo “3P” incida que a bateria é composta por 3 células em paralelo. Por fim associação
mista é uma junção das duas associações anteriores, ou seja, é expressa por “nS nP”, por
exemplo “3S 3P” indica que a bateria é composta por 3 paralelos de 3 células em série.
7
Capacidade nominal: indica a capacidade que a célula ou bateria consegue
armazenar. Normalmente é expressa em “mAh”. A capacidade nominal de uma bateria é
designada de “1C”.
Capacidade máxima de descarga: indica a máxima capacidade de descarga em
relação à capacidade nominal, é conhecida por descarga “burst”, normalmente ocorre por
curtos períodos de tempo, pois pode danificar a bateria. Normalmente expressa em “nC” onde
“n” é o valor que multiplicado pela capacidade “C” indica a máxima corrente de descarga.
Tensão nominal da célula: é a tensão de referência da célula ou a tensão normal da
bateria. Esta tensão é a tensão aos terminais da bateria quando a mesma se encontra em carga.
Tensão máxima (em aberto): é a tensão aos terminais da bateria quando esta não
está em carga ou então é a tensão máxima a que a bateria em fase de carregamento da mesma.
Esta tensão é sempre superior à tensão nominal.
Tensão de descarga mínima (Cut-off): é a tensão mínima a que a bateria pode
descarregar sem danificar as suas características químicas, quando esta tensão é atingida diz-se
que a bateria está completamente descarregada.
Profundidade de descarga: a profundidade de descarga é a quantidade,
normalmente em percentagem, que a bateria pode atingir sem se danificar, ou seja, até atingir a
tensão de descarga mínima.
Tempo de vida: entende-se como o número de ciclos de carga ou descarga que a
bateria pode suportar a manter as suas características. Após esse número de ciclos a bateria
começa a perder as suas qualidades.
Efeito de memória: é algo que não é muito consensual, mas tecnicamente não existe
efeito de memória, o que na realidade existe é uma depleção de tensão devido às sucessivas
cargas e descargas das baterias. Esse efeito pode ser revertido fazendo um “reset” ao hardware
que controla a descarga da bateria, existe aparelhos que fazem isso automaticamente, mas
também é possível fazendo algumas descargas e cargas completas.
8
2.2.3. Baterias Nesta secção pretende-se apresentar as baterias mais comuns que se pode encontrar no
mercado. Os aspectos principais a ser apresentados são: as características eléctricas, formas de
carregamento e formas de conservação das mesmas.
2.2.3.1. Ácido-chumbo:
Inventada em 1859 é o primeiro tipo de baterias recarregáveis a ser inventado e ainda
nos dias de hoje desempenham um importante papel. Existem dois tipos de baterias de ácido-
chumbo, as VRLA e as SLA, em que a única diferença entre as duas é que VRLA têm uma
válvula de escape por causa dos gases acumulados pelas reacções químicas [5] [9].
Figura 5 - Exemplo de bateria de Ácido-Chumbo [5]
Esta tecnologia destaca-se por ter baterias de grande volume e de grande peso em
relação à energia que conseguem fornecer, (30 a 40 Wh/kg e 60 a 75 Wh/l), mas de grande
potência instantânea em relação ao seu peso (180 W/kg), ou seja é capaz de fornecer grandes
correntes por curtos espaços de tempo [5] [9].
Este tipo de bateria normalmente apresenta-se com 6 células em série (6S), cada célula
tem 2 V de tensão nominal mas que pode ir de 2,4 V quando carregada e 1,75 V quando
descarregada, ou seja, de tensão nominal 12 V tensão máxima 14,4 V e tensão mínima de
10,5 V. Quanto à corrente debitada esta tecnologia é capaz de debitar de 0,2 Ah a alguns
milhares de Ah dependendo da versão da bateria. Esta tecnologia tem ainda uma profundidade
de descarga na ordem dos 20% a 50%, dependendo do que o fabricante afirma.
9
Quanto ao método de carregar este tipo de baterias existem 4 formas que são: uma por
tensão constante onde é aplicada uma tensão constante à bateria até que esta se carregue
totalmente com limite de corrente para que não se danifique a bateria, outra por corrente
constante onde são aplicados vários níveis de corrente à bateria mediante a forma da corrente
no processo de carga da bateria, por uma combinação de corrente constante e tensão constante
como na Figura 6, onde basicamente se faz um estágio inicial em corrente constante e um
estágio final em tensão constante e, por fim, uma corrente pulsada onde são aplicados pulsos de
corrente durante o carregamento de amplitudes variadas e períodos variáveis.
Figura 6 - Curva de carga característica [5]
As baterias de chumbo-ácido sofrem de um fenómeno de auto descarga pois as
reacções químicas continuam a acontecer mesmo quando a bateria está em vazio, fazendo com
que a bateria perca cerca de 5% da sua capacidade por mês a uma temperatura de 25ºC.
Quanto a efeitos de memória, esta tecnologia tem no máximo uma deterioração dos eléctrodos ,
o que baixa a eficiência da própria bateria.
