LCS EPUSP Baterias PTC 2527 Anteprojeto de Formatura

LCS EPUSP Baterias PTC 2527 – Anteprojeto de Formatura Guido Stolfi – 05 / 2017 Guido Stolfi 1 / 87

O que é uma Bateria? LCS EPUSP • Célula Eletroquímica – Converte energia química em elétrica através de reação de óxidoredução • Estrutura: – Anodo: eletrodo negativo, libera elétrons ao circuito externo enquanto é oxidado – Catodo: eletrodo positivo, absorve elétrons do circuito externo enquanto é reduzido quimicamente – Eletrólito: condutor iônico, transfere carga elétrica entre anodo e catodo na forma de íons – Separador: permeável aos íons, evita contato elétrico entre anodo e catodo Guido Stolfi 2 / 87

O que é uma Bateria? LCS EPUSP • Bateria: – Estritamente, é um conjunto de células associadas em série e/ou paralelo, para aumentar a voltagem e / ou capacidade de energia – Uso coloquial genérico para células recarregáveis • Pilha: – Denominação genérica, originária da “Pilha de Volta” Guido Stolfi 3 / 87

Origens LCS EPUSP • Pilha de Volta – – – – – Descoberta de Alessandro Volta (Itália, 1800) “Pilha” de células Zn-H Anodo: Zinco Catodo: Cobre ou Prata Eletrólito: Solução de Ácido Sulfúrico ou água salgada Separador: Tecido ou papel Reação anódica: Zn → Zn 2+ + 2 e− Reação catódica: 2 H++ 2 e− → H 2 Voltagem: ~ 0, 7 V por célula Guido Stolfi 4 / 87

Célula Partiana (Bagdá, 250 A. C. ) LCS EPUSP Guido Stolfi 5 / 87

Pilhas e Baterias LCS EPUSP Guido Stolfi 6 / 87

Classificação das Células Eletroquímicas LCS EPUSP • Célula Primária • Célula Secundária • Célula de Reserva • Célula de Combustível Guido Stolfi 7 / 87

Célula Primária • • LCS EPUSP Reação química irreversível Não são projetadas para (ou não podem) ser recarregadas Alta capacidade específica (Wh / kg ou Wh / cm 3) Longa vida em uso e armazenamento Baixo custo, ampla disponibilidade Livres de manutenção Uso geral (“Pilhas Inclusas”) • Ex. : Leclanché (Zn/Mn. O 2), Alcalina (Zn/Mn. O 2 /KOH), Lítio (Li/SO 2, Li/Mn. O 2, ), Óxido de Prata (Zn/Ag 2 O), Mercúrio (Zn/Hg. O) Guido Stolfi 8 / 87

Célula Primária LCS EPUSP • Operação durante a descarga (exemplo): – Reação anódica (oxidação): Li → Li+ + e− – Reação catódica (redução): Mn. O 2 + e− → Mn. O 2 − – Reação total de descarga: Li + Mn. O 2 → Li+ + Mn. O 2− (Li. Mn. O 2) Guido Stolfi 9 / 87

Célula Secundária • • LCS EPUSP Reação química reversível Projetada para ser recarregada invertendo o sentido da corrente Custo maior, porém mais econômicas ao longo do uso Boa capacidade específica (Wh / kg ou Wh / cm 3) Alta capacidade de corrente de descarga Menor retenção de carga Uso geral e como armazenamento de energia • Ex. : Chumbo-ácido (Pb/Pb. O 2), Níquel-Cádmio (Cd/Ni. OOH), Lítio-íon (Li. C/Li. Co. O 2), Ferro-níquel (Fe/Ni. OOH), Sódio-enxofre (Na/S) Guido Stolfi 10 / 87

Célula Secundária LCS EPUSP • Operação durante a descarga (exemplo): – Reação anódica (oxidação): Cd + 2 OH− → Cd(OH)2 + 2 e− – Reação catódica (redução): Ni. OOH + H 2 O + e − →OH− + Ni(OH)2 – Reação total de descarga: Cd + 2 Ni. OOH + 2 H 2 O → → Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2 Guido Stolfi 11 / 87

