Vida Útil de Baterias Tracionárias
ÍNDICE
Seção 1 – Introdução.
Seção 2 – Vida Útil Projetada.
Seção 3 – Fatores que Afetam a Vida Útil da Bateria.
Seção 3.1 – Problemas de Produto.
Seção 3.2 – Problemas de Manutenção.
Seção 3.3 – Problemas de Operação.
3.3.1 – Profundidade de Descarga.
3.3.2 – Corrente de Descarga.
3.3.3 – Corrente de Recarga.
3.3.4 – Volume de Recarga.
3.3.5 – Temperatura de Operação.
3.3.6 – Densidade da Solução Ácida.
3.3.7 – Armazenamento da Bateria.
Seção 4 – Seleção da Bateria Correta.
1 Introdução.
O que é uma bateria?
•
•
•
•
•
Uma bateria é um dispositivo que converte a energia química contida em
materiais ativos diretamente em energia elétrica através de reações
eletroquímicas de oxi-redução (redox). Este tipo de reação envolve transferência
de elétrons de um material para outro através de um circuito elétrico. Embora o
termo “bateria” ser freqüentemente usado, a unidade eletroquímica básica é a
célula. Uma bateria consiste de uma ou mais dessas células, conectadas em
série ou em paralelo, ou ambos, dependo da produção desejada de voltagem e
capacidade.
As exigências principais para aplicação de baterias tracionárias são; ciclo de vida
máxima, densidade de energia elevada e custo baixo. Em uma aplicação em
empilhadeiras elétricas o peso da bateria é geralmente necessário para
contrabalançar a máquina em operação.
As baterias tracionárias são projetadas geralmente para ter a capacidade
limitada pela quantidade de eletrólito e não pelo material ativo nas placas. Isso é
feito para limitar a profundidade da descarga e com isso proteger as placas e o
máximo de sua vida.
A capacidade da bateria é limitada geralmente pela placa positiva. A falha da
bateria, para avaliação do ciclo de vida, é considerada quando sua capacidade
atinge entre 60-80% de sua capacidade nominal avaliado na descarga da
bateria.
Alguns usuários esperam somente receber a vida útil projetada pelo fabricante
da bateria, mas se esquecem que para que isso seja possível todo processo de
utilização / manutenção devem ser seguidos conforme indicado pelo fabricante.
2 Vida Útil Projetada.
•
A vida útil projetada das baterias
HDP foram dimensionada para
pelo menos 1500 ciclos em
serviço com descarga no máximo
de 80% de sua capacidade
nominal a uma tensão mínima de
1,7 Volts por elemento em
circuito fechado.
As normas de testes para
projeto, seguem a especificação
do padrão internacional conforme
norma IEC 60254-1.
Vida Útil Projetada ( Ciclos de Descargas ).
Capacidade da Bateria ( % ).
•
100
90
80
70
60
50
0
400
800
1200
Ciclos
1500
1600
Padrão Industrial de Fabricação.
Previamente a associação nacional dos fabricantes elétricos (NEMA) criou um padrão
para testar a capacidade de baterias Tracionárias. Então, alguns anos depois, aqueles
padrões foram fundidos no Conselho de Bateria Internacional - BCI para testes de
capacidade. O padrão BCI assegura que todo teste deve ser executado a um
denominador comum e define o padrão mínimo aceitável de fabricação do produto pela
indústria contra uma bateria com problemas.
Em resumo, o Conselho de Bateria Internacional – BCI define que a bateria deve durar
pelo menos 1500 ciclos com capacidade de no mínimo 80% de sua capacidade nominal a
uma tensão mínima de 1,7 Volts por elemento em circuito fechado.
3
Fatores que Afetam a Vida Útil da Bateria.
Os fatores que afetam a vida útil das baterias tracionárias estão divididos em três classes
principais. Problemas do Produto, Manutenção e Operação.
3.1 – Problemas do Produto.
Bateria - Considera-se o problema da bateria quando sua capacidade nominal
não atende no mínimo 80% de sua capacidade em 6 horas durante o período de 1500
ciclos seguindo as recomendações do fabricante.