Os perigos deste tipo de bateria são: os gases tóxicos, a possibilidade de explosão e
ácido corrosivo. O tempo de vida destas baterias está limitado a cerca de 200 a 300 ciclos de
carga e descarga, em períodos longos de inactividade deve a bateria estar em locais secos e
frescos com cerca de 70% da carga. Quanto às aplicações mais comuns destas baterias
destacam-se aplicações que exijam picos de correntes em curtos períodos de tempo, onde o
peso e o volume não são preocupação e para aplicações de baixo custo. Estas são encontradas
em automóveis, Scooters eléctricas, bicicletas eléctricas, UPS, cadeiras de rodas, iluminação de
emergência e alarmes.
10
Em termos ecológicos, estas baterias quando correctamente encaminhadas para as
entidades certificadas praticamente não poluem, pois é reciclável a 95% nos ácidos, chumbo,
plástico e metais dos eléctrodos. Quando incorrectamente encaminhadas são extremamente
nocivas para o ambiente, pois pequenas quantidades dos ácidos e dos metais pesados poluem
grandes quantidades de solos e lençóis de água.
Figura 7 - Bateria de Ácido-Chumbo aplicado a uma cadeira de rodas [5]
2.2.3.2. Hidreto metálico de níquel [5]
Este tipo de bateria, da Figura 8, recarregável surgiu no mercado no ano de 1989 para
pequenas aplicações electrónicas como: camaras fotográficas e telemóveis. É uma evolução da
bateria de níquel hidrogénio de 1970. Para a sua invenção contribuiu em grande parte a
empresa Philips e o trabalho do Dr. Masahiko Oshitani do GS Yuasa Company [5] [10].
Figura 8 - Alguns modelos de baterias de Hidreto metálico de níquel
11
Destacam-se como baterias com altos rácios de energia por tamanho (na ordem dos
140 a 300 Wh/L) e de energia por peso (na ordem dos 60 a 120 Wh/kg). Tem uma enorme
profundidade de descarga na ordem dos 99%, o que permite que esta bateria seja ideal para
usos relativamente prolongados. Tem uma tensão nominal por célula de 1,2 V, sendo que tem
como valor mínimo 0,9 V e como valor máximo 1,5 V e uma capacidade nominal da ordem dos
250 mAh a 10000 mAh.
O fenómeno de auto descarga é um problema neste tipo baterias. É variável sendo que
nas primeiras 24 h se situa entre 5 a10% e após as 24h situa-se entre 0.5 a 1% à temperatura
ambiente, o que não permite a sua utilização e ou armazenamentos muito prolongados. O efeito
de memória neste tipo de baterias é visto como uma depleção de tensão, que normalmente
existe nas baterias de níquel e consiste na perda progressiva de tensão podendo ser facilmente
revertida com uma descarga completa seguida de uma carga completa.
Quanto ao método de carga deste tipo de baterias deve ser um método rápido pois um
método lento de carga forma uma cristalina nos eléctrodos da bateria, levando-a que esta perca
propriedades ou danificando-a. Após a sua carga completa, a bateria deve de ser desligada do
carregador pois a bateria degrada-se se continuar a receber uma carga residual para a manter
sempre a 100%, o que lhe pode provocar uma sobrecarga que não é muito bem tolerada por
esta tecnologia. Este tipo de bateria tem uma esperança média de vida na ordem dos 300 a 500
ciclos de carga e devem de ser armazenadas num local fresco a 40% da sua carga. Para longos
períodos de inactividade, antes da sua utilização, a bateria deverá ser preparada com um plano
de carga específico que os carregadores deste tipo de baterias têm.
Quanto à sua reciclagem, estas baterias são muito amigas do ambiente pois há
empresas que conseguem recuperar grande parte dos químicos para produção de novas
baterias.
12
2.2.3.3. Polímero de lítio [5]
As baterias de iões de lítio, na Figura 9, são uma tecnologia com perto de 100 anos de
existência, uma vez que os primeiros testes com este tipo de tecnologia remontam ao ano de
1912 pelo físico e químico Gilbert Newton Lewis, mas só nos anos 70 do século XX é que foi
possível obter alguns resultados satisfatórios com esta tecnologia. No ano de 1991 a Sony
começa a vender este tipo de bateria em grande escala.
Figura 9 - Exemplo de bateria de LiPo [5]
Já a bateria de polímero de lítio é uma tecnologia que aparece em 1996 como uma
evolução da tecnologia de iões de lítio. Este tipo de bateria, apesar de não ser das mais baratas
no mercado, é uma das baterias com maior aceitação pelas suas qualidades na relação
qualidade/preço, tendo uma grande profundidade de descarga e a capacidade de fornecer
grandes correntes e variados níveis de tensão, bastando para isso jogar com a disposição das
células, e a sua capacidade quase infinita de cargas e descargas.
Este tipo de baterias é muito comum em aplicações de modelismo, sendo essa uma das
maiores aplicações deste tipo de baterias, também podem ser encontradas em baterias de
computadores portáteis, telemóveis, etc e também podem ser encontradas em aplicações de
robótica, como por exemplo, os robots futebolistas da Universidade do Minho.
Uma outra vantagem muito importante destas baterias, quer em termos económicos e
quer em termos ambientais, é a sua possibilidade de grande parte dos seus compostos serem
reciclados, existindo para o efeito enumeras empresas certificadas para realizar essa tarefa.
13
O processo químico que ocorre neste tipo de bateria pode ser visto na Figura 10, e é
idêntico ao que ocorre nas baterias de iões de lítio onde uma célula contém dois eléctrodos e um
separador. No interior ao ocorrer o processo químico há troca de iões entre os eléctrodos
separados pelo separador que é condutor eléctrico, e se para se aumentar a sua condutividade
é-lhe aplicado uns electrólitos de gel. O eléctrodo é feito de um polímero não condutor, apenas
capaz de trocar iões.
Figura 10 - Processo químico numa bateria LiPo [5]
Cada célula de uma bateria de iões de lítio tem uma tensão nominal de 3,7 V, mas é
capaz de manter todas as suas qualidades entre 3 V de tensão mínima e 4,2 V de tensão
máxima, para além desses valores a célula ficará danificada reduzindo a sua esperança média
de vida. Actualmente existem baterias com capacidades nominais de entre 100 mAh e
8000 mAh, com uma profundidade de descarga de cerca de 80%, mas com o cuidado de que a
tensão nunca poderá ser inferior a 3 V e uma eficiência de carga e descarga na ordem dos 98%.
Esta tecnologia, tal como todas as outras existentes, sofre de um fenómeno de auto
descarga de cerca de 1 a 5% por mês. Tem um rácio de quantidade de energia por volume
muito grande, na ordem dos 300 Wh/l, tal como no rácio de energia pelo peso na ordem dos
200 Wh/kg.
As baterias deste tipo exigem rigorosos e extremamente controlados planos de carga,
uma vez que existem vários factores a controlar e que uma falha pode levar à destruição da
bateria ou causar danos em materiais que estejam perto. Essencialmente, existem 3 tipos de
planos de carga para este tipo de bateria, sendo eles: tensão constante, corrente constante e
misto entre corrente constante e tensão constante.
14
Tensão constante: é o método mais simples de carregar baterias, consiste
basicamente ligar a bateria a uma fonte de tensão DC à tensão da célula (ou conjunto delas).
Este método é muito usado em baterias de ácido chumbo, pois estas não requerem tanta
segurança. A ser usado este método em baterias LiPo é necessário ter um controlo especial
sobre a corrente aplicada para não ultrapassar 1C (ou 0,7C) e um controlo de temperatura da
bateria.
Corrente constante: é um método idêntico ao anterior com a diferença de aplicar de
forma constante a corrente nominal da bateria com uma fonte de tensão variável de forma que a
corrente se mantenha constante. Este método, para as baterias de LiPo, não é muito
aconselhado, uma vez que para se manter uma corrente constante na bateria talvez seja
necessário exceder os valores padrão de tensão para a bateria.
Misto: este método, presente na Figura 11, consiste em aplicar um misto de corrente
constante e de tensão constante à bateria, este método depende de quão descarregada se
encontra a bateria. Se a bateria estiver muito descarregada é aplicado um estágio inicial de
corrente constante a cerca de 1/5 C até a célula atingir um valor de tensão mínimo, após esse
estágio inicia-se um outro estágio de corrente constante mas a um valor de 1C (ou de 0,7C) em
que vai carregar a bateria até cerca de 80% da sua carga, a partir desse valor a tensão encontra-
se no seu valor máximo e inicia-se um estágio final de tensão constante (no valor de tensão
máximo) e a corrente irá naturalmente baixar até atingir um valor de 1/10C onde a bateria já se
encontra praticamente carregada, como pode ser visto na Figura 11.
Figura 11 - Plano de carga misto [5]
15
2.2.3.4. Lítio Fosfato de Ferro [5]
Desenvolvida por investigadores da universidade do Texas em 1996, as baterias
LiFePO4 aparecem no mercado apenas em 2006 e são uma evolução das baterias de iões de
lítio e de polímero de lítio. Destacam-se pelo seu custo reduzido, estabilidade e são mais
ecológicas em relação às de polímero de lítio.
Tem como tensão nominal por célula de 3,3 V ou 3,0 V em alguns modelos mais antigos
e podem oscilar entre uma tensão mínima de 2,0 V e máxima de 3,6 V com possibilidade de ir
aos 4,0 V sem danificar a célula. Esta tecnologia pode atingir uns impressionantes 20000 mAh
de capacidade nominal, sendo muito superior às outras tecnologias derivadas do lítio. Tem um
fenómeno de auto descarga na ordem do 1% ao mês, sendo este um valor bem reduzido que
possibilita armazenamentos por longos períodos. Destacam-se ainda por dispor de uma enorme
profundidade de descarga de praticamente 100% a 2,0 V, sendo que não tem qualquer efeito de
memória associado à sua utilização, como se pode ver na Figura 12.
Figura 12 - Curva de descarga [5]
As baterias LiFePO4 apresentam grandes rácios de energia por peso e energia por
volume na ordem dos 155 Wh/kg e 220 Wh/l respectivamente.
Quanto à forma de carregamento, este deve de respeitar o plano que se pode ver na
Figura 13, que dependendo do estado de carga da bateria o carregador deve de ajustar a forma
de carregamento. Este plano é idêntico ao descrito para as baterias de polímero de lítio no plano
misto entre corrente constante e tensão constante.
16
Figura 13 - Plano de carga [5]
Essencialmente este plano divide-se em três fases fundamentais que são: a pré carga, a
carga rápida corrente constante e a carga tensão constante.
O primeiro estágio é utilizado quando a bateria se encontra com uma tensão inferior a
0,7 V (muito descarregada) e serve como forma de teste à bateria para saber se se encontra
danificada ou não, como é muito sensível o carregamento com a batera neste estado é utilizada
uma forma de carregamento em corrente constante mas a um valor de cerca de 1/5 C, por
forma a elevar gradualmente a tensão da célula. Após a tensão atingir 0,7 V o carregador deve
de implementar um carregamento em corrente constante com um valor alto, até 10C, por forma
a carregar a célula. Quando esta atingir a tensão de 3,6 V a bateria estará quase carregada
passando então para o estagio final em que o carregador tem de garantir a tensão de 3,6 V na
célula e a corrente naturalmente irá diminuir até atingir um valor residual, que se situa por volta
de 1/10 C, nessa altura a bateria estará praticamente carregada finalizando-se o processo.
Quanto ao tempo de vida deste tipo de baterias está estimado em mais de 2000 ciclos
de carga e descarga com uma eficiência de 98%. Devido aos compostos de fosfatos presentes na
química da bateria não há risco de explosões da mesma por mau uso ou sobrecargas, pois
permite que não haja produção de gases inflamáveis como o hidrogénio. Por fim quando se
pretende armazenar estas baterias por longos períodos de tempo deverão estar com o máximo
de tensão possível, para que não haja degradação dos elementos químicos presentes no seu
interior.
17
2.3. Carregadores de baterias Neste tópico pretende-se apresentar o levantamento das principais características de
alguns tipos de carregadores de baterias existentes no mercado.
2.3.1. Hyperion EOS 1420i net3 [11] A Hyperion é uma empresa que se dedica ao desenvolvimento e venda de equipamentos
para veículos de modelismo como: rodas, motores, servos, baterias e carregadores, etc.
O EOS 1420i net3, presente Figura 14, é um carregador inteligente de baterias da
empresa Hyperion. Este carregador tem capacidade de carregar baterias dos tipos LiPO (1 a
14S), LiFePO4 (1 a 14S) e NiMH (1 a 14S) mas só dispõe de uma saída, ou seja, só carrega
uma bateria de cada vez. É necessário introduzir o tipo de bateria e as características da
mesma, antes de iniciar o carregamento requerendo uma atenção especial do utilizador para
não se enganar na introdução dos parâmetros.
Figura 14 - Carregador Hyperion EOS1420i net3 [11]
Este carregador tem duas formas fundamentais de funcionamento, o charge mode e o
discharge mode, ou seja, este carregador tem a capacidade de carregar e descarregar baterias
de forma inteligente e completamente controlada. Dispõe ainda da capacidade de carregamento
rápido de baterias até a uma cadência de 4C numa bateria de 6S a 5000 mAh (exemplo).
18
A alimentação deste carregador é DC de 11 V a 28 V (ou AC 230 V), tem uma corrente
máxima de saída na ordem dos 20 A a 550 W de potência (com 28 V) em charge mode e 10 A a
80 W em discharge mode. Possui 2 balanceadores em série de até 7S de 12bits de resolução
cada. Dispõe ainda de um sistema de registo total de todo o processo de carregamento da
bateria em memória interna, sendo possível depois transferir esses dados via USB para um
computador que permite fazer uma análise detalhada de todo o processo.
Possui um display LCD onde é apresentada a informação em tempo real do processo de
carregamento como a corrente em mAh, voltagem aplicada à bateria, temperatura (se tiver o
sensor de temperatura, que é vendido à parte) e estado do processo. Junto ao display tem uma
série de teclas para se navegar nos menus de configuração do processo de carregamento onde
se parametriza o tipo de bateria, corrente nominal da mesma, distribuição das células e modos
de carregamento.
Este dipositivo é capaz de se conectar em série com outro dispositivo idêntico que
permite duplicar a capacidade do carregador inteligente (1100 W, 20 A em charge mode e
160W, 10 A discharge mode).
2.3.2. Hyperion EOS 0606i AD [12] [13] O EOS 0606i AD, presente na Figura 15, é um carregador inteligente de baterias da
Hyperion. Este é o carregador que actualmente é usado no LAR (Laboratório de Automação e
Robótica) para o carregamento das baterias LiPO 3S de 5000 mAh dos robôs futebolistas.
Figura 15 - Carregador Hyperion EOS0606i AD [12]
19
Com este carregador é possível carregar ou descarregar baterias LiPO (1S a 6S),
LiFePO4/A123 (1S a 6S), NiCd e NiMH (1S a 14S) e ácido-chumbo (1S a 6S). Este carregador
só dispõe de uma entrada e de um balanceador, pelo que apenas é possível
carregar/descarregar uma bateria de cada vez. Como a saída é a mesma, requer que o
utilizador tenha atenção especial em introduzir correctamente os parâmetros da bateria para que
não ocorra algo que a danifique.
Para a alimentação deste carregador é necessário uma fonte AC de 110 V/230 V
60 Hz/50 Hz ou então uma fonte DC de 11 V a 15 V, sendo que debita no máximo 6 A, 50 W.
Dispõe de um adaptador JST-XH 2S-6S para conectar a bateria ao balanceador LBA10. Tem
ainda um modo cycling para as baterias NiCd e NiMH, para aumentar a longevidade deste tipo
de baterias, promovendo ciclos de descargas e cargas completas.
Possui um display LCD onde é apresentada a informação em tempo real do processo de
carregamento como a corrente em mAh, voltagem aplicada à bateria, temperatura (se tiver o
sensor, que é vendido à parte) e estado do processo. Junto ao display tem uma série de teclas
para se navegar nos menus de configuração do processo de carregamento, onde se parametriza
o tipo de bateria, corrente nominal da mesma, distribuição das células e modos de
carregamento. Toda esta informação fica guardada numa memória interna que pode ser
descarregada via USB para um computador para posterior análise.
Por fim, segundo o fabricante, este carregador não tem tanta eficiência quando está a
carregar baterias LiPO de 4S a 6S, por causa de estar limitado a 50 W de potência de saída.
2.3.3. Hitec X4 Multi-Charger [14] [15] A Hitec é uma empresa que se dedica ao desenvolvimento e venda de equipamentos
para veículos de modelismo como: rodas, motores, servos, baterias e carregadores, comandos
RF, etc.
O X4 Multi-Charger, presente na Figura 16, é um carregador inteligente de baterias da
Hitec. Este carregador é capaz de carregar até 4 baterias em simultâneo de 1S a 6S dos tipos Li-
On, LiPO, LiFePO4/A123, de 1S a 10S do tipo ácido-chumbo e de 1S a 15S do tipo NiCd e
NiMH. Cada bateria conectada tem um balanceador individual para um melhor controlo da carga
da própria bateria aumentando assim a sua longevidade.
20
Figura 16 - Carregador Hitec X4 [15]
Este carregador necessita de uma alimentação de 11 a 15 V DC e debita no máximo
20 A, é de 50 W em cada saída pelo que no total é um carregador de 200 W em máxima carga.
Tem um sistema de arrefecimento a ar com ventoinhas de velocidade controlada, um
sistema próprio de gestão do carregamento de baterias, não faz descargas nem ciclos de
descarga e carga, tem a capacidade de usar conectores JST-XH e é um modelo compacto para
as suas capacidades.
2.3.4. Revolectrix CellPro PowerLab 8 V2 [16] [17] [18] A Revolectrix é uma empresa que se dedica ao desenvolvimento e venda de produtos
como: carregadores de baterias, fontes de alimentação, acessórios de modelismo, motores DC,
estabilizadores de voo, etc.
O CellPro PowerLab 8 V2, presente na Figura 17, é um carregador inteligente de
baterias da Revolectrix. Este carregador é capaz de carregar apenas uma bateria de cada vez (se
bem que tem a capacidade de carregar 2 baterias do mesmo tipo, até 6S cada bateria utilizando
o adaptador TP/PQ 6S em paralelo, mas apenas em carregamento lento), de 1S a 8S de
baterias LiPO, Li-On, LiFePO4/A123 e Li-MnO2, 1S a 21S de baterias do tipo NiMH e NiCd e
baterias de ácido chumbo até 24 V.
21
Figura 17 - Carregador Revolectrix CellPro PowerLab 8 V2 [17]
Para alimentação este carregador necessita de 12 V a 24 V DC (516 W a 1000 W) e tem
a capacidade de debitar 10 mA a 30 A (charge mode) e 10 mA a 10 A (discharge mode).
Possui a capacidade de registar todos os dados em tempo real e de os guardar em
memória, depois é capaz de os transferir via USB para um computador com software próprio,
que também permite configurar o próprio carregador.
2.3.5. Robbe RB8541 [19] A Robbe é uma empresa alemã fundada em 1924 que actualmente se dedica a produzir
modelos de carros, aviões, helicópteros, etc, componentes para veículos e carregadores para as
baterias.
O RB8541, presente na Figura 18, é um carregador inteligente de baterias da Robbe.
Este carregador é capaz de carregar/descarregar 3 baterias de forma independente. Os tipos de
baterias aceites por este carregador são: de 1S a 6S de Li-On, LiPO e LiFePO4 (máx. 9,9Ah), 1S
a 14S de NiCd e NiMH (máx. 9,9 Ah) e 1S a 6S de ácido-chumbo (máx. 20 Ah).
Figura 18 - Carregador Robbe RB8541 [19]
22
Para alimentação do carregador é necessário 12 V DC ou 230 V AC 50 Hz, e é capaz de
debitar entre 0.1 e 5 A por cada módulo.
Dispõe de balanceadores individuais para cada módulo do carregador, um LCD para
monitorizar todo o processo, capacidade de guardar a informação dos últimos 10 carregamentos
e de os enviar por USB para um computador, conectores JST-XH, resolução até 3 casas
decimais e um sistema de protecção para incorrectas configurações que permite parar o sistema
se o carregador identificar uma tecnologia de bateria diferente da parametrizada.
