Baterias de Chumbo-Ácido Inundadas (Baterias de Chumbo)

Introdução

Existem vários tipos de bateria de chumbo-ácido, incluindo gel, tapete de vidro absorvido (AGM) e inundada. A bateria de chumbo-ácido original remonta a 1859 e, embora tenha sido consideravelmente modernizada desde então, a teoria permanece a mesma. As baterias de tapete de vidro absorvido e de gel são frequentemente agrupadas como baterias reguladas por válvula de chumbo-ácido (VRLA).

As baterias de chumbo-ácido não têm grandes propriedades de energia para peso ou energia para volume, mas continuam em uso porque são baratas de fabricar e têm excelentes propriedades de potência para peso. As baterias de chumbo-ácido são amplamente empregadas na indústria automobilística porque são capazes de descarregar uma grande quantidade de corrente em um curto período de tempo; isso é precisamente o que é necessário para colocar um motor de combustão interna (IC) estático em movimento (diesel ou gasolina, etc.).

Estima-se que entre 40-60% do peso de uma bateria de chumbo-ácido média é diretamente atribuído às placas de chumbo (é por isso que a bateria é tão pesada).

 

Como Funcionam as Baterias de Chumbo-Ácido

 

As placas de chumbo são suspensas em eletrólito (solução de água e ácido sulfúrico) dentro de um invólucro de bateria de plástico. As placas positivas e negativas são criadas com revestimentos diferentes para que a corrente flua entre elas. À medida que a corrente flui entre as placas devido à reação química, sulfato de chumbo se forma em ambas as placas positivas e negativas (o sulfato de chumbo aparece como um revestimento amarelo). À medida que o sulfato de chumbo aumenta, a tensão começa a diminuir. O sulfato de chumbo irá cristalizar nas placas se um carregador de bateria não for imediatamente conectado e uma corrente de carga aplicada.

 

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Tipos de Baterias de Chumbo-Ácido

Geralmente, existem dois tipos de baterias de armazenamento de chumbo-ácido, com base no seu método de construção. Essas baterias são chamadas de inundadas (ou ventiladas) ou seladas. As baterias inundadas e seladas também diferem em sua operação. Todas as baterias de chumbo-ácido produzem gás hidrogênio e oxigênio (gaseificação) nos eletrodos durante o carregamento através de um processo chamado eletrólise. Esses gases são liberados em uma célula inundada, no entanto, a célula selada é construída de forma que os gases sejam contidos e recombinados. Deve-se notar que o gás hidrogênio é explosivo no ar a apenas 4% em volume. As baterias de chumbo-ácido inundadas e seladas são discutidas nos parágrafos seguintes.

Baterias de Chumbo-Ácido Inundadas

As células inundadas são aquelas onde os eletrodos/placas estão imersos em eletrólito. Como os gases criados durante o carregamento são ventilados para a atmosfera, água destilada deve ser adicionada ocasionalmente para trazer o eletrólito de volta ao seu nível necessário. O exemplo mais familiar de uma célula de chumbo-ácido inundada é a bateria de automóvel de 12 V.

Baterias de Chumbo-Ácido Seladas

Esses tipos de baterias confinam o eletrólito, mas têm uma válvula ou ventilação para permitir que os gases escapem se a pressão interna exceder um determinado limite. Durante o carregamento, uma bateria de chumbo-ácido gera gás oxigênio no eletrodo positivo.

As baterias de chumbo-ácido seladas são projetadas para que o oxigênio gerado durante o carregamento seja capturado e recombinado na bateria. Isso é chamado de ciclo de recombinação de oxigênio e funciona bem enquanto a taxa de carga não for muito alta. Uma taxa de carga muito alta pode resultar em ruptura do invólucro, fuga térmica ou dano mecânico interno.

A bateria regulada por válvula é o tipo mais comum de bateria selada. Foi desenvolvida para aplicações de bateria estacionária e de telecomunicações. Esses tipos de baterias seladas têm uma válvula controlada por mola que ventila gases a uma pressão predeterminada. Os limites de pressão típicos são de 2 a 5 psig, dependendo do design da bateria. Embora o termo "regulada por válvula" seja frequentemente usado como sinônimo para descrever baterias de chumbo-ácido seladas, nem todas as baterias seladas são reguladas por válvula. Alguns designs de bateria empregam tampões de ventilação substituíveis ou outros mecanismos para aliviar o excesso de pressão. As baterias seladas foram desenvolvidas para reduzir a manutenção necessária para baterias em serviço ativo. Como os níveis de eletrólito são preservados pela captura e recombinação dos gases, não deve haver necessidade de adicionar água destilada durante a vida útil da bateria. Essas baterias são frequentemente mal chamadas de "livres de manutenção". Na verdade, todas as práticas de manutenção aplicáveis a baterias não seladas são aplicáveis a baterias seladas. A única exceção é que os níveis de eletrólito não podem, e não devem, ser mantidos.

As baterias do tipo selado são frequentemente evitadas para aplicações de fonte de energia de backup por várias razões. Uma razão é que o estado de carga das baterias do tipo selado não pode ser determinado pela medição usual de gravidade específica. Métodos alternativos confiáveis para medir o estado de carga de baterias do tipo selado estão em desenvolvimento. Uma segunda razão é sua sensibilidade a altas temperaturas.

 

Operação e Construção

Os parágrafos seguintes descrevem a operação geral e a construção de baterias de chumbo-ácido.

Materiais Ativos da Bateria de Chumbo-Ácido

Os materiais ativos em uma bateria são aqueles que participam da reação eletroquímica de carga/descarga. Esses materiais incluem o eletrólito e os eletrodos positivos e negativos. Como mencionado anteriormente, o eletrólito em uma bateria de chumbo-ácido é uma solução diluída de ácido sulfúrico (H₂SO₄). O eletrodo negativo de uma bateria totalmente carregada é composto de chumbo esponjoso (Pb) e o eletrodo positivo é composto de dióxido de chumbo (PbO₂).

Eletroquímica da Célula de Chumbo-Ácido

Todas as baterias de chumbo-ácido operam nas mesmas reações fundamentais. À medida que a bateria descarrega, os materiais ativos nos eletrodos (dióxido de chumbo no eletrodo positivo e chumbo esponjoso no eletrodo negativo) reagem com o ácido sulfúrico no eletrólito para formar sulfato de chumbo e água. Na recarga, o sulfato de chumbo em ambos os eletrodos se converte de volta em dióxido de chumbo (positivo) e chumbo esponjoso (negativo), e os íons sulfato (SO₄^2-) são direcionados de volta para a solução de eletrólito para formar ácido sulfúrico. As reações envolvidas na célula seguem.

No eletrodo positivo

No eletrodo negativo

Para a célula geral

Portanto, a tensão máxima de circuito aberto que pode ser desenvolvida por uma única célula de chumbo-ácido é de 2,041 V.

Métodos de Construção de Placas Negativas e Positivas

O método mais simples para a construção de eletrodos de bateria de chumbo-ácido é a placa Planté, nomeada em homenagem ao inventor da bateria de chumbo-ácido. Uma placa Planté é simplesmente uma placa plana composta de chumbo puro. Como a capacidade de uma bateria de chumbo-ácido é proporcional à área de superfície dos eletrodos que está exposta ao eletrólito, vários esquemas são empregados para aumentar a área de superfície dos eletrodos por unidade de volume ou peso. As placas Planté são sulcadas ou perfuradas para aumentar sua área de superfície. Uma placa Planté típica é mostrada na imagem abaixo.

O método mais comumente usado para aumentar a área de superfície é transformar o material ativo em uma pasta que atua como uma esponja onde o eletrólito preenche todos os poros. A pasta, ou material ativo, é montada em uma estrutura de grade que a suporta mecanicamente e serve como o condutor elétrico que transporta a corrente durante o ciclo de carga e descarga. A placa mais comumente usada hoje é a placa pastosa, também conhecida como placa plana. Esta estrutura de grade é uma obra de treliça que se assemelha à seção transversal de um favo de mel, com a pasta preenchendo todas as janelas retangulares na estrutura. Na imagem abaixo mostra uma construção típica de uma grade de placa pastosa. A construção de placa plana é usada como a placa de eletrodo negativo em quase todos os casos, e serve como a placa positiva na maioria das aplicações de espera.

Placa Planté Típica

Construção Típica de uma Grade de Placa Pastosa

Os eletrodos positivos são geralmente de construção de placa pastosa ou tubular. Os eletrodos tubulares são placas positivas populares para aplicações de ciclo pesado. Esta construção usa uma estrutura de quadro composta por uma série de espinhas verticais conectadas a um barramento comum (barramento). A pasta é mantida em tubos microporosos, não condutores, que são colocados sobre as espinhas individuais. Uma visão simplificada da construção de placa tubular é mostrada na imagem abaixo. Independentemente do tipo de placa usado, a capacidade de qualquer bateria é aumentada adicionando múltiplas placas em paralelo.

Liga de Antimônio/Cálcio/Selênio/Estanho

A estrutura de grade em baterias de placa pastosa e tubular é feita de uma liga de chumbo. Uma estrutura de grade de chumbo puro não é forte o suficiente por si só para se manter vertical enquanto suporta o material ativo. Outros metais em pequenas quantidades são ligados ao chumbo para maior resistência e propriedades elétricas melhoradas. Os metais mais comumente ligados são antimônio, cálcio, estanho e selênio.

Construção Típica de uma Placa Tubular

As duas ligas mais comuns usadas hoje para endurecer a grade são antimônio e cálcio. As baterias com esses tipos de grades são às vezes chamadas de baterias "chumbo-antimônio" e "chumbo-cálcio". O estanho é adicionado às grades de chumbo-cálcio para melhorar a ciclagem. As principais diferenças entre baterias com grades de chumbo-antimônio e chumbo-cálcio são as seguintes:

1. As baterias de chumbo-antimônio podem ser ciclicamente profundas mais vezes do que as baterias de chumbo-cálcio. 
2. As baterias de chumbo-antimônio inundadas requerem manutenção mais frequente à medida que se aproximam do fim da vida útil, pois usam uma quantidade crescente de água e requerem cargas de equalização periódicas. 
3. As baterias de chumbo-cálcio têm taxas de autodescarga mais baixas, como mostrado na imagem abaixo, e, portanto, consomem menos corrente enquanto estão em carga flutuante do que as baterias de chumbo-antimônio. 
4. As placas positivas de chumbo-cálcio podem crescer em comprimento e largura devido à oxidação da grade nas fronteiras dos grãos. Essa oxidação é geralmente causada por sobrecarga de longo prazo, que é comum em UPS e outras baterias em mudança constante de flutuação. As grades podem crescer em tamanho o suficiente para causar deformação ou ruptura de seus recipientes.

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Taxas de Autodescarga de Três Materiais de Grade

Outro tipo de liga de grade é o chumbo-selênio. Na realidade, esta bateria é na verdade uma grade de chumbo-antimônio baixo com uma pequena quantidade de selênio. O chumbo-selênio tem características que se situam entre o chumbo-cálcio e o chumbo-antimônio.

Quando o chumbo puro é misturado com uma liga, podem ser introduzidas características indesejáveis no desempenho da bateria. Os fabricantes modernos de baterias tentam reduzir a quantidade de antimônio e cálcio introduzindo agentes dopantes, como selênio, cádmio, estanho e arsênio. Quando baterias contendo arsênio e antimônio são carregadas (especialmente sobrecarregadas), os gases venenosos arsina (AsH₃) e estibina (SbH₃) podem ser liberados. Isso é discutido mais adiante nos parágrafos dedicados ao carregamento.

Gravidade Específica

Um dos principais parâmetros de operação da bateria é a gravidade específica do eletrólito. A gravidade específica é a relação entre o peso de uma solução e o peso de um volume igual de água a uma temperatura especificada. A gravidade específica é usada como um indicador do estado de carga de uma célula ou bateria. No entanto, as medições de gravidade específica não podem determinar a capacidade de uma bateria. Durante a descarga, a gravidade específica diminui linearmente com os ampere-horas descarregados, conforme indicado na imagem abaixo.

Mudanças na Tensão e Gravidade Específica Durante Carga e Descarga

Portanto, durante a operação em estado estacionário totalmente carregada e na descarga, a medição da gravidade específica do eletrólito fornece uma indicação aproximada do estado de carga da célula. A linha descendente para a gravidade específica durante a descarga é aproximada pela equação abaixo:

Gravidade específica = tensão de circuito aberto da célula - 0,845.

Ou

Tensão de circuito aberto da célula = gravidade específica + 0,845.

As equações acima permitem o monitoramento elétrico da gravidade específica aproximada ocasionalmente. Como mencionado anteriormente, as medições de gravidade específica não podem ser feitas em baterias de chumbo-ácido seladas. A medição da tensão de circuito aberto da célula tem sido usada como um indicador do estado de carga de uma bateria selada. Métodos mais confiáveis para determinar o estado de carga de baterias seladas estão em desenvolvimento.

A gravidade específica diminui durante a descarga de uma bateria para um valor próximo ao da água pura e aumenta durante uma recarga. A bateria é considerada totalmente carregada quando a gravidade específica atinge seu valor mais alto possível.

A gravidade específica, é claro, varia com a temperatura e a quantidade de eletrólito em uma célula. Quando o eletrólito está próximo à marca de nível baixo, a gravidade específica é maior que a nominal e cai à medida que a água é adicionada à célula para trazer o eletrólito ao nível completo. O volume de eletrólito se expande à medida que a temperatura sobe e se contrai à medida que a temperatura cai, afetando assim a leitura de densidade ou gravidade específica. À medida que o volume de eletrólito se expande, as leituras são reduzidas e, inversamente, a gravidade específica aumenta com temperaturas mais frias.

A gravidade específica para uma determinada bateria é determinada pela aplicação em que será usada, levando em consideração a temperatura de operação e a vida útil da bateria. Gravidades específicas típicas para certas aplicações são mostradas na Tabela 1.

Tabela 1. Gravidades específicas para baterias inundadas.

Gravidades específicas	Aplicação
1.300	Baterias ciclicamente pesadas, como para veículos elétricos (tração)
1.260	Automotivo (SLI)
1.250	UPS—Standby com alta exigência de descarga de corrente momentânea
1.215	Aplicações gerais, como aplicações de utilidade elétrica e telefone

 

Na seleção de uma bateria para uma determinada aplicação, alguns dos efeitos de gravidade específica alta ou baixa a serem considerados são:

Gravidade mais alta	Gravidade mais baixa
Mais capacidade	Menos capacidade
Vida útil mais curta	Vida útil mais longa
Menos espaço necessário	Mais espaço necessário
Taxas de descarga momentânea mais altas	Taxas de descarga momentânea mais baixas
Menos adaptável à operação "flutuante"	Mais adaptável à operação "flutuante"
Mais perda em repouso	Menos perda em repouso

 

Uma solução de gravidade específica mais alta é mais pesada por unidade de volume do que uma de gravidade específica mais baixa. Portanto, o eletrólito mais concentrado criado durante o carregamento afunda no fundo do frasco da bateria, criando um gradiente na gravidade específica. A gaseificação que ocorre na sobrecarga serve como um "misturador" e torna a gravidade específica uniforme em toda a célula. Para evitar leituras errôneas, as medições de gravidade específica devem ser feitas apenas após uma carga de equalização e carga flutuante subsequente por pelo menos 72 horas. O leitor deve procurar orientação adicional sobre gravidade específica na norma ANSI/IEEE Std 450, Prática Recomendada para Manutenção, Teste e Substituição de Grandes Baterias de Armazenamento de Chumbo para Estações Geradoras e Subestações.

Efeitos da Taxa de Descarga e Temperatura na Capacidade e Vida Útil

A taxa na qual uma bateria é descarregada e sua temperatura de operação têm um efeito profundo em sua capacidade e vida útil. Um exemplo do efeito da taxa de descarga na capacidade da bateria é mostrado na imagem abaixo para baterias de tração. Esta imagem mostra que baterias descarregadas a uma taxa baixa serão capazes de fornecer uma capacidade maior do que aquelas descarregadas a uma taxa alta.

A profundidade de descarga também afeta a vida útil de uma bateria. Como mostrado na imagem abaixo para uma bateria de tração típica, descargas além de cerca de 80% da capacidade podem encurtar a vida útil da bateria.

Temperaturas de operação mais frias proporcionarão um pouco mais de vida útil, mas também reduzirão a capacidade das células de chumbo-ácido. Altas temperaturas proporcionam maior capacidade (veja a imagem abaixo), mas têm um efeito prejudicial na vida útil.

Efeitos Típicos da Taxa de Descarga na Capacidade da Bateria

Efeitos Típicos da Profundidade de Descarga na Vida Útil da Bateria de Tração

Efeitos Típicos das Temperaturas de Operação na Capacidade da Bateria de Tração

 

Aplicações

Existem inúmeras aplicações para o uso de baterias de armazenamento de chumbo-ácido. Elas variam desde os sistemas de bateria extremamente grandes usados em nivelamento de carga por empresas de serviços elétricos até as baterias relativamente pequenas usadas em ferramentas manuais. As baterias podem precisar passar por ciclos profundos e frequentes, como aquelas usadas para energia de veículos elétricos, ou podem permanecer em "flutuação", como em uma aplicação de iluminação de emergência e raramente serem descarregadas. Claramente, essas aplicações não podem usar a mesma bateria. Restrições em parâmetros como temperatura de operação, capacidade desejada, requisitos de tensão e potência, etc., afetam o tipo de bateria escolhido.

Todas as considerações acima são levadas em conta ao determinar o ciclo de trabalho da bateria. O ciclo de trabalho são os parâmetros operacionais necessários de uma célula ou bateria, incluindo fatores como taxas de carga e descarga, profundidade de descarga, duração do ciclo e tempo no modo de espera. O ciclo de trabalho deve ser conhecido e incluído na especificação de aquisição da bateria. O ciclo de trabalho e a bateria escolhida também determinarão o tipo de carregador usado. Mais detalhes sobre a correspondência de carregadores com baterias e aplicações são incluídos em parágrafos posteriores. Mais informações sobre ciclos de trabalho estão incluídas na seção intitulada "Dimensionamento e Seleção".

As principais categorias de aplicações de baterias de chumbo-ácido são partida, iluminação e ignição (SLI); industrial, incluindo aplicações de tração e estacionárias; e pequenos equipamentos portáteis. Uma breve descrição de cada tipo é incluída abaixo, juntamente com exemplos de usos de cada tipo.

Partida, Iluminação e Ignição

As baterias SLI são usadas por muitas pessoas todos os dias e são produzidas em maior número do que qualquer outro tipo de bateria de armazenamento de chumbo-ácido. Elas são usadas para dar partida em automóveis e na maioria dos outros tipos de motores de combustão interna. Elas não são adequadas para aplicações de descarga profunda, mas são excelentes para usos que exigem uma alta corrente por um breve período de tempo. Elas geralmente são carregadas de maneira "flutuante parcial", o que significa que a bateria só recebe uma carga flutuante enquanto o veículo está em funcionamento. Uma visão em corte de uma bateria SLI típica é mostrada na imagem abaixo. As baterias SLI geralmente são do design de placa pastosa plana.

Visão em Corte de uma Bateria Típica Usada para Partida, Iluminação e Ignição (SLI)

Industrial

As baterias industriais geralmente têm a maior capacidade das três principais categorias de baterias de chumbo-ácido. As baterias industriais são usadas para tração de veículos e aplicações estacionárias.

Tração

As baterias de tração são usadas para fornecer energia motriz para veículos elétricos ou híbridos. A principal ênfase no design de baterias de tração é a necessidade de uma alta relação capacidade/peso e volume, uma vez que o veículo também deve transportar sua fonte de energia. As baterias de tração são frequentemente ciclicamente profundas e requerem uma taxa de carregamento rápida para uso geralmente dentro de 24 horas. Aplicações típicas são energia motriz para empilhadeiras e carrinhos elétricos. As baterias de tração geralmente são do design de placa tubular, que tem um desempenho mais favorável durante a operação de ciclo profundo.

Estacionária

As baterias estacionárias vêm em uma ampla variedade de designs para diferentes aplicações. Elas são usadas para aplicações onde a energia é necessária apenas em uma base de espera ou emergência. As baterias estacionárias são raramente descarregadas. As baterias estacionárias permanecem em uma carga flutuante contínua para que possam ser usadas sob demanda. Os tipos maiores de baterias estacionárias são aqueles usados para nivelamento de carga elétrica. As baterias de nivelamento de carga armazenam energia elétrica para momentos de demanda de energia de pico e são retiradas de linha durante momentos de baixa demanda de energia. As baterias estacionárias também são usadas para energia de emergência de backup, equipamentos de telecomunicações e fontes de alimentação ininterruptas. As baterias estacionárias são fabricadas em uma variedade de designs de placa. Um exemplo de uma bateria estacionária usada para energia de backup é mostrado na imagem abaixo.

Bateria Estacionária Típica Usada para Energia de Backup

Portátil

As baterias de chumbo-ácido portáteis geralmente são do tipo selado, construídas de forma semelhante àquela mostrada na imagem abaixo. Sua operação geralmente não pode ser descrita como cíclica ou flutuante, mas está em algum lugar entre os dois. As baterias nesta categoria podem ser frequentemente ciclicamente profundas ou permanecerem não utilizadas por um tempo relativamente longo. Aplicações típicas são ferramentas portáteis, brinquedos, iluminação e iluminação de emergência, equipamentos de rádio e sistemas de alarme. A maioria das baterias portáteis pode ser recarregada para 80–90% de sua capacidade original em menos de uma hora usando um carregador de tensão constante.

Componentes de uma Célula de Chumbo-Ácido Selada

 

Dimensionamento e Seleção

O dimensionamento e a seleção de baterias de chumbo-ácido devem ser realizados de acordo com a norma ANSI/IEEE Std 485, Prática Recomendada para Dimensionamento de Grandes Baterias de Armazenamento de Chumbo para Estações Geradoras e Subestações. Como descrito anteriormente, o ciclo de trabalho é o critério mais importante no dimensionamento e seleção de baterias. A norma ANSI/IEEE Std 485 contém direções, bem como um exercício de exemplo para determinar o ciclo de trabalho. Um diagrama simples de ciclo de trabalho é mostrado na imagem abaixo.

Diagrama de um Ciclo de Trabalho

Cada uma das cargas (designadas por L1-6) requer uma certa amperagem por um tempo e duração especificados. No exemplo de ciclo de trabalho, uma carga que ocorre aleatoriamente (L7) é assumida ocorrer no 120º minuto. A colocação de cargas que ocorrem aleatoriamente no ciclo de trabalho também é coberta na norma ANSI/IEEE Std 485.

Outros fatores de seleção recomendados pela norma ANSI/IEEE Std 485 são os seguintes:

1. Características físicas, como tamanho e peso das células, material do recipiente, tampas de ventilação, conectores entre células e terminais 
2. Vida útil planejada da instalação e vida útil esperada do design da célula 
3. Frequência e profundidade de descarga 
4. Temperatura ambiente 
5. Requisitos de manutenção para os vários designs de células 
6. Características sísmicas do design da célula.

 

Manutenção

A manutenção adequada prolongará a vida útil de uma bateria e ajudará a garantir que ela seja capaz de satisfazer seus requisitos de design. Um bom programa de manutenção de baterias servirá como uma ajuda valiosa na determinação da necessidade de substituição da bateria. A manutenção da bateria deve sempre ser realizada por pessoal treinado e conhecedor de baterias e das precauções de segurança envolvidas.

A maior parte do material a seguir diz respeito a baterias inundadas, não livres de manutenção. No entanto, as chamadas baterias "livres de manutenção" e reguladas por válvula também requerem alguma manutenção. Elas não requerem adição de água ou verificação de gravidade específica, mas podem exigir limpeza periódica, monitoramento da tensão total de flutuação da célula e da bateria, teste de carga (capacidade), medição de resistência do terminal ou limpeza e aperto dos parafusos do terminal, dependendo da importância da aplicação.

Geral

Em geral, um bom programa de manutenção e inspeção deve ser baseado em normas relevantes, como a norma ANSI/IEEE Std 450, Prática Recomendada para Manutenção, Teste e Substituição de Grandes Baterias de Armazenamento de Chumbo para Estações Geradoras e Subestações. Algumas das práticas recomendadas dessas e de outras referências são apresentadas nos parágrafos seguintes.

As baterias de chumbo-ácido inundadas podem funcionar por 10 anos ou mais se forem mantidas adequadamente. As seis regras gerais de manutenção adequada são:

1. Combine o carregador com os requisitos da bateria. 
2. Evite descarregar excessivamente a bateria. 
3. Mantenha o eletrólito no nível apropriado (adicione água conforme necessário). 
4. Mantenha a bateria limpa. 
5. Evite superaquecimento da bateria. 
6. Forneça uma carga de equalização periodicamente para baterias/células fracas.

Correspondência do Carregador com os Requisitos da Bateria

Práticas de carregamento inadequadas são responsáveis por encurtar a vida útil de uma bateria mais do que qualquer outra causa. O carregamento pode ser realizado por vários métodos, mas o objetivo de conduzir corrente através da bateria na direção oposta à descarga permanece o mesmo. O aspecto mais importante do carregamento é combinar o carregador com a aplicação da bateria. Ao escolher um carregador, é necessário considerar o tipo de bateria, a forma como a bateria será descarregada, o tempo disponível para carga, as temperaturas extremas que a bateria experimentará e o número de células na bateria (tensão de saída). É importante consultar o fabricante da bateria no momento da compra para determinar o método de carregamento apropriado.

Em geral, as baterias de chumbo-ácido podem ser recarregadas a qualquer taxa que não produza gaseificação excessiva, sobrecarga ou altas temperaturas. As baterias descarregadas podem ser recarregadas com uma corrente alta inicialmente. No entanto, uma vez que a bateria se aproxima de sua carga total, a corrente deve ser diminuída para reduzir a gaseificação e a sobrecarga excessiva.

Uma ampla variedade de esquemas existe para carregar baterias de chumbo-ácido. Embora uma discussão completa sobre várias técnicas de carregamento esteja além do escopo deste curso, uma descrição geral dos métodos mais comuns segue.

Carregamento de Tensão Constante

Os carregadores de tensão constante (frequentemente chamados de potencial constante) mantêm quase a mesma tensão de entrada para a bateria durante todo o processo de carregamento, independentemente do estado de carga da bateria. Os carregadores de tensão constante fornecem uma corrente inicial alta para a bateria devido à maior diferença de potencial entre a bateria e o carregador. Um carregador de tensão constante pode retornar até 70% da descarga anterior nos primeiros 30 minutos. Isso se mostra útil em muitas aplicações de bateria envolvendo cenários de descarga múltipla. À medida que a bateria carrega, sua tensão aumenta rapidamente. Isso reduz o potencial que estava dirigindo a corrente, com uma correspondente rápida diminuição na corrente de carga, conforme representado na imagem abaixo. Como resultado, mesmo que a bateria atinja uma carga parcial rapidamente, obter uma carga completa requer carregamento prolongado.

Dada esse comportamento, os carregadores de tensão constante são frequentemente encontrados em aplicações que normalmente permitem períodos de carregamento prolongados para atingir a carga total. Os carregadores de tensão constante não devem ser usados onde há ciclagem frequente da bateria. Descargas repetidas sem retornar a célula à sua carga total eventualmente diminuirão a capacidade da bateria e podem danificar células individuais.

Os carregadores de tensão constante são mais frequentemente usados em dois modos muito diferentes: como um carregador rápido para restaurar uma alta porcentagem de carga em pouco tempo ou como um carregador flutuante para minimizar os efeitos da sobrecarga em baterias com descargas infrequentes, conforme descrito abaixo.

Taxa de Carga versus Tempo para um Carregador de Tensão Constante Típico

Carregamento Flutuante

O carregamento flutuante é mais comumente usado para aplicações de energia de backup e emergência onde a descarga da bateria é infrequente. Durante o carregamento flutuante, o carregador, a bateria e a carga estão conectados em paralelo. O carregador opera a partir da fonte de energia normal, que fornece corrente para a carga durante a operação. No caso de falha da fonte de energia normal, a bateria fornece energia de backup até que a fonte de energia normal seja restaurada. Como a maioria dos equipamentos requer corrente alternada, um circuito retificador que converte corrente alternada em corrente contínua é geralmente adicionado entre a bateria e a carga. Os carregadores flutuantes são tipicamente carregadores de tensão constante que operam a uma baixa tensão. Operar o carregador a uma baixa tensão, geralmente inferior a cerca de 2,4 V por célula, mantém a corrente de carga baixa e, assim, minimiza os efeitos prejudiciais da sobrecarga de alta corrente.

Para baterias reguladas por válvula, uma consideração importante ao carregar flutuante é a possível ocorrência de um fenômeno chamado "fuga térmica". A melhor maneira de prevenir a fuga térmica é através do uso de um carregador de bateria com compensação de temperatura. Um carregador com compensação de temperatura ajusta a tensão de flutuação com base na temperatura da bateria. Carregadores com compensação de temperatura aumentarão a confiabilidade e prolongarão a vida útil do sistema de bateria/carregador. Eles são especialmente úteis para baterias localizadas em áreas onde as temperaturas podem estar significativamente acima das condições ambientes.

Carregamento de Corrente Constante

Carregamento de corrente constante simplesmente significa que o carregador fornece uma corrente relativamente uniforme, independentemente do estado de carga ou temperatura da bateria. O carregamento de corrente constante ajuda a eliminar desequilíbrios de células e baterias conectadas em série. Carregadores de corrente constante de taxa única são mais apropriados para operação cíclica, onde uma bateria é frequentemente necessária para obter uma carga completa durante a noite. Nessas altas taxas de carga, haverá alguma ventilação de gases. A oxidação da grade positiva ocorrerá em temperaturas elevadas ou tempos de sobrecarga prolongados. Normalmente, o usuário de uma aplicação cíclica é instruído a remover a bateria de um carregador de corrente constante de taxa única dentro de um período de tempo que permita carga total, mas evite oxidação excessiva da grade.

Outro tipo de carregador de corrente constante é o carregador de taxa dividida. Um carregador de taxa dividida aplica uma corrente inicial alta à célula e, em seguida, alterna para uma taxa baixa com base no tempo de carga, tensão ou ambos. A escolha do método de comutação e do ponto de comutação pode ser afetada pela prioridade relativa de minimizar a ventilação (comutação precoce) versus manter um bom equilíbrio de células (comutação tardia). Em alguns carregadores de taxa dividida, o carregador alternará entre a taxa alta e baixa à medida que a bateria se aproxima da carga total. Os carregadores de taxa dividida são úteis quando a descarga não pode ser classificada como flutuante ou cíclica, mas está em algum lugar entre as duas aplicações.

Carregamento de Manutenção

Um carregamento de manutenção é um carregamento contínuo de corrente constante a uma taxa baixa (cerca de C/100), que é usado para manter a bateria em uma condição totalmente carregada. O carregamento de manutenção é usado para recarregar uma bateria por perdas de autodescarga, bem como para restaurar a energia descarregada durante o uso intermitente da bateria. Este método é tipicamente usado para baterias SLI e similares quando a bateria é removida do veículo ou de sua fonte regular de carregamento. O carregamento de manutenção também é amplamente usado para ferramentas e equipamentos portáteis, como lanternas e chaves de fenda alimentadas por bateria.

Evitando a Sobredescarga

Para obter a vida útil máxima das baterias de chumbo-ácido, elas devem ser desconectadas da carga assim que descarregarem sua capacidade total. A tensão de corte de uma célula de chumbo-ácido é geralmente em torno de 1,75 V. No entanto, a tensão de corte é muito sensível à temperatura de operação e à taxa de descarga. Baterias descarregadas a uma taxa alta terão uma tensão de corte mais baixa do que aquelas descarregadas a uma taxa baixa. Capacidades maiores são obtidas em temperaturas mais altas e taxas de descarga baixas. O fabricante deve especificar tensões de corte para várias temperaturas de operação e taxas de descarga. A sobredescarga pode causar dificuldades na recarga da célula, aumentando a resistência interna da bateria. Além disso, a sobredescarga pode causar a precipitação de chumbo no separador e causar um curto-circuito na célula ou entre células.

Manutenção dos Níveis de Eletrólito

Durante a operação normal, a água é perdida de uma bateria de chumbo-ácido inundada como resultado da evaporação e eletrólise em hidrogênio e oxigênio, que escapam para a atmosfera. Um Faraday de sobrecarga resultará em uma perda de cerca de 18 g de água. A evaporação é uma parte relativamente pequena da perda, exceto em climas muito quentes e secos. Com uma bateria totalmente carregada, a eletrólise consome água a uma taxa de 0,336 cm3 por ampere-hora de sobrecarga. Uma bateria de 500 Ah sobrecarregada em 10% pode, assim, perder 16,8 cm3, ou cerca de 0,3%, de sua água a cada ciclo. É importante que o eletrólito seja mantido no nível adequado na bateria. O eletrólito não só serve como o condutor iônico, mas é um fator importante na transferência de calor das placas. Se o eletrólito estiver abaixo do nível das placas, então uma área da placa não é eletroquimicamente eficiente; isso causa uma concentração de calor em outras partes da bateria. A verificação periódica do consumo de água também pode servir como uma verificação aproximada da eficiência de carregamento e pode alertar quando o ajuste do carregador é necessário.

Como a substituição de água pode ser um custo de manutenção significativo, a perda de água pode ser reduzida controlando a quantidade de sobrecarga e usando dispositivos de recombinação de hidrogênio e oxigênio em cada célula, quando possível. A adição de água é melhor realizada após a recarga e antes de uma carga de equalização. A água é adicionada no final da carga para atingir a linha de nível alto. A gaseificação durante a sobrecarga irá misturar a água uniformemente no ácido. Em clima frio, a água não deve ser adicionada sem mistura, pois pode congelar antes que a gaseificação ocorra. Apenas água destilada deve ser adicionada às baterias. Embora água desmineralizada ou da torneira possa ser aprovada para algumas baterias, o baixo custo da água destilada a torna a melhor escolha. Dispositivos automáticos de irrigação e testes de confiabilidade podem reduzir ainda mais os custos de mão de obra de manutenção. O enchimento excessivo deve ser evitado porque o transbordamento resultante do eletrólito ácido causará corrosão da bandeja, caminhos de aterramento e perda de capacidade da célula. Embora a água destilada não seja mais especificada pela maioria dos fabricantes de baterias, água de boa qualidade, baixa em minerais e íons de metais pesados, como ferro, ajudará a prolongar a vida útil da bateria.

Limpeza

Manter a bateria limpa minimizará a corrosão dos conectores dos postes das células e das bandejas de aço e evitará reparos caros. As baterias geralmente acumulam sujeira seca que pode ser facilmente soprada ou escovada. Essa sujeira deve ser removida antes que a umidade a torne um condutor de correntes estranhas. O topo da bateria pode ficar úmido com eletrólito a qualquer momento que uma célula estiver cheia demais. O ácido neste eletrólito não evapora e deve ser neutralizado lavando a bateria com uma solução de bicarbonato de sódio e água quente, aproximadamente 1 kg de bicarbonato de sódio para 4 L de água. Após a aplicação de tal solução, a área deve ser enxaguada completamente com água.

Evitando Altas Temperaturas

Uma das condições mais prejudiciais para uma bateria é a alta temperatura, particularmente acima de 55°C, porque as taxas de corrosão, solubilidade dos componentes metálicos e autodescarga aumentam com o aumento da temperatura. A alta temperatura de operação durante o serviço de ciclo requer maior entrada de carga para restaurar a capacidade de descarga e as perdas de autodescarga. Mais da entrada de carga é consumida pela reação de eletrólise devido à redução na tensão de gaseificação na temperatura mais alta. Enquanto 10% de sobrecarga por ciclo mantém o estado de carga a 25 a 35°C, 35 a 40% de sobrecarga pode ser necessária para manter o estado de carga nas temperaturas de operação mais altas (60 a 70°C). No serviço de flutuação, as correntes de flutuação aumentam nas temperaturas mais altas, resultando em vida útil reduzida. Onze dias de flutuação a 75°C equivalem em vida útil a 365 dias a 25°C. As baterias destinadas a aplicações de alta temperatura devem usar um eletrólito de gravidade específica inicial mais baixa do que aquelas destinadas ao uso em temperaturas normais. Os fabricantes devem ser consultados sobre faixas de temperatura aceitáveis para operação de suas baterias e sobre os efeitos associados da temperatura. As baterias de níquel-cádmio podem ser mais adequadas para aplicações de temperatura mais alta.

Fornecendo uma Carga de Equalização

Freqüentemente, uma bateria multicelular terá uma ou mais células com uma tensão significativamente mais baixa do que outras células na bateria. Quando a bateria é descarregada, as células com tensão mais baixa podem se tornar sobrecarregadas. Como observado anteriormente, a sobrecarga pode causar danos suficientes a uma célula que ela precisa ser substituída. Quando existe uma diferença entre os potenciais das células na mesma bateria, uma carga de equalização é aplicada para trazê-las a um potencial igual ao das outras células. Os critérios para aplicar uma carga de equalização podem ser encontrados na norma ANSI/IEEE 450, Prática Recomendada para Manutenção, Teste e Substituição de Grandes Baterias de Armazenamento de Chumbo para Estações Geradoras e Subestações.

Precauções de Segurança

Os problemas de segurança associados às baterias de chumbo-ácido incluem derramamentos de ácido sulfúrico, potenciais explosões devido à geração de hidrogênio e oxigênio, e a geração de gases tóxicos, como arsina e estibina. Todos esses problemas podem ser satisfatoriamente tratados com precauções adequadas. A NFPA 70, Código Elétrico Nacional, fornece orientação sobre ventilação de salas de baterias. O uso de protetores faciais e aventais e luvas de plástico ou borracha ao manusear ácido é recomendado para evitar queimaduras químicas por ácido sulfúrico. Lave imediatamente e completamente com água limpa se o ácido entrar nos olhos, pele ou roupas e obtenha atenção médica quando os olhos forem afetados. Uma solução de bicarbonato de sódio é comumente usada para neutralizar qualquer ácido derramado acidentalmente. Após a neutralização, a área deve ser enxaguada com água limpa.

Precauções devem ser praticadas rotineiramente para prevenir explosões devido à ignição da mistura de gás inflamável de hidrogênio e oxigênio formada durante a sobrecarga de células de chumbo-ácido. A taxa máxima de formação é de 0,42 L de hidrogênio e 0,21 L de oxigênio por ampere-hora de sobrecarga em temperatura e pressão padrão. A mistura de gás é explosiva quando o hidrogênio no ar excede 4% em volume. Uma prática padrão é definir dispositivos de aviso para soar alarmes a 20 a 25% deste limite explosivo inferior (LEL). Detectores de hidrogênio estão disponíveis comercialmente para esse fim.

Com boa circulação de ar ao redor de uma bateria, o acúmulo de hidrogênio normalmente não é um problema. No entanto, se baterias relativamente grandes estiverem confinadas em salas pequenas, ventiladores de exaustão devem ser instalados para ventilar a sala constantemente ou serem ligados automaticamente quando o acúmulo de hidrogênio exceder 20% do limite explosivo inferior. As caixas de baterias também devem ser ventiladas para a atmosfera. Faíscas ou chamas podem inflamar essas misturas de hidrogênio acima do LEL. Para prevenir a ignição, fontes elétricas de arcos, faíscas ou chamas devem ser montadas em caixas metálicas à prova de explosão. As baterias inundadas podem ser equipadas com dispositivos de retenção de chamas nas ventilações para evitar que faíscas externas inflamem gases explosivos dentro dos invólucros das células. É obrigatório abster-se de fumar, usar chamas abertas ou criar faíscas nas proximidades da bateria. Um número considerável das explosões de baterias relatadas vem de carregamento descontrolado em aplicações não automotivas. Muitas vezes, as baterias serão carregadas, fora do veículo, por longos períodos de tempo com um carregador não regulado. Apesar do fato de que as correntes de carga podem ser baixas, volumes consideráveis de gás podem se acumular. Quando a bateria é então movida, esse gás é ventilado e, se uma faísca estiver presente, explosões são conhecidas por ocorrer. A introdução de grades de liga de cálcio minimizou esse problema, mas a possibilidade de explosão ainda está presente.

Alguns tipos de baterias podem liberar pequenas quantidades dos gases tóxicos, estibina e arsina. Essas baterias têm placas positivas ou negativas que contêm pequenas quantidades dos metais antimônio e arsênio na liga da grade para endurecer a grade e reduzir a taxa de corrosão da grade durante a ciclagem. Arsina (AsH₃) e estibina (SbH₃) são formadas quando o material de liga de arsênio ou antimônio entra em contato com o hidrogênio, gerado durante a sobrecarga da bateria. Eles são extremamente perigosos e podem causar doenças graves e morte. A ventilação da área da bateria é muito importante. As indicações são de que a ventilação projetada para manter o hidrogênio abaixo de 20% do LEL (aproximadamente 1% de hidrogênio) também manterá a estibina e a arsina abaixo de seus limites tóxicos.

O seguinte resumo de precauções de segurança ajudará a prevenir lesões pessoais e/ou danos à propriedade:

1. Siga as regras de segurança do local e da área aplicáveis para trabalho em baterias. 
2. Obtenha uma permissão de liberação de trabalho aprovada de acordo com o Manual de Segurança do Local antes de iniciar qualquer trabalho em baterias. 
3. O uso de artigos de proteção pessoal, como luvas resistentes a ácido, avental, protetor facial e óculos de proteção, é obrigatório. 
4. O eletrólito é extremamente corrosivo e é necessário extremo cuidado durante o manuseio. 
5. Use apenas ferramentas não condutivas/isoladas/não faíscantes na sala de baterias. 
6. Não fume ou use chamas abertas, não cause arcos nas proximidades da bateria. 
7. Todos os objetos metálicos, como joias (anéis, pulseiras, colares), devem ser removidos antes de trabalhar em baterias. 
8. Neutralize a carga estática acumulada imediatamente antes de trabalhar em baterias, fazendo com que o pessoal entre em contato com a superfície aterrada mais próxima. 
9. Certifique-se de que a entrada e saída da área da bateria estejam desobstruídas. 
10. Verifique a disponibilidade de instalações de água atualmente inspecionadas e operáveis (portáteis ou estacionárias) para enxaguar os olhos e a pele em caso de derramamento de ácido. 
11. Uma Permissão de Trabalho com Radiação é necessária para todo trabalho em uma área controlada radiologicamente. 
12. Por razões de segurança, uma pessoa não deve trabalhar sozinha. Pelo menos duas pessoas (Regra de Dois Homens) devem estar sempre presentes ao trabalhar em sistemas de energia elétrica.

Teste

As baterias devem ser testadas em intervalos regulares para (a) determinar se a bateria atende à sua especificação ou à classificação do fabricante, ou ambos; (b) determinar periodicamente se o desempenho da bateria, conforme encontrado, está dentro dos limites aceitáveis, e (c) se necessário, determinar se a bateria conforme encontrada atende aos requisitos de design do sistema ao qual está conectada. O cronograma e o procedimento para testes de capacidade da bateria devem ser realizados de acordo com os requisitos da norma ANSI/IEEE Std 450, Prática Recomendada para Manutenção, Teste e Substituição de Grandes Baterias de Armazenamento de Chumbo para Estações Geradoras e Subestações.

Para um teste de aceitação ou desempenho, use a seguinte equação para determinar a capacidade da bateria:

% capacidade a 25°C (77°F) = Ta/Ts • 100,

onde

Ta = tempo real do teste para a tensão terminal especificada

Ts = tempo nominal para a tensão terminal especificada.

A norma ANSI/IEEE Std 450 recomenda a substituição de uma bateria se sua capacidade, conforme determinada pela equação acima, for inferior a 80% da classificação do fabricante. Uma capacidade de 80% mostra que a taxa de deterioração da bateria está aumentando, mesmo que haja capacidade suficiente para atender aos requisitos de carga. Se células individuais precisarem ser substituídas, elas devem ser compatíveis com as células existentes e testadas antes da instalação. Recomenda-se que, quando uma ou mais células/frascos forem substituídos, toda a cadeia de baterias seja substituída para evitar grandes diferenças na impedância das células. Se não corrigido, isso pode resultar em carregamento desigual da cadeia de baterias.

 

Armazenamento, Transporte e Descarte

Armazenamento

O armazenamento de baterias de chumbo-ácido é bastante simples. As baterias de chumbo-ácido devem ser armazenadas na condição de circuito aberto com os terminais isolados. Longos períodos de armazenamento, mesmo em baixas taxas de drenagem, podem resultar em danos permanentes. As baterias devem ser armazenadas em ambientes frescos e secos, em posição vertical. Para maximizar o tempo que uma bateria pode ser armazenada, ela deve ser completamente carregada no início. As baterias que serão armazenadas por períodos prolongados devem passar por verificações regulares de tensão de célula aberta (OCV) e ser recarregadas conforme necessário ou em intervalos regularmente programados.

Uma consideração importante durante o armazenamento é um processo prejudicial chamado sulfatação. À medida que as células ficam em armazenamento e se autodescarregam, os materiais ativos dos eletrodos se convertem em sulfato de chumbo, assim como em outras descargas. Mas, na autodescarga, o sulfato de chumbo se forma como cristais maiores que têm o efeito de isolar as partículas do material ativo, seja umas das outras ou da grade. Como o sulfato de chumbo ocupa mais espaço do que o chumbo esponjoso, a placa negativa se expande em volume. Se a célula for permitida a descarregar excessivamente, o sulfato de chumbo pode se expandir a ponto de se separar do chumbo esponjoso e cair no fundo do frasco como sedimento. O efeito geral é uma perda de capacidade e maior resistência interna. A sulfatação é normalmente reversível para o sulfato de chumbo ainda preso à placa negativa, carregando com uma corrente baixa até que o sulfato de chumbo seja convertido de volta em chumbo esponjoso.

Transporte

As baterias de chumbo-ácido são regulamentadas como material perigoso por muitas empresas de transporte e órgãos reguladores. Sob certas condições, um remetente pode ser excluído desses requisitos se as baterias e os métodos de embalagem atenderem a requisitos rigorosos.

Descarte

O descarte de baterias de chumbo-ácido deve ser realizado de acordo com todas as regulamentações federais, estaduais e locais. As baterias de chumbo-ácido devem ser recuperadas para evitar os requisitos regulamentares para tratamento e descarte de resíduos perigosos. A recuperação é exigida por lei em alguns países.

 

Componentes do Modelo 3D

Este modelo 3D mostra todos os principais componentes associados a uma bateria de chumbo-ácido inundada típica, incluindo:

• Postes de Terminal Cônicos
• Tampões de Ventilação e Enchimento
• Condutor de Partição Através
• Placas Positivas (Dióxido de Chumbo)
• Isolador
• Placa Negativa (Chumbo)
• Suportes de Placa
• Espaço para Sedimentos
• Eletrólito

 

Recursos Adicionais

https://en.wikipedia.org/wiki/Lead%E2%80%93acid_battery

https://batteryuniversity.com/learn/article/lead_based_batteries