baterias nimh - paginas.fe.up.ptprojfeup/submit_14_15/uploads/relat_1... · ter de realizar. o tema...

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Baterias NiMH

Influência da intensidade de descarga na capacidade

das baterias

Projeto FEUP 2014/2015 -- MIEEC:

Armando Sousa José Fidalgo

Equipa 1 - 1MIEEC01:

Supervisor: Paulo Costa Monitor: Jorge Bessa

Estudantes & Autores:

Armando Moreno [email protected] Bruno Costa [email protected]

Francisco Matos [email protected] Luís Costa [email protected]

Pedro Martins [email protected]

mailto:[email protected]





Baterias NiMH 2

Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias

Resumo

Este trabalho foi-nos proposto pela disciplina de projeto FEUP e pelos seus

colaboradores com o intuito de nos preparar para futuros trabalhos e relatórios que iremos

ter de realizar. O tema do trabalho baseia-se nosso curso, engenharia eletrotécnica, e

estuda principalmente as baterias níquel metal.

O início deste trabalho é marcado por uma pequena introdução que vai retratar todos os

assuntos abordados ao longo do seu desenvolvimento. Também nos contextualiza dentro

das diferentes variáveis como a parte teórica e a parte prática.

Em seguida iremos falar sobre a componente teórica, com o objetivo de tornar mais

claro o conhecimento sobre a parte prática e de dar a perceber como é o funcionamento

deste tipo de pilhas.

Por fim, depois de todas as questões técnicas respondidas, é dada uma pequena

conclusão sobre a questão problema no nosso trabalho com o objetivo de cimentar todo o

conteúdo presente no relatório.

Palavras-Chave

Pilha; Bateria; Capacidade; Carga; Energia; Temperatura; Voltagem;

Baterias NiMH 3


Agradecimentos

Queremos agradecer a todos aqueles que, de certa forma, nos ajudaram na elaboração

deste projeto.

Começamos por reconhecer a importância das palestras a que assistimos na semana

de apresentação da FEUP e, por isso, estamos gratos a todos os docentes e convidados

que nelas participaram.

Não obstante ao trabalho dos monitores que nos acompanharam na primeira semana,

apreciamos a sua contribuição por ajudarem na integração e dinâmica do grupo.

Por último, e não menos importante, agradecemos ao monitor Jorge Bessa e ao

professor Paulo Costa por nos terem ajudado ao longo destas semanas, tendo

acompanhado todo o processo de realização deste projeto.

Baterias NiMH 4


Índice

Conteúdo Lista de figuras ............................................................................................................... 5

Lista de acrónimos .......................................................................................................... 6

1. Introdução ................................................................................................................... 7

2. Conceitos Teóricos ..................................................................................................... 8

2.1 Métodos de Carga ................................................................................................. 8

2.1.1 Carga Lenta .................................................................................................... 9

2.1.2 Carga Rápida (4 Horas) .................................................................................. 9

2.1.3 Carga Muito Rápida (1 Hora) .......................................................................... 9

2.2. Descarga .............................................................................................................. 9

2.2.1. Definições de Capacidade ........................................................................... 10

2.2.2. Efeitos da Temperatura ............................................................................... 10

2.2.3. Ciclos de Carga ........................................................................................... 11

2.2.4. Resistência Interna ...................................................................................... 12

2.2.5. Modos de Descarga ..................................................................................... 12

2.3. Aplicações .......................................................................................................... 14

3. Parte Experimental ................................................................................................... 15

3.1. Estudo da capacidade disponível nas pilhas recarregáveis ................................ 15

3.2. Cálculos ............................................................................................................. 16

3.2.1.Energia Fornecida......................................................................................... 16

3.2.2.Capacidade Média ........................................................................................ 17

3.3. Conclusões Experimentais ................................................................................. 19

4. Artigo Interessante .................................................................................................... 20

5. Conclusões ............................................................................................................... 21

Referências bibliográficas ............................................................................................. 22

Baterias NiMH 5


Lista de figuras

Figura 1 - Carregador de pilhas NiMH - Página 8

Figura 2 - Modelos NiMH da Energizer - Página 11

Figura 3 - Pilha NiMH deteriorada - Página 13

Figura 4 - Aparelhos onde é aconselhável o uso de pilhas NiMH - Página 14

Figura 5 - Processo de descarga de uma bateria - Página 19

Figura 6 - Fotografia retirada do artigo - Página 20

Baterias NiMH 6


Lista de acrónimos

Parte Teórica:

NiMH - Bateria de Níquel Metal Hídrico

NiCD - Bateria de Níquel Cádmio

PDA's - Personal Digital Assisant

MP3 - Abreviação de MPEG Layer 3 que é um formato de compressão de áudio digital

que minimiza a perda de qualidade em arquivos de áudio.

MPEG - Moving Picture Experts Group

Ah - Ampere hora

J - Joules

Parte Experimental:

Cm - Capacidade média (Ah, mAh)

Ef - Energia fornecida ( J, mJ)

I - Intensidade ( A )

∆t - Intervalo de tempo ( s )

A - Área

b - Base

h - Altura

P - Potência ( W )

U - Tensão, diferença de potencial ( V )

Baterias NiMH 7


1. Introdução

Este relatório tem como objetivo descrever e elucidar sobre um estudo aprofundado do

tema em causa: baterias. No entanto este estudo não será feito para todo o tipo de baterias,

mas sim para um grupo específico destas, as baterias químicas, mais concretamente, as

pilhas.

A principal diferença entre as pilhas e as baterias reside no facto de as pilhas serem

formadas por dois elétrodos e um eletrólito enquanto que a maior parte das baterias é

constituída por várias pilhas ligadas em série ou em paralelo. Ambas têm um objetivo e um

funcionamento semelhante: transformar energia química em energia elétrica com base nos

materiais que as compõem.

Quando as pilhas das baterias estão ligadas em série, isto é, polo positivo com polo

negativo obtém-se uma maior diferença de potencial, o que vai conservar a capacidade de

cada pilha individualmente, e se tivermos as pilhas ligadas em paralelo, polo positivo e

negativos conectados entre si, conserva-se a diferença de potencial de cada pilha original

mas aumentando a sua capacidade.

Atualmente são mais usadas as pilhas de níquel metal, que têm como objetivo

substituir as pilhas de níquel cádmio. A principal diferença entre as duas baterias consiste

no elemento químico usado: enquanto que nas baterias de níquