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  • Foto do escritorDrano Rauteon

Cap.3.1. Como funcionam os acumuladores de energia elétrica

Atualizado: 15 de abr.

No Capítulo 3.0 dissertamos sobre o funcionamento, as caracteríticas e as classificações das baterias Pb-Ácido. Pois bem, neste capítulo vamos trazer algumas infomações adicionais sobre 'carregadores' / fontes de alimentação, invólucros / fixação, além de mais curiosidades sobre o tema!


Para ler o Capítulo 3.0, CLIQUE AQUI!

Padrões de invólucros


No que se refere aos invólucros, baterias Pb-Ácido possuem vários tamanhos e tipos de conectores. Destacada várias vezes nesta publicação, a Unipower UP1213, por exemplo, possui conecotres Faston, não listados na Tabela abaixo.

Tabela 1 - Alguns padrões de invólucros de acumuladores


Quanto ao encaixe num suporte, as baterias podem ser presas por uma cinta metálica...

Imagem 1 - Muitos veículos utilizam tal método de fixação. Perceba que o cesto de Polipropileno com aditivo mineral envolve a bateria


...ou uma cinta de Poliamida:

Imagem 2 - Perceba que a bateria é envolta em uma manta de tecico sintético ao invés de um cesto de plástico


Em alguns automóveis o travamento é feito por um grampo metálico enroscado na base da caixa.

No caso de caminhões, a fixação pode ser feita por travessas superiores pressionando as baterias contra a cesta através de parafusos:

Imagem 3 - Fixação das baterias num caminhão

 

A durabilidade


A durabilidade de uma bateria não se mede por quilômetros rodados, mas por tempo de uso, assim como ocorre nas estacionárias. Normalmente uma bateria Chumbo-Ácido chega a durar em média de dois a três anos dependendo da utilização.

Complemento 1 - Lista de motivos pelos quais as baterias podem durar pouco tempo


Fatores como deixar os faróis ligados direto e usar o aparelho de som quando o veículo estiver desligado por algum tempo, por exemplo, acaba comprometendo o tempo de vida útil dom componente, fazendo com que pequenas porções de materiais ativos presos nos eletrodos, se desprendam e se depositem no fundo da bateria.

Esse depósito de material ativo (altamente condutivo se comparado com o eletrólito), pode causar um curto-circuito entre as placas, danificando uma ou mais pilhas. Quanto menos material ativo depositado nas placas dos eletrodos, menor será a capacidade de armazenamento do acumulador - e por este motivo que baterias estacionárias possuem placas mais espessas e aguentam longos ciclos de descarga sem se danificarem.

Uma bateria automotiva convencional normalmente se descarrega apenas 20% durante o uso normal, o que é necessário para prolongar sua vida útil - diferente da bateria estacionária, que é projetada para ser descarregada muitos mais que 40% várias vezes, algo que não é possível num acumulador automotivo -, sendo que o fim da vida útil é geralmente considerado como o momento em que a bateria, estando totalmente carregada, pode armazenar apenas 80% da sua capacidade nominal especificada pelo fabricante.


Apesar da perda de eletrólito ter sido resolvida, a própria corrente de pico de partida fornecida pela bateria ao motor de arranque prejudica sua “saúde”. Esse pico de corrente é muito elevado, passando fácil dos 100 A (onde o CCA pode bater os 1700 A) nos caminhões para que o motor saia da inércia e comece a funcionar. Esses picos elevados de corrente contribuem para um problema conhecido como sulfatação, que é o processo de formação e deposição de cristais de Sulfato de Chumbo (PbSO4) sobre as placas.

Imagem 4 - Bateria de um caminhão Volvo FH com CCA de 1150 Amperes (SAE)


Esse fenômeno ocorre na 'descarga' da bateria, fazendo com que parte do Sulfato de Chumbo não consiga mais ser revertido em Dióxido de Chumbo (PbO2) e Chumbo metálico (Pb) nos eletrodos. Gradativamente as placas vão perdendo a qualidade original de seu material ativo e consequentemente seu poder de 'carga' e 'descarga'. O acúmulo de PbSO4 piora quando a bateria é totalmente 'descarregada' e/ou à medida que muitas partidas sucessivas são realizadas, aumentando, portanto, a resistência interna ao longo do tempo. Isso faz com que o eletrólito também perca sua cor clara e passe a ficar turvo com a contaminação.


Aqui vai outro adendo: Ao abrir uma bateria inundada e se deparar com um líquido turvo, isso significa que partículas das massas ativas estão misturadas à solução aquosa. Pra isso não existe reparo. Escoar este material pra um balde, jogar na pia, jogar no seu quintal ou fazer seja lá o que for com esta "água de bateria suja" sem ser o descarte adequado pode ser muito bem enquadrado como crime ambiental. Também não lave a bateria por dentro com água mineral (sim, existem pessoas que abrem baterias e as "lavam" por dentro com a mangueira do jardim), com isso você só vai retirar partículas de materiais tóxicos e, talvez, jogar pequenas quantidades de sais minerais no interior dos compartimentos - um "seis por meia dúzia" que mais nos prejudica do que ajuda.

 

O CCA e a realidade


Que tal tirarmos a dúvida e ver quanto realmente uma bateria é requisitada durante a partida a frio do motor!

Repare que eu escrevi "a frio", isto pois, apesar dos metais não estarem dilatados - ou seja, há uma folga maior entre as peças - o óleo lubrificante utilizado atualmente possui duas viscosidades, e eles ficam mais viscosos em temperatura ambiente, exigindo uma força um bocado maior do motor de partida. Em oposição, com os componentes do motor dilatados e justos quando operando próximo dos 100 °C, o óleo lubrificante 'afina', fluindo melhor pelo motor e permitindo uma partida mais 'suave'.


Percebemos claramente que a 'descarga' da bateria é proporcional à carga aplicada sobre o eixo do motor de arranque. Quanto mais força o motor de partida tiver que fazer, mais corrente ele vai precisar e maior vai ser o estresse sobre a bateria.


CURIOSIDADE: Caso queira saber mais sobre o funcionamento do motor de arranque utilizado nos automóveis, CLIQUE AQUI!


A questão é: Quantos ampéres faz-se necessário para movimentar um motor com suas especificações originais?


Primeiro, preciso deixar claro a forte influência da viscosidade do óleo lubrificante. Apenas utilize o óleo recomendado pelo manual do veículo!


OBSERVAÇÃO: Caso o manual esteja confuso - sim, há marcas que colocam uma tabela com viscosidade ideal pra cada faixa de temperatura ambiente, sendo que estamos num país continental que vai de 0 °C no inverno do Sul pra +40 °C no verão do nordeste, e isso é um tiro no pé - ligue pra algumas concessionárias autorizadas da região e tire a dúvida!

Gráfico 1 - Como uma siimples troca de óleo seguindo o manual pode gerar dores de cabeça


Atualmente um gráfico assim tem ainda mais opções, pois se tornou comum o uso de óleos menos viscosos, tal como o 0W20, já que os motores modernos estão com folgas cada vez menores. Essa aberração poderia facilmente te induzir a usar um óleo 20W50, que num frio de 0 °C é simplesmente uma 'pasta' pra um motor originalmente feito pra trabalhar com um 5w30 ou 0w20, por exemplo. Isso gera um efeito em cascata, forçando até a parte elétrica.


Para tornar tudo isso mais claro, por favor, assista a esta obra de arte da 'educação pública independente':

Vídeo 1 - Um vídeo de terceiros 'artesanal' e muito bem elaborado


Resumindo o vídeo acima, veja os resultados do viscosímetro artesanal:

Tabela 2 - Note que a grande diferença se faz no frio. Com o motor aquecido, o desempenho das viscosidades (20, 30, 40 e 50) não mudam significativamente. Créditos: Canal do YT Alta RPM


Um óleo de viscosidade mais alta vai se espalhar pelo motor mais lentamente que um óleo de viscosidade mais baixa, o que torna as partidas a frio mais 'pesadas', isto é, vai exigir que a bateria entregue mais corrente ao motor de arranque para fazer o propulsor sair da inércia. Eu já experimentei isso na prática com o Fiesta do vídeo que é mostrado mais adiante neste texto. Ele veio com um óleo 15W40, e após retornar ao original 5W30 notei que as partidas a frio (ainda em período de inverno) suavizaram exponencialmente.

O mesmo ocorre com um óleo que não é trocado com a devida frequência. A questão é que, o acumulo de sujeira no óleo lubrificante, isto é, carbonização gerada pela queima do combustível, umidade, partículas metálicas que se desprendem das peças em atrito constante e a contaminação com o próprio combustível vão fazendo depósitos de sujeira nas galerias ao longo do tempo, e apesar da viscosidade não mudar muito, acaba prejudicando cada vez mais a lubrificação. Nem entraremos no mérito da saturação do filtro de óleo e abertura da válvula bypass...

Vídeo 2 - A diferença entre um óleo novo e um óleo degradado


Para termos um começo e comprovarmos nossos testes, temos que saber a potência de um motor de arranque...

Imagem 5 - Fragmento do manual do FIAT Palio Attractive 2012. Repare que o propulsor 1.6 16v precisa de um motor de partida com potência ainda maior


Lembre-se que estamos falando de tensão e corrente contínuas (CC). Em uma conta simples, podemos deduzir a corrente elétrica aproximada para este motor de 0,9 kW:


900 W / 12 V = 75 A


Pois bem, vamos à prática:

Vídeo 3


Em uma temperatura ambiente de quase 30 °C, no verãozão de Dezembro, com o motor frio e óleo lubrificante trocado há poucos meses, conseguimos um pico de 48,02 A.


Agora, com base nestas informações, testamos a corrente de partida num motor Zetec Rocam 1.0 8v de um Fiesta sedan datado de 2008:

Vídeo 4 - Medição da corrente de partida no Zetec Rocam


Debaixo do Solzão de Dezembro, uma temperatura ambiente de cerca de 32 °C, com o motor frio e óleo lubrificante trocado há poucos meses, conseguimos um pico de 35,50 A.


Indo além, a corrente de partida num Ford Focus MK1.5 com motor Duratec 2.0 16v:

Vídeo 5 - Medição da corrente de partida no Ford Duratec


Em uma temperatura ambiente entre 25 e 30 °C, num fim de tarde de Dezembro, com o motor frio e óleo lubrificante trocado há poucos meses, conseguimos um pico de 32,10 + 13,58 A.


OBSERVAÇÂO: No caso do Focus, há dois cabos ligando o terminal negativo da bateria ao motor de partida, portanto, obtemos um valor aproximado dos dois operando em paralelo. Dada as diferenças de secção e comprimento, um deles ficou com um fluxo de corrente bem mais baixo.


Agora, um motor Mitsubishi PSI 4G64 2.4 16v de uma empilhadeira Clark GTS30:

Vídeo 6 - Este motor, antigamente aplicado no Galant e Eclipse, também integra algumas empilhadeiras abastecidas com GLP


Com uma temperatura ambiente de cerca de 25 °C, na metade de Dezembro, com motor frio e óleo lubrificante trocado há poucos meses - que neste vídeo não é mostrada a viscosidade, porém, é o mesmo Selenia 5W30 aplicado ao FireEvo - conseguimos um pico de 50,11 A.


Já num GM Prisma ano 2013, com motor SPE/4 1.4 8V, temos:

Vídeo 7 - Este motor começou a ser comercializado em meados de 2012. Esta unidade ainda é original, isto é, nunca passou por retífica


Utilizando um óleo 5W30 trocado há poucos dias, no final de Dezembro, sob uma temperatura ambiente de cerca de 25 °C, conseguimos um pico de quase 32 Ampéres.


Com isso, concluímos que o CCA é uma situação extrema - que extrapola a maioria das situações do dia-a-dia - em que a bateria precisa funcionar, não significando na realidade que ela atinge tal intensidade de corrente elétrica a cada vez que o carro é ligado.

Tais padronizações (SAE e DIN) permitem que uma bateria possa funcionar da mesma maneira estando ela no frio da Europa ou no calorão do Brasil. Da mesma forma que uma bateria consegue fornecer, por exemplo, um pico de 450 Ampéres em -25 °C, ela vai conseguir fornecer várias vezes seguidas um pico de 50 Ampéres numa temperatura de +20 °C.

Além do mais, este teste não engloba apenas a carga sobre o motor de partida, ele inclui a capacidade do eletrólito de sofrer um estresse grande momentâneamente em temperaturas ambientes adversas, afinal, como vimos no Capítulo 3.0, é normal que o acumulador sofra com aumento da resistência elétrica interna quando submetido à temperaturas muito baixas ou muito elevadas.

 

Módulo BMS?


A gigantesca eletrônica embarcada presente nos automóveis atuais acompanhada do tal Start-Stop fez com que o alternador ficasse proporcionalmente 'parrudo' e a bateria necessitasse de um módulo BMS (Battery Management System).

Os módulos BMS são comuns em aplicações eletrônicas do nosso cotidiano, tal como notebooks (para saber mais CLIQUE AQUI!) e estão se tornando comuns nos carros. Diferente de um computador portátil, as baterias Pb-Ácido possuem, em geral, apenas uma 'espécie de multímetro' ligado ao terminal negativo (lembre-se que a corrente flui do ânodo para o cátodo)...

Imagem 6 - Bateria Inundada SLI VRLA com um sensor de corrente no polo negativo


Pois bem, diferente de aplicações de Lítio, que contemplam sensores de temperatura e até algorítmos sofisticados para controle das células, as baterias Pb-Ácido são monitoradas externamente e de maneira bem mais passiva. Caso o número de partidas sucessivas exceda o valor máximo dentro de determinado período de tempo, o sistema eletrônico desabilita o Start-Stop até que a energia do sistema volte a um patamar aceitável.


Você pode entender melhor tudo isso lendo o artigo sobre geradores automotivos (e para isso CLIQUE AQUI!), relacionando este tópico ao "Alternadores Pilotados" daquele texto.


Baterias estacionárias também precisam de um BMS, que é acoplado ao circuito de alimentação do acumulador. Sua função aqui é impedir que a tensão não exceda o limite de cada pilha (que gira em torno de 2,4 Volts), bem como impedir que correntes muito altas (acima do nominal estabelecido no projeto) gerem superaquecimento nas células, além de monitorar possíveis transientes no circuito.

 

Partida com bateria auxiliar


Observando alguns manuais de veículos, notei que nem sempre a "chupeta" deve ser feita ligando bateria com bateria. Pela lógica, estamos a transferir energia de um acumulador externo ao veículo para o motor de arranque, que por sua vez está acoplado ao bloco do propulsor à combustão. Como a corrente elétrica flui do ânodo para o cátodo, nada mais simples que conectar o cabo negativo direto à massa do veículo, isto é, pode ser em algum ponto do cabeçote (desde que seja metálico, obviamente). Observe o que diz o manual do Ford Focus MK1.5:

Imagem 7 - Note que o cabo negativo deve ser ligado em uma parte metálica do motor


Vamos usar o exemplo de um carro francês antigo para ficar mais didático:

Imagem 8 - Nestes veículos, uma chupeta ou colocação de um carregador não devem ser feitos diretamente na bateria


Na prática, um 'carregador de baterias' pode ser conectado da seguinte forma:

Imagem 9 - Um 'carregador de baterias' não precisa ser conectado diretamente na bateria...


Apesar da imagem acima não apresentar de tal forma, é recomendável desconectar o pólo positivo, isolando o circuito do veículo e deixando apenas o 'carregador' ligado à bateria. Os manuais recomendam que a bateria seja completamente desconectada do circuito para ser ligada ao 'carregador', evitando danos à componentes sensíveis do veículo.

Há também manuais que indicam que a "chupeta" pode ser feita tranquilamente entre duas baterias, mas devemos lembrar que em muitos casos o motor de arranque está bem próximo do acumulador, ou seja, pouca diferença vai fazer conectando o cabo negativo no bloco do motor, isto é, ambos os caminhos possuem uma resistência elétrica semelhante, como é o caso do FIAT Palio da Imagem 2!


Mas e se deixarmos a bateria 'carregando' permanentemente?

Se liga no próximo tópico!

 

Veículos com placas fotovoltaicas


Como os caminhões funcionam como dormitório para os motoristas, nada mais normal do que fazer uso de um climatizador, de um rádio ou uma TV enquanto se está descansando na cabine, e além do mais existem dispositivos de rastreamento que não podem ser desligados.

Imagem 10 - Está sendo cada vez mais comum ver caminhões dotados de placas solares


Entretanto, estes acessórios consomem energia e fazem a bateria, que serve primordialmente para a partida do motor de combustão ter sua vida útil reduzida, já que, como foi dito anteriormente, tais tipos não funcionam da mesma forma que as estacionárias. Pensando nisso, muitas transportadoras começaram a incorporar pequenos módulos fotovoltaicos no teto ou na parte da trás da cabine, ajudando a manter as baterias 'carregadas' mesmo nos períodos em que há bastante consumo de energia mas o alternador não está alimentando-as.

Para tal, empresas do ramo da energia solar fornecem pequenas centrais elétricas que 'modulam' a energia gerada pela placa para a(s) bateria(s), sejam estacionárias ou não:

Imagem 11 - Um controlador instalado em um semi-reboque do tipo câmara frigorifica


No caso da imagem acima, a câmara frigorifica possui alguns módulos fotovoltaicos instalados sobre o teto, com o controlador de 'carga' próximo da "mão-amiga", isto é, região onde vão conectados os cabos elétricos e as duas mangueiras do sistema pneumático que interligam o rebocador ao rebocado. Desta forma, a energia gerada no topo do semi-reboque 'carrega' as baterias do caminhão...

Dois tipos de controladores de 'carga' comuns de serem encontrados nestes veículos e implementos são da Intelbras e resumidamente são descritos abaixo:

Tabela 3 - Um controlador dos mais comuns, ainda do tipo PWM


Na sequência, seu esquema de ligação:

Diagrama 1 - Como são conectados acumuladores, geradores e consumidores ao ECP3024


Agora, um modelo mais moderno:

Tabela 4 - Este modelo já é do tipo MPPT, dos mais modernos


Veja seu esquema de ligação:

Diagrama 2 - Como são conectados acumuladores, geradores e consumidores ao ECM6048


Mais detalhes sobre os módulos da Intelbras aqui citados podem ser acessados na sequência:

Intelbras ECP3024
.pdf
Download PDF • 725KB

Intelbras ECM6048
.pdf
Download PDF • 716KB

Note que os consumidores são conectados ao controlador de 'carga' e não diretamente às baterias, ou seja, pode se fazer um sistema elétrico paralelo ao sistema elétrico do veículo, tendo apenas os acumuladores em comum entre os dois.


OBSERVAÇÃO: A intenção aqui não é fazer propaganda (não somos pagos pra expor todas estas marcas e nomes), apenas explicar o que temos em mãos em nosso dia-a-dia, e convenhamos, não dá pra fazer isso com o mínimo de profundidade sem citar marcas e produtos destas marcas!

 

Carro elétrico com bateria Pb-Ácido?


O avanço contínuo da tecnologia de baterias de Li-Ion permitiu aos carros elétricos maior autonomia, maior torque e mais potência do que nunca. No entanto, a maioria dos VEs ainda porta uma bateria de Pb-Ácido de 12 V.

Sem a necessidade de CCA, a aplicação de uma bateria 12 V para fornecer energia a todos os subsistemas elétricos de baixa tensão é bastante útil, e aqui vão alguns argumentos:

-> Custo: Os acumuladores de Chumbo são baratos. Na maioria dos casos, custa mais caro usar conversores DC-DC para transformar a alta tensão da bateria de tração em 12 V para iluminação, bomba dágua, janelas, assitente de direção e sistemas de infoentretenimento / navegação.

-> Complexidade: Redesenhar qualquer coisa em um carro é um trabalho complicado, pois pode levar anos para se lapidar o projeto. As baterias de Pb-Ácido oferecem durabilidade comprovada e uma vida útil relativamente longa. Projetar um VE para operar sistemas de baixa tensão com uma bateria de 12 V simplifica a engenharia.

-> Segurança: A maioria dos sistemas de baixa tensão acima mencionados estão muito próximos dos passageiros. A ideia de eles consumirem energia diretamente de uma bateria de 400 V ou 800 V pode ser perigosa. Uma rede de 12 V permite que a tensão mais alta seja isolada dos sistemas críticos. Além do mais uma fiação de alta tensão na cabine exigiria um isolamento elétrico mais bem trabalhado.


Alguns projetos recentes de VEs implementam um acumulador de Lítio muito menor, mais leve e com menor corrente de saída disponível. Veja a bateria de baixa tensão deste BYD Han 2023:

Imagem 12 - Uma pequena bateria de Fosfato de Ferro e Lítio para o sistema de baixa tensão num VE da chinesa BYD


Agora veja o acumulador de 12 V em um Kwid elétrico:

Imagem 13 - A bateria de 12 V tem o mesmo invólucro de modelos aplicados em motores de combustão. Créditos: Quatro Rodas


No manual de instruções do Kwid E-Tech:

Complemento 2 - A 'chupeta' foi abolida, não é aplicável em carros elétricos. Nem carregadores externos são aceitos


Este artigo é algo que eu vinha escrevendo há muito tempo. Nunca compactuei com tamanha distinção entre baterias com tecnologias tão semelhantes, e isso que não me aprofundei nas baterias 12 V de aviões nem nas 12 V tracionárias, que também podem ser Pb-Ácido seladas, livres de manutenção. Preferi usar como ferramenta de estudo o que eu tinha em mãos neste momento.


Descobrir que as baterias possuem um valor de CCA muito mais alto do que o valor costumeiro requisitado no dia-a-dia foi o mais legal dessas experiências, além de, claro, poder mostrar isso na prática.

A forma com que a bateria sofre indiretamente com a falta de troca de óleo ou o uso do óleo lubrificante errado no gerador térmico também se mostrou um complexo exemplo de como a carga sobre o eixo de um motor influência seu consumo de eletricidade!


Gostou do artigo? Achou algum problema? Ficou com dúvidas? Entre em contato com Hardware Central pelo Facebook ou pelo e-mail hardwarecentrallr@gmail.com. 

 

FONTES e CRÉDITOS


Texto: Leonardo Ritter.

Imagens, Vídeos, Gráficos e Diagramas: Leonardo Ritter; Google Patents; You Tube; Google Imagens.

Referências: Mundo Educação; Brasil Escola; Battery University; Heliar; Freedom; Tudor; Duracell; Moura; Rótulos de embalagens de baterias; STA Eletrônica; Unipower; Google Patents (Patentes da Clarios); Manuais de veículos (GM Tracker, Renault Scénic, FIAT Palio e Ford Focus); SciELO; Embarcados; Canal do You Tube Alta RPM; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!); Desmonte de baterias e pilhas feito pelo autor deste texto.


Ultima atualização: 12 de Abril de 2024.

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