Elementos – Quando 1 ou mais elementos da bateria plenamente carregada apresentam
Tensão e Densidade nominal menor que o especificado pelo fabricante durante os 120
ciclos iniciais;
Densidade de 1280±10 g/dm³ a 30ºC ( especificado ).
Tensão de 2,125 V. a 30ºC ( especificado ).
Observação – Para o diagnóstico de problemas com um ou mais elementos da bateria, a
mesma deve estar plenamente carregada, não haja desequalização da densidade da
solução ácida dos elementos e não tenha sofrido descarga profunda.
3.2 – Problemas de Manutenção.
Bateria - Considera-se problema de manutenção da bateria quando as recomendações
passadas através do manual de Instruções & Operação do fabricante da bateria não
forem seguidas. Incluindo as fichas de acompanhamento diário através de elemento
Piloto e mensal da bateria completa.
Carregador - Considera-se problema de manutenção em carregador quando o mesmo
não está ajustado ao tipo de bateria a ser carregada. A recomendação dos fabricantes
de carregadores para a manutenção de seus equipamentos deve ser trimestral.
Serviços de Manutenção – Algumas empresas fazem opção por terceirização, Muitas
empresas fazem manutenção em Baterias e Carregadores sem os conhecimentos
necessários, colocando em risco seu patrimônio, pois fazem opção por funcionários
sem treinamento.
3.3 – Problemas de Operação.
Na operação da bateria é onde encontramos os principais fatores que afetam a vida útil
das baterias tracionárias. O não cumprimento das recomendações para os limites nas
especificações do produto reduzem drasticamente o número de ciclos da bateria.
3.3.1 – Profundidade de Descarga.
Quanto maior for a profundidade de
descarga da bateria, maior será a
quantidade de deterioração e desagregação
do material ativo das placas dos elementos.
Uma descarga mais profunda resulta
também
em
uma
corrente
proporcionalmente maior do carregador,
que resulte por sua vez em sobrecarregar e
em uma corrosão mais severa da placa
positiva. No geral, quanto mais profunda a
descarga, mais baixo o número dos ciclos
que uma bateria pode atender. Por
exemplo, na profundidade de 50% da
descarga, uma bateria tracionária pode dar
aproximadamente 2000 ciclos, mas na
profundidade de 80% da descarga, somente
1500 ciclos podem se esperar.
Efeito tipico da profundidade de descarga
nos ciclos de vida da Bateria.
300
150
% do Ciclo de Vida Nominal
•
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200
Profundidade de Descarga, % em Regime de 8 horas.
3.3.2 – Corrente de Descarga.
Descarga.
A determinação da corrente de descarga para cada operação é fundamental para que não
haja descargas profunda nos elementos e como conseqüência a redução da vida da bateria.
Quanto mais elevada for a corrente de descarga da bateria, maior será a quantidade de
deterioração e desagregação do material ativo das placas dos elementos. Por exemplo, uma
bateria descarregada em regime de 30 minutos dura aproximadamente 70% de uma bateria
similar descarregada em regime de cinco horas.
A corrente de descarga aplicada para cada regime de operação não deve ultrapassar os
valores especificados pelo fabricante, o não cumprimento causará descargas profundas na
bateria. ( valores de tensão menor que 1,7 Volts por Elemento ).
Para a determinação da máxima corrente de descarga para a bateria, proceder conforme
especificado no gráfico da página seguinte;
Tensão por Elemento ( V. )
Curva Característica de Descarga a 30 °C
2,10
2,00
1,90
1,80
1,70
1,60
1,50
0,5
1
Bateria 9 HDP 560 48 V.
6 horas
5 horas
3
A
5 6
8 10
Tempo de Descarga ( horas )
Para a determinação da corrente de descarga,
proceder conforme exemplo abaixo;
8 horas
2
C B
Cd = Cn x Npe
Th
Cd = Cn x Npe
Th
Cd = Cn x Npe
Th
Cd = 152 x 4
8
Cd = 140 x 4
6
Cd = 135 x 4
5
Onde;
Cd - Corrente de Descarga.
Cn - Capacidade Nominal.
Npe - Número de placas positivas
por elemento.
Th - Tempo em horas.
Cd = 76 A
Cd = 93 A
Cd = 108 A
PLACA
HDP - 200
HDP - 255
HDP - 310
HDP - 410
HDP - 441
HDP - 450
HDP - 560
HDP - 618
CAPACIDADE NOMINAL
8 horas 6 horas 5 horas
52 Ah 50 Ah
55 Ah
63 Ah
60 Ah 58 Ah
80 Ah 77 Ah
86 Ah
108 Ah 100 Ah 98 Ah
118 Ah 108 Ah 107 Ah
125 Ah 117 Ah 115 Ah
152 Ah 140 Ah 135 Ah
175 Ah 161 Ah 155 Ah
A
B
C
Para determinar o número de placas positivas
do elemento, subtrair 1 do número de placas
total e dividir por 2.
Exemplos;
7 HDP 441 = ( 7-1 ) / 2 = 3 Placas.
13 HDP 560 = ( 13-1 ) / 2 = 6 Placas.
3.3.3 – Corrente de Recarga.
•
Durante o estágio final de recarga da bateria, a corrente aplicada para equalização da
solução ácida é controlada e específica para a capacidade da bateria. Quando o valor
da corrente é mais elevado, a temperatura do eletrólito aumentará, ocasionando
corrosão e desagregação do material ativo das placas positivas. Estes fatores
encurtarão bàsicamente a vida útil da bateria. Para a determinação da máxima
corrente de recarga para a bateria, proceder conforme especificado no gráfico da
pagina seguinte;
3.3.4 – Volume de Recarga.
•
•
•
As baterias devem ser recarregadas com 10% a mais dos ampére-hora consumido
durante o ciclo de descarga.
A corrente inicial deve ser entre 18 a 20% da capacidade nominal da bateria, sendo
melhor aplicada quando a bateria estiver com temperatura abaixo de 35ºC.
A corrente final deve ser entre 3 a 5% da capacidade nominal da bateria, dependendo
do tempo de vida da bateria, sendo melhor aplicada quando a bateria estiver com
temperatura abaixo de 35ºC.
Curva Característica de Recarga em Baterias Tracionárias.
Corrente de Carga ( A /100 Ah )
Tensão de Carga por elemento
Quantidade de Carga
(A)
(%)
22
100
20
( V. )
18
2,70
16
2,60
14
2,50
12
2,45
10
2,40
8
2,30
6
2,20
4
2,10
2
2,00
0
1,90
80
Ah
Re
o
st
o
p
60
40
20
0
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Tempo de Carga ( horas )
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
3.3.5 – Temperatura de Operação.
A temperatura pode influenciar tanto no rendimento como na vida útil da bateria. Seu melhor
rendimento é alcançado operando a temperaturas de 20ºC à 38ºC.
Durante a carga, normalmente observa-se um aumento de temperatura, este entretanto,
nunca deve ultrapassar 45ºC para evitar danos irreversíveis à bateria.
Influência da Temperatura na Vida Útil da Bateria
( Equação de Arrhenius ).
(%)
Porcentagem da Vida Normal da
Bateria ( 100%
% a 33 °C )
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
25
30
35
33
40
45
50
55
60
Temperatura ( °C )
Uma temperatura diária do eletrólito da média de 45°C reduzirá a vida útil prevista
aproximadamente à metade. Em torno de 50%.
3.3.6 – Densidade da solução Ácida.
•
Solução ácida com densidade a cima de 1,300 g/dm3 à 30ºC afetarão seriamente a vida
da bateria, pois irá acelerar a corrosão das grades através da estratificação da solução.
•
Solução ácida baixa causará ineficiência do carregador, tendo como resultado a sulfatação
das placas.
Tensão de carga por elemento
em circuito fechado.
Densidade a 30°C.
3
( g/dm )
( V. )
1.280
2,12
Não recarregar a bateria se a densidade
estiver acima deste ponto.
1.260
2,06
1.240
2,00
1.220
1,94
1.200
1,88
1.180
1,82
1.160
1,76
1.140
1,70
Limite de Descarga
1.120
1.100
0
20
40
60
Percentual de Descarga
80
100
3.3.7 – Armazenamento da Bateria.