Célula Secundária LCS EPUSP • Operação durante a carga (exemplo): – Sentido da corrente inverte – Catodo e Anodo trocam de denominação – Reação anódica (oxidação): Ni(OH)2 + OH− → Ni. OOH + H 2 O + e − – Reação catódica (redução): Cd(OH)2 + 2 e− → Cd + 2 OH− – Reação total de carga: Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2 → → Cd + 2 Ni. OOH + 2 H 2 O Guido Stolfi 12 / 87

Célula de Reserva • • LCS EPUSP Célula Primária de Ativação Um dos elementos / reagentes está separado dos demais Ativação por fusão, ruptura de barreira, gás, água do mar etc. Vida extremamente longa em reserva ( 10 ~ 50 anos) Rápida ativação ( milissegundos) Alta capacidade específica Curta vida útil após ativação Uso militar, equipamentos de emergência • Ex. : Magnésio-água (Mg/Ag. Cl + H 2 O ), Zinco-manganês + água salgada, Zincoamônia (Zn/Pb. O 2 + NH 4 SCN), Lítio-clorato (Li + SOCl 2), Guido Stolfi 13 / 87

Célula de Reserva LCS EPUSP Ativação por Imersão em água salgada Ativação por Impacto/ centrifuga Guido Stolfi 14 / 87

Célula de Combustível • • • LCS EPUSP Célula Primária Um ou mais dos elementos são inseridos continuamente Produtos da reação são descartados Eletrodos inertes, em geral catalisadores Em estado experimental em muitos casos Uso aeroespacial, outras aplicações emergentes • Ex. : Hidrogênio-oxigênio (H 2 / O 2), Metanol-ar (CH 3 OH / O 2) Guido Stolfi 15 / 87

Célula de Combustível LCS EPUSP – Membrana permeável: Freon + ácido trifluorometanosulfônico – Eletrodos: PTFE / platina / carbono – Reação anódica: – H 2 → 2 H + + 2 e − – Reação catódica: – ½ O 2 + 2 H + + 2 e − → H 2 O – Reação total de descarga: H 2 + ½ O 2 → H 2 O Guido Stolfi 16 / 87

LCS EPUSP Características Gerais das Células Eletroquímicas Guido Stolfi 17 / 87

Voltagem da Célula LCS EPUSP Potencial eletromotivo padrão para reações químicas Oxidante Eo (V) Redutor +2. 87 F- H 3 O+ 0. 00 H 2 (g) +2. 10 SO 42 - CH 3 CO 2 H -0. 12 CH 3 CHO +1. 69 Mn. O 2 Pb 2+ -0. 13 Pb +1. 51 Mn 2+ Sn 2+ -0. 14 Sn +1. 50 Au Ni 2+ -0. 23 Ni +1. 45 Pb 2+ Cd 2+ -0. 40 Cd +1. 39 Cl- Fe 2+ -0. 44 Fe +1. 33 Cr 3+ Zn 2+ -0. 76 Zn +1. 23 H 2 O Al 3+ -1. 66 Al +1. 07 Br- Mg 2+ -2. 37 Mg NO(g) Na+ -2. 71 Na +0. 80 Ag Ba 2+ -2. 90 Ba +0. 77 Fe 2+ K+ -2. 92 K I 2 (aq) +0. 62 I- Li+ -3. 02 Li Cu 2+ +0. 34 Cu CH 3 CHO +0. 19 CH 3 CH 2 OH SO 42 - +0. 17 SO 2 S 4 O 62 - +0. 09 S 2 O 32 - F 2 S 2 Mn. O 4 Au 3+ Pb. O 2 Cl 2 (aq) Cr 2 O 72 O 2 (g) Br 2 NO 3 Ag+ Fe 3+ +0. 96 Guido Stolfi 18 / 87

Circuito Equivalente da Célula LCS EPUSP • E 0 = Voltagem teórica, depende dos materiais do anodo e catodo, do eletrólito e da temperatura • Re = Resistência de condução do eletrólito (iônica) e dos eletrodos (ôhmica) • Rp = Polarização de ativação (energia necessária para vencer a polarização dos eletrodos) • Rc = Polarização por concentração (devida à variação de concentração dos íons na vizinhança dos eletrodos) Guido Stolfi 19 / 87

Circuito Equivalente da Célula LCS EPUSP Guido Stolfi 20 / 87

Descarga da Célula LCS EPUSP • À medida que os reagentes são consumidos: • Tensão em aberto diminui pouco • Tensão em carga diminui mais • Resistência interna aumenta Guido Stolfi 21 / 87

Efeito da Temperatura LCS EPUSP • À medida que a temperatura aumenta: • Capacidade total aumenta • Resistência interna diminui Guido Stolfi 22 / 87

Capacidade de uma Bateria LCS EPUSP – Vida útil: enquanto a tensão em operação estiver acima da tensão final – Tensão final: ponto a partir do qual a energia disponível cai rapidamente, ou – Ponto a partir do qual a bateria perde capacidade de recarga (células secundárias) – Capacidade total: pode ser medida em A. h, W. h ou Joules (1 W. h = 3600 J) – Capacidade efetiva pode ser muito menor que a capacidade teórica (calculada a partir da energia química dos reagentes) Guido Stolfi 23 / 87

Capacidade Específica de uma Bateria LCS EPUSP – Energia disponível em relação à massa da bateria (em comparação com outras formas de energia) Material Energia (J / kg) Pilha alcalina, Lítio-íon 5 x 105 Bateria Chumbo-ácido 1, 8 x 105 Célula de Combustível H 2 5 x 106 ~ 3 x 105 Gasolina, GLP 4, 6 x 107 Urânio (Fissão nuclear) 8 x 1013 • Capacidade efetiva depende da forma de descarga Guido Stolfi 24 / 87

Descarga com Resistência Constante LCS EPUSP Ex. : Lanterna, rádio de pilha, etc. Desempenho varia ao longo do tempo Descarga mais rápida no início e lenta no final Guido Stolfi 25 / 87

Descarga com Corrente Constante LCS EPUSP Ex. : Circuito com regulador de tensão linear Desempenho constante ao longo do tempo Descarga mais rápida Guido Stolfi 26 / 87

Descarga com Potência Constante LCS EPUSP Ex. : Circuito com regulador de tensão chaveado Desempenho constante ao longo do tempo Descarga acelerada no final Guido Stolfi 27 / 87

Modos de Descarga LCS EPUSP – Para mesma potência disponível no final da vida da célula, o modo de descarga com potência constante possui a maior eficiência (maior vida útil da carga da bateria). – Capacidade da bateria depende do modo de descarga. Guido Stolfi 28 / 87

Curvas de Descarga de Células LCS EPUSP Tipos: P = Primária S = Secundária Guido Stolfi 29 / 87

Efeito da Temperatura LCS EPUSP Guido Stolfi 30 / 87

Auto Descarga (Vida Útil de Prateleira) LCS EPUSP Guido Stolfi 31 / 87

Áreas de Aplicação das Baterias LCS EPUSP Guido Stolfi 32 / 87

Capacidades Práticas e Teóricas LCS EPUSP Guido Stolfi 33 / 87

LCS EPUSP Células Primárias Guido Stolfi 34 / 87

Células Primárias LCS EPUSP Tipo Características Aplicações Zn-C / NH 4 Cl (Zn-Mn. O 2, Leclanché) Baixo custo, variedade de tamanhos Brinquedos, lanternas, produtos de consumo de vida útil curta Zn-Mn. O 2+KOH (Alcalina) Excelente capacidade, custo moderado, elevada vida útil Uso geral em equipamentos portáteis, sem fio, altas e baixas temperaturas Lítio Alta capacidade, longa vida útil e de prateleira Backup de memórias RAM, relógios Zn-Ag 2 O (Prata) Maior capacidade por peso, descarga com tensão constante Relógios, próteses auditivas Guido Stolfi 35 / 87

Curvas de Descarga LCS EPUSP Pilhas tamanho AA Guido Stolfi 36 / 87

Pilha Leclanché LCS EPUSP Guido Stolfi 37 / 87

Pilha Alcalina LCS EPUSP Guido Stolfi 38 / 87

Pilha de Zinco - Prata LCS EPUSP Descarga com resistência constante Guido Stolfi 39 / 87

Células de Lítio LCS EPUSP Eletrólito sólido: Li-Li. I(Al 2 O 3)/Pb. I 2/Pb (1, 9 V) etc. Catodo sólido: Li-Mn. O 2 (3, 0 V) , Li-Fe. S 2 (1, 5 V), Li-Cu. O (1, 5 V) etc. Catodo Solúvel: Li-SO 2 (3, 0 V), Li-SOCl 2 (3, 6 V), Li-SO 2 Cl 2 (3, 9 V) etc. Guido Stolfi 40 / 87

Curvas de Descarga LCS EPUSP Célula Li-SOCl 2 (3, 6 V), tamanho “D”, Guido Stolfi 41 / 87

Curvas de Descarga – Células tipo “Moeda” LCS EPUSP Células Li-Mn. O 2 (3, 0 V), tamanho CR 2032 Guido Stolfi 42 / 87

Capacidade x Corrente x Temperatura LCS EPUSP Células Li-Mn. O 2 (3, 0 V), tamanho CR 2032 Guido Stolfi 43 / 87

LCS EPUSP Células Secundárias Guido Stolfi 44 / 87

Células Secundárias LCS EPUSP Tipo Características Aplicações Chumbo-ácido Baixo custo, bom desempenho em baixas temperaturas, alta capacidade de descarga Veículos, “No-Breaks”, energia solar/eólica, barcos Níquel-Cádmio Baixo custo, bom desempenho em baixas temperaturas, longa vida útil Ferramentas portáteis, equipamentos de comunicação, substituição de pilhas alcalinas Níquel – Hidreto Metálico Selada, capacidade maior, menores problemas ecológicos Idem, veículos elétricos, aparelhos de consumo Guido Stolfi 45 / 87

Células Secundárias LCS EPUSP Tipo Características Aplicações Níquel - Ferro Durável, longa vida, alta robustez, baixa capacidade específica Aplicações estacionárias, material ferroviário Níquel - Hidrogênio Longa vida com descargas profundas Aeroespaciais, satélites Níquel – Zinco Alta capacidade específica, longa vida Veículos elétricos Alta capacidade específica, longa vida, carga rápida Equipamentos e ferramentas portáteis, veículos elétricos, aeroespaciais Lítio - Íon Guido Stolfi 46 / 87

Curvas de Descarga LCS EPUSP Guido Stolfi 47 / 87

Efeito da Temperatura LCS EPUSP Guido Stolfi 48 / 87

Vida Útil com Descarga Profunda LCS EPUSP Guido Stolfi 49 / 87

Curvas de Carga LCS EPUSP Carga a corrente constante Guido Stolfi 50 / 87

Métodos de Carga Recomendados Corrente de carga (x. C) Tolerância a sobre-carga LCS EPUSP Tipo Método recomendado Faixa de tempera-tura Eficiência (Wh, %) Li - Ion CC, TC 0, 2 Não -20 ~ +50 95 Pb - Pb. O CC, TC 0, 07 Boa -40 ~ +50 75 Ni - Cd CC, TC 0, 2 M. boa -50 ~ +40 60 “ selada CC 0, 1 ~ 0, 3 M. boa 0 ~ 40 60 Ni – Zn CC, TC 0, 1 ~ 0, 4 Boa -20 ~ +40 70 Ag - Zn CC 0, 05 ~ 0, 1 Fraca 0 ~ +50 75 Zn – Mn. O 2 TC 0, 01 ~ 0, 2 Boa +10 ~ +30 60 CC = Corrente Constante TC = Tensão Constante Guido Stolfi 51 / 87

Célula Chumbo - Ácido LCS EPUSP Guido Stolfi 52 / 87

Curvas de Descarga (Baterias seladas) LCS EPUSP Guido Stolfi 53 / 87

Método de Recarga • • • LCS EPUSP Corrente constante 0, 1 x C (carga total em 12 h) (*) Corrente constante em duas etapas (8 h) Tensão constante (2, 35 V) com limitação de corrente (5 h) Carga pulsada (medição de tensão sem carga) Compensação da auto descarga, a 0, 01 x C Flutuação, tensão constante, ~0, 15 V acima da tensão em aberto (**) Guido Stolfi 54 / 87

Célula de Níquel - Cádmio LCS EPUSP Descarga para célula tamanho AA (650 m. Ah) RC, CC, PC Guido Stolfi 55 / 87

Célula de Níquel - Cádmio LCS EPUSP Carga de célula Ni-Cd selada Guido Stolfi 56 / 87

Métodos de Carga LCS EPUSP a) Tensão quase constante (carga com resistor) b) Controle por tempo c) Controle por temperatura d) Controle por queda de tensão (-10 m. V) Guido Stolfi 57 / 87

Baterias Automotivas Ni - MH LCS EPUSP Módulos de 320 V, 30 k. Wh (~ 10 litros de gasolina) Guido Stolfi 58 / 87

Células Secundárias de Lítio LCS EPUSP Características particulares: a) Alta densidade de energia e baixo peso (150 Wh/kg, 400 Wh/litro) b) Células de alta voltagem (até 4 V) c) Vida de prateleira longa (5 a 10 anos) d) Capacidade de corrente moderada e) Baixo desempenho em temperaturas reduzidas f) Baixa vida em número de ciclos g) Perigo de explosão Guido Stolfi 59 / 87

Célula de Lítio – Polímero Laminada LCS EPUSP Guido Stolfi 60 / 87

Curvas de Carga – Li-íon LCS EPUSP Carga a corrente constante (1 x C) até 4, 2 V (20 o. C), depois tensão constante por 2 horas Guido Stolfi 61 / 87

Baterias Li-íon Automotivas: Tesla Modelo S LCS EPUSP Célula 18650 (18 x 65 mm) Li / Ni-Co-Al 3, 7 V, 3400 m. Ah (12 Wh) Bateria: 85 k. Wh (300 MJ) 16 Módulos em série = 7104 células, ~350 Vcc Peso: 540 kg (~5 x 105 J/kg) Volume: ~200 litros 1 Grupo = 74 células em paralelo 1 Módulo = 6 Grupos em série Guido Stolfi 62 / 87

Outras Aplicações Sistema de armazenamento de energia de 48 MWh (170 GJ) usando baterias de sódio / enxofre (alta temperatura) (NGK, Ohito, Japão) LCS EPUSP Guido Stolfi 63 / 87

Demanda Diária de Energia Elétrica LCS EPUSP Fonte: ONS, 2013 – Análise do efeito do Horário de Verão Guido Stolfi 64 / 87

Demanda Diária de Energia Elétrica LCS EPUSP Curva de demanda desagregada por tipo de consumidor para o dia de demanda típico do ano de 2003 na região de concessão da CELESC (CELESC, 2004) Guido Stolfi 65 / 87

Baterias Domésticas e Industriais LCS EPUSP Powerwall (Tesla): Li / Ni-Mn-Co 7 k. Wh, 2 k. W max. 5000 ciclos US$ 3000, 00 ≈ US$ 0, 10 / k. Wh Powerpack (Tesla): Li / Ni-Co-Al 100 k. Wh 1000 ciclos US$ 25000, 00 ≈ US$ 0, 25 / k. Wh Guido Stolfi 66 / 87

Consumo Diário de Energia Elétrica País LCS EPUSP Total (GWh) Por Habitante (k. Wh) Estados Unidos 12. 000 39, 2 China 9. 500 7, 1 Japão 2. 900 23, 4 Rússia 2. 800 20, 0 Índia 2. 400 2, 1 Canadá 1. 700 51, 5 Brasil 1. 400 7, 0 Etiópia 10 0, 12 Mundo 55. 600 8, 18 Guido Stolfi 67 / 87

LCS EPUSP Uso de Baterias em Circuitos Eletrônicos Guido Stolfi 68 / 87

Baterias (Associações de Células) Série-paralelo LCS EPUSP Série-paralelo com Diodos de proteção, fusíveis etc. Guido Stolfi 69 / 87

LCS Reguladores para uso com baterias EPUSP • Situações a serem consideradas: 1 - Voltagem final da bateria é maior que a tensão de trabalho da carga 2 - Voltagem máxima (inicial e/ou em carga) é menor que a tensão de trabalho da carga 3 - Voltagem máxima é maior e tensão final é menor que a tensão de trabalho 4 - Carga suporta voltagem máxima e mínima da bateria. Guido Stolfi 70 / 87

1 ) VBAT > VLOAD LCS EPUSP Ex. : Regulador linear LDO (Low Drop-Out) (corrente constante) Guido Stolfi 71 / 87

1 ) VBAT > VLOAD LCS EPUSP Ex. : Regulador Chaveado (“Buck” ou “Step-Down”) (potência constante) Guido Stolfi 72 / 87

2 ) VBAT < VLOAD LCS EPUSP Ex. : Regulador Chaveado (“Step-Up”) (potência constante) Guido Stolfi 73 / 87

3 ) VBAT MIN < VLOAD < VBAT MAX LCS EPUSP Ex. : Regulador SEPIC (“Single Ended Primary Inductance Converter”) Guido Stolfi 74 / 87

3 ) VBAT MIN < VLOAD < VBAT MAX LCS EPUSP Ex. : Regulador Chaveado Inversor (bateria não aterrada) Guido Stolfi 75 / 87

4 ) VBAT MIN > VLOAD MIN e VBAT MAX < VLOAD MAX LCS EPUSP – Desempenho do equipamento pode sofrer variação ao longo da vida da bateria – Variação de desempenho indica estado de carga – Equipamento deve prever situação além do fim da vida útil – Casos típicos: relógio, calculadora, circuitos analógicos simples – Considerar tecnologias específicas de baterias com tensão de descarga constante Guido Stolfi 76 / 87

LCS Reguladores para uso com baterias EPUSP Considerações: – Corrente quiescente do regulador – Queda de tensão em diodos – Proteção por sub-tensão (“Under-Voltage Lockout”) em baterias secundárias – Função ON / OFF integrada ao regulador – Custo x Eficiência Guido Stolfi 77 / 87

Baterias de Back-up LCS EPUSP Ex. : Bateria de Li-Mn. O 2, 170 m. Ah = 170000 u. Ah Corrente consumida pelo relógio: 5 u. A => Vida útil = 34000 h ≈ 4 anos Guido Stolfi 78 / 87

Medição de Estado de Carga LCS EPUSP Problema: determinar a carga residual em uma bateria – Voltagem x temperatura – Contabilidade de Carga entrando / saindo – Medição de impedância – Identificação do tipo de bateria – Identificação de número de células – Detectar células em curto Guido Stolfi 79 / 87

Exemplo de Dispositivo para Medição LCS EPUSP Guido Stolfi 80 / 87

Identificação de Estado de Operação LCS EPUSP Guido Stolfi 81 / 87

Circuito para Controle de Carga LCS EPUSP Guido Stolfi 82 / 87

Circuito para Controle de Carga LCS EPUSP Guido Stolfi 83 / 87

Referências LCS EPUSP • David Linden, “Handbook of Batteries” – Mc. Graw-Hill • Texas Instruments, “Battery Management Solutions” • Battery University – batteryuniversity. com • Unipower – Data Sheets Guido Stolfi 84 / 87