Vida Útil de Baterias Tracionárias

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1 Vida Útil de Baterias Tracionárias

2 Seção 1 Introdução. Seção 2 Vida Útil Projetada. ÍNDICE 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 Profundidade de Descarga Corrente de Descarga Corrente de Recarga Volume de Recarga Temperatura de Operação Densidade da Solução Ácida Armazenamento da Bateria. Seção 4 Seleção da Bateria Correta.

3 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.

4 2 Vida Útil Projetada. A vida útil projetada das baterias Vida Útil Projetada ( Ciclos de Descargas ). HDP foram dimensionada para pelo menos 1500 ciclos em serviço com descarga no máximo 100 de 80% de sua capacidade 90 nominal a uma tensão mínima de 1,7 Volts por elemento em 80 circuito fechado. 70 As normas de testes para 60 projeto, seguem a especificação do padrão internacional conforme norma IEC Padrão Industrial de Fabricação. Capacidade da Bateria ( % ). 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. Ciclos

5 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.

6 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.

7 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 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. % do Ciclo de Vida Nominal Efeito tipico da profundidade de descarga nos ciclos de vida da Bateria Profundidade de Descarga, % em Regime de 8 horas.

8 3.3.2 Corrente de 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;

9 Tensão por Elemento ( V. ) 2,10 2,00 1,90 1,80 1,70 1,60 1,50 Curva Característica de Descarga a 30 C C B A 0, Tempo de Descarga ( horas ) Para a determinação da corrente de descarga, proceder conforme exemplo abaixo; Bateria 9 HDP V. 8 horas 6 horas 5 horas 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 Cd = 76 A Cd = 93 A Cd = 108 A PLACA HDP HDP HDP HDP HDP HDP HDP HDP CAPACIDADE NOMINAL 8 horas 6 horas 5 horas 55 Ah 52 Ah 50 Ah 63 Ah 60 Ah 58 Ah 86 Ah 80 Ah 77 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 Onde; Cd - Corrente de Descarga. Cn - Capacidade Nominal. Npe - Número de placas positivas por elemento. Th - Tempo em horas. 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.

10 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; 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.

11 Curva Característica de Recarga em Baterias Tracionárias. Corrente de Carga ( A /100 Ah ) Tensão de Carga por elemento Quantidade de Carga ( A ) 22 ( % ) ( V. ) 18 2, , ,50 2,45 Ah Reposto Ah Reposto , ,30 6 2, ,10 2 2,00 0 1, ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 Tempo de Carga ( horas )

12 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. Porcentagem da Vida Normal da Bateria ( 100% a 33 C ) ( % ) Influência da Temperatura na Vida Útil da Bateria ( Equação de Arrhenius ) Temperatura ( C ) Uma temperatura diária do eletrólito da média de 45 C reduzirá a vida útil prevista aproximadamente à metade. Em torno de 50%.

13 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. 3 ( g/dm ) Densidade a 30 C. Tensão de carga por elemento em circuito fechado. ( V. ) Não recarregar a bateria se a densidade estiver acima deste ponto. 2,12 2, , , , , , Limite de Descarga 1, Percentual de Descarga

14 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 Meses de armazenamento à 30 C

15 4 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 O 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. Para o teste será necessário um equipamento registrador de consumo de corrente DATALOGER. O gráfico ao lado mostra um exemplo de consumo de corrente em um determinado tempo. CORRENTE DE DESCARGA ( A ) EXEMPLO DE TESTE ELÉTRICO PADRÃO NA OPERAÇÃO TEMPO DE OPERAÇÃO ( segundos )

16 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.) T2 I1 T1

17 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. 20 Temperatura = 30 C CAPACIDADE / FATOR DE AJUSTE DE TEMPO ,5 0,4 0,3 1,9 V.P.E 1,8 V.P.E 1,7 V.P.E 0,4 0, TEMPO DE DESCARGA ( minutos )

18 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 K 2 = 1 Capacidade = 1.25x [K1I1 + K 2 (I2 - I1) ] = 1.25[ 7,8 x x (300-45) ] Capacidade da Bateria = 757Ah. Em 8 horas.

19 As informações contidas nesta apresentação, foram elaboradas para se obter o melhor desempenho possível na relação vida útil / utilização da bateria.