•
Para baterias em estoque, a recarga deve ser feita a cada 3 meses. Se uma bateria
tracionária for deixada em estoque por muito tempo, haverá sulfatação das placas
podendo ser difícil e/ou impossível converter este sulfato cristalizado em material ativo
novamente, tendo como resultado a redução na capacidade e da vida útil da bateria.
O gráfico abaixo mostra que em 3 meses em estoque a densidade da solução ácida
cairá de 1280 g/dm³ para próximo de 1240 g/dm³
Retenção de Carga de Baterias em Estoque.
0
Queda na densidade específica, pts
•
50
100
150
3
6
12
Meses de armazenamento à 30°C
18
24
4
•
•
•
•
•
O
– Seleção
da Bateria Correta.
Os fatores principais para determinar a bateria (apropriada) para a operação
específica de veículos elétricos são:
Horas da descarga
Corrente de descarga
Tensão da pilha da extremidade
Temperatura do eletrólito
teste de uso padrão de cada veículo diferirá nas horas da operação, a freqüência de
paralisação no uso e bateria em repouso. As seguintes passos abaixo explicam como
selecionar a bateria correta.
1 – Efetue o teste padrão de tempo de descarga elétrica.
O gráfico ao lado mostra um
exemplo de consumo de
corrente em um determinado
tempo.
EXEMPLO DE TESTE ELÉTRICO PADRÃO NA OPERAÇÃO.
CORRENTE DE DESCARGA ( A )
Para o teste será necessário
um equipamento registrador
de consumo de corrente “
DATALOGER “.
700
600
500
400
300
200
100
0
0
15
30
TEMPO DE OPERAÇÃO ( segundos )
45
2 – Simplifique o teste padrão como mostrado abaixo.
TESTE DE DESCARGA ELÉTRICA SIMPLIFICADA
NA OPERAÇÃO.
I2
I1 = Média da corrente na movimentação da máquina.
I2 = Corrente máxima
T1 = Tempo operacional total na movimentação ( min. )
T2 = Período de tempo em pico de corrente (min.)
I1
T1
T2
3 - Consulte o gráfico de fator de capacidade que relaciona a tensão requerida do
elemento na profundidade de descarga desejada.
Como um exemplo, faça avaliação de uma operação em 6 horas com uma tensão final de
1,7 V. por elemento à 30°C. Neste caso, o fator da capacidade (K) é 8.
Relacão de Capacidade/Fator de Tempo Ajustado
para Tensão Final do Elemento.
Temperatura = 30°C
CAPACIDADE / FATOR
DE AJUSTE DE TEMPO
20
10
5
4
3
2
1
0,5
0,4
1,9 V.P.E
1,8 V.P.E
1,7 V.P.E
0,3
0,4
0,5
1
2 3 4 5 10
20 30 50 100 200 400
TEMPO DE DESCARGA ( minutos )
40
300 500
4 – A capacidade elétrica requerida pode ser obtida na seguinte fórmula.
C = K1 x I1 x (I 2 de +K 2 - I 1)
C: Capacidade (AH/8hs) em 30°C.
I 1 , I 2 : Corrente de descarga
K 1 , K 2 : Fator da capacidade na tensão do elemento com profundidade de 1.70V por elemento à 30°C
com relação a T 1 , T 2 .
Outros pontos a considerar para a seleção da bateria correta são;
- Quando a bateria não estiver totalmente carregada na operação.
- Baterias com vida mais elevada tem capacidade diminuída.
Portanto, para o dimensionamento da bateria, considerar 25% a mais de capacidade como medida de
segurança.
Exemplo.
I1 = 45A
I2 = 300A
T 1 = 480 minutos
T 2 = 45 minutos
Tensão final do elemento = 1,7 V.p.e
Temperatura = 30°C
Fator de Segurança = 1,25
K 1 = 7,8
K2=1
Capacidade = 1.25x [K1I1 + K 2 (I2 - I1) ]
= 1.25[ 7,8 x 45 + 1x (300-45) ]
Capacidade da Bateria = 757Ah. Em 8 horas.
As informações contidas nesta apresentação, foram elaboradas para se obter o melhor
desempenho possível na relação vida útil / utilização da bateria.