2.3.6. Robbe RB8553 [19] O RB8553, presente na Figura 19, é um carregador inteligente de baterias da Robbe.
Este carregador é capaz de carregar ou descarregar apenas 1 bateria (2 se for em paralelo, o
que obriga que as baterias sejam iguais). Aceita baterias de 1S a 8S de LiPO, Li-On e LiFePO4,
1S a 24S de NiCd e NiMH e 1S a 12S de ácido-chumbo.
Figura 19 - Carregador Robbe RB8553 [19]
Para alimentação do carregador é necessário 10 a 15 V DC ou 230 V AC 50 Hz e é
capaz de debitar de 0.1 a 6.5 A, 110 W.
Dispõe de balanceadores com equalizadores integrais para diminuir o tempo de carga
das baterias Li+, conectores JST-XH, LCD e Keypad intuitivo, fan de velocidade controlada,
capacidade de armazenar dados e enviar por USB para um computador, BID system (tecnologia
da Robbe para parametrizar os processos por computador) e pesa apenas 750 g.
23
2.3.7. Tabela comparativa e análise dos dados Resumidamente as informações mais relevantes sobre os carregadores analisados
podem ser encontradas na Tabela 1. Nesta tabela podem ser consultadas as tecnologias que
cada carregador suporta, quantas células podem ser carregadas, correntes máximas, número de
baterias que podem ser carregadas em simultâneo e se tem opção de descarga de baterias.
Tabela 1 - Tabela comparativa dos carregadores analisados
Dispositivo 1 2 3 4 5 6
Li-on/nS X 1S a 6S 1S a 6S 1S a 8S 1S a 6S 1S a 24S
LiPO/nS 1S a 14S 1S a 6S 1S a 6S 1S a 8S 1S a 6S 1S a 8S
LiFePO4/nS 1S a 14S 1S a 6S 1S a 6S 1S a 8S 1S a 6S 1S a 24S
NiCd/nS X 1S a 14S 1S a 15S 1S a 21S 1S a 14S 1S a 12S
NiMH/nS 1S a 14S 1S a 14S 1S a 15S 1S a 21S 1S a 14S 1S a 12S
Pb/nS X 1S a 6S 1s a 10S 1S a 6S 1S a 6S 1S a 12S
Vin 230VAC/28VD
C 230VAC/15VD
C 230VAC/15VD
C 230VAC/24VD
C 230VAC/12VD
C 230VAC/15VD
C
Iout máx. 20A 6A 20A 30A 3x5A 6.5A
W máx. 550W 50W 200W 360W 240W 110W
USB X Sim X Sim Sim Sim
saídas 1 1 4 2 3 1
discharge Sim Sim Sim Sim (max 10A) Sim Sim
balanceadores
Sim Sim Sim Sim Sim Sim
Preço 143€ 90€ 90€ 211€ 233€ 142€
Legenda: (1) EOS 1420i net3, (2) EOS 0606i AD, (3) X4 Multi-Charger, (4) CellPro PowerLab 8 V2, (5) RB8541, (6)
RB8553. Preços a 25 de novembro de 2011.
Com a análise destes dados é possível chegar a conclusões sobre a viabilidade ou não
destes carregadores para a finalidade pretendida de gestão da carga das baterias de um robô
futebolista. Como aspectos positivos é possível afirmar que todos os carregadores analisados
têm capacidade de carregar as principais tecnologias usadas (LiPo e LiFePO4) neste tipo de
aplicações e todos têm a possibilidade usar a rede eléctrica como fonte de energia. Como
aspectos negativos está sem dúvida o custo associado a cada carregador e o problema das
comunicações do carregador para o computador. Como foi dito na introdução é indispensável
que o carregador seja capaz de informar o computador central do estado actual da carga das
baterias do robô, já os carregadores analisados guardam as informações do carregamento das
baterias e posteriormente enviam um ficheiro com as informações via USB. Já o protótipo a
apresentar permitirá uma gestão da carga actual das baterias pois informará sempre que
pedido, o estado das mesmas ao computador central do robô e quando conectado à rede
eléctrica procede ao carregamento das baterias.
24
25
3. Fundamentos teóricos Neste capítulo 3 estão presentes os fundamentos teóricos que servem de base a este
projecto. Essencialmente divide-se em duas partes uma de conversores de tensão e outra de
sistemas de controlo.
3.1. Conversores de tensão Neste tópico está um levantamento teórico das principais topologias de conversores de
tensão, quer em AC quer em DC.
3.1.1. Introdução Entende-se por conversor de tensão como um dispositivo de electrónica de potência que
adequa as características de uma fonte de energia para as características de alimentação da
carga desejada. Características essas que podem ser ao nível de corrente alternada, corrente
continua, frequência e amplitude da tensão. Um diagrama simples pode ser visto na Figura 20.
Figura 20 - Modelo básico de um conversor de tensão
Estes dispositivos, pelas suas funções, tornam-se um elemento fundamental em
qualquer dispositivo electrónico, pois possibilita que com uma fonte de tensão seja possível
fornecer energia a vários dispositivos constituintes de uma aplicação electrónica que contenha
elementos que requerem diferentes níveis e formas de tensão. Simplificando o que
anteriormente foi dito, dá-se o exemplo de um computador portátil que dispõe de uma bateria
que fornece uma certa tensão constante e que na motherboard onde existem dispositivos que
necessitam de 5 V DC, 3.3 V, -3.3 V, 12 V DC e -12 V DC [20].
26
Estes conversores estão divididos em 4 tipos: AC para AC, DC para DC, AC para DC
(rectificador) e DC para AC (inversor). Todos os conversores podem ser designados, como pode
ser visto em algumas literaturas da especialidade [21], como power processor. Um power
processor pode ser constituído por um ou mais conversores, mediante as características que são
necessárias alterar, por exemplo, um conversor electrónico de velocidade de um motor AC é
constituído essencialmente por 2 conversores, como está demonstrado na Figura 21, em que
com a tensão de entrada de 400 VRMS AC 50 Hz da rede só é possível atingir 3000 rpm num
motor trifásico AC com 2 polos, respeitando a equação (1). Posto isto para se alterar a
velocidade do motor sem alterar as suas características físicas só com a alteração do valor da
frequência da tensão aplicada ao motor, para isso é necessário aplicar um rectificador para
converter a tensão AC em DC e um inversor para converter de DC para AC à frequência
desejada [22].
(1)
Figura 21 - Modelo básico de um variador electrónico de velocidade
Neste capítulo serão abordados todos os aspectos inerentes aos conversores de tensão,
aspectos esses que tem a ver com as principais topologias existentes, formas de cálculo,
dimensionamento e sua parametrização.
27
3.1.2. Conversores AC/AC De acordo com alguma literatura encontrada, os conversores AC/AC englobam também
os power processor do tipo AC/DC e DC/AC (por exemplo variador de frequência). Parecendo
contraditório com a definição apresentada, será apresentado como sendo um power processor
de apenas um conversor.
Este tipo de conversor apenas permite alterar a amplitude de uma tensão AC utilizando
para o efeito um transformador, como na Figura 22. Um transformador é um dispositivo
constituído basicamente por duas bobinas, chamadas de enrolamentos primário e secundário, e
por um núcleo de um certo material normalmente ferro, como pode ser visto na Figura 23. Este
dispositivo é então capaz de alterar a amplitude de uma tensão com base na relação entre o
número de espiras do enrolamento do primário com o número de espiras do enrolamento do
secundário, como pode ser visto na equação (2).
Figura 22 - Esquema básico de um transformador
Figura 23 - Núcleo de um transformador
(2)
Tem como princípio de funcionamento de um transformador respeita as leis do
electromagnetismo de Faraday e de Lenz [21] [23]. Estas leis do magnetismo, que normalmente
são expressas juntas pois são complementares, pretendem traduzir matematicamente que a
força electromotriz induzida num circuito eléctrico é proporcional à variação do fluxo magnético
nele existente, ou seja, é possível gerar energia eléctrica num circuito eléctrico movendo um
íman na periferia de uma espira de fio condutor pois a variação do campo magnético do íman
(em movimento) sobre a espira (fixa) gera uma corrente induzida no circuito. De notar que é
neste principio das variações de campos magnéticos que se baseia o funcionamento dos
alternadores (essenciais para a produção de energia eléctrica) e dos transformadores.
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3.1.3. Conversores DC/DC [21] Os conversores DC/DC são possivelmente a família de conversores mais usada em toda
a electrónica, pois são encontrados na maioria das aplicações desde as mais simples como um
divisor de tensão resistivo [24] às mais complexas como uma fonte comutada isolada [25]. Este
tipo de conversores têm como principais objectivos modificar a amplitude de uma tensão DC e
de estabilizar uma tensão DC. Estes conversores assumem grande preponderância em
aplicações complexas, como por exemplo as motherboards em que é necessário interligar vários
dispositivos diferentes à mesma plataforma. Nessa situação é necessário fornecer tensão
adequada os dispositivos o que por vezes implica outros níveis de tensão e uma “qualidade” de
tensão livre de oscilações (ripple) que poderão danificar os dispositivos ou provocar
comportamentos indesejados.
Em relação às características dos conversores DC/DC é possível dividi-los em dois
grandes grupos, que são: os lineares e os não lineares (ou comutados). Estes grupos têm como
características lineares: apenas poderem converter para uma amplitude inferior à amplitude da
entrada, simplicidade de projecto, serem muito ineficientes quando a taxa de conversão é alta
e/ou a corrente que olhes é exigida for alta pois dissipam imenso, conseguem responder a
pequenas (temporais e em valor) quebras de tensão por parte da entrada (apenas para os IC’s
da família 78xx [26]) ou então são proporcionais à tensão de entrada (conversores do tipo divisor
de tensão resistivo), muito eficazes a diminuir/eliminar o ripple (apenas alguns modelos),
apenas para aplicações que exijam um nível de tensão fixo à saída e baratos, pequenos e leves
(comparativamente com os não lineares).
Já as características dos conversores não lineares são: modificar a amplitude de tensão
para outra qualquer recorrendo para isso ao armazenamento da energia que recebe,
complexidade de projecto, extremamente eficiente (até 98%) [21], necessita de um ou mais
elementos comutadores (MOSFet, IGBT, …), controláveis e parametrizáveis, podem introduzir
ruídos de alta frequência no sistema, capazes de responder a alterações bruscas da entrada e
são mais caros (comparativamente com os lineares).
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3.1.3.1. Topologias dos conversores DC/DC lineares
Relativamente aos conversores DC/DC lineares não existem topologias relativamente
bem definidas pois podem estar “dissimulados” no resto da electrónica, por isso serão
abordados os casos mais flagrantes deste tipo de conversores.
Divisor resistivo: Apesar de à primeira vista não ser associado a um conversor de
tensão um divisor de tensão resistivo, visto na Figura 24, é na realidade uma das formas mais
simples de se obter uma tensão (sempre inferior à de entrada) proporcional à tensão de entrada.
Este tipo de conversor pode ser encontrado em aplicações de ADCs de um microcontrolador pois
um ADC tem uma tensão máxima admissível para a leitura (tipicamente de 5 V) e se é
necessário obter valores de tensão superiores. É possível com este conversor “traduzir” esses
valores altos em valores admissíveis ao ADC e com variações proporcionais.
Figura 24 - divisor de tensão resistivo
Este tipo de conversor talvez seja inadequado para outro tipo de funções para além
daquela anteriormente apresentada pois a sua fiabilidade é muito baixa, não sendo capaz de
garantir uma tensão de saída estabilizada (que na aplicação sugerida não tem essa finalidade) e
é muito ineficiente uma vez que é constituído por resistências que segundo a lei de Joule da
equação (3) tem uma dissipação de energia proporcional ao quadrado da corrente que percorre
a resistência do conversor.
(3)
Referências de tensão: Uma outra forma de conversor de tensão DC/DC linear são
sem dúvida as referências de tensão que mediante certas condições são capazes de garantir
uma tensão fixa e estabilizada com um ripple muito baixo. Existem vários tipos de referências de
tensão desde díodos a circuitos integrados, mediante as características desejadas.
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De entre outras utilizações os díodos zener são uma forma económica de se fazer uma
referência de tensão como se pode ver no esquema da Figura 25.
Figura 25 - Referência de tensão com zener [27]
De forma a exemplificar, o díodo zener em questão é de 5,1 V/1 W, ou seja, quando
está em condução inversa é capaz de garantir uma queda de tensão por volta de 5,1 V, outro
aspecto importante é a potência que o zener é capaz de dissipar, no caso de 1 W indica que a
corrente máxima que suporta é de aproximadamente 200 mA, como se pode ver na equação
(4). Esta corrente terá de ser limitada pela resistência R, calculada através da lei de Ohm. [28]
(4)
Uma outra forma não tão económica mas fiável e segura é usar circuitos integrados que
desempenham o papel de conversores DC/DC lineares. Esse tipo de circuitos integrados são
capazes de fornecer uma tensão estabilizada fixa a uma corrente máxima de 1 a 1,5 A
(tipicamente). Um bom exemplo deste tipo de circuitos é a família LM78XX (onde o XX
representa a tensão de referência, por exemplo LM7805 é uma referência a 5V). Como pode ser
visto na Figura 26, este tipo de conversores tem uma grande simplicidade de projecto sendo na
maior parte dos casos apenas necessário acrescentar dois condensadores [26].
Figura 26 - Esquema de ligações de um LM78XX
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3.1.3.2. Topologias dos conversores DC/DC não lineares
Quanto aos conversores não lineares existem, ao contrário dos conversores lineares,
várias topologias definidas dependendo das características a controlar, topologias essas que têm
disposição esquemática e regras ou limitações muito bem definidas, em contraste com os
conversores lineares em que se pode recorrer a uma certa adaptação mediante as
necessidades.
Este tipo de conversores exigem um circuito auxiliar para controlo de todo o conversor,
sendo possivelmente esse circuito o elemento mais importante a par do elemento comutador
directamente ligado ao controlador deste tipo de conversores.
Basicamente pode-se dividir este tipo de conversores em dois tipos distintos: os isolados
e os não isolados. Entende-se por conversor isolado todo aquele conversor que utiliza um
elemento que é capaz de isolar electricamente a entrada da saída (normalmente um
transformador de alta frequência, como pode ser visto na Figura 27). Esse isolamento eléctrico
feito a partir de um transformador é capaz de fornecer características “especiais” mais à frente
explicadas.
Figura 27 - Transformador de alta frequência usado em fontes comutadas
Nestes conversores os mais comuns são forward, flyback, push-pull, half-bridge e full-
bridge.
Já os conversores não isolados (mais comuns que os isolados) não dispõem desse
isolamento eléctrico, pelo que têm um design mais simples relativamente aos isolados pois
basicamente podem ser constituídos por um elemento comutador (MOSFet, IGBT, BJT,…), um
díodo (de preferência rápido ou muito rápido), uma bobina e um condensador [29].
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As topologias mais comuns encontradas neste tipo de conversores são conversor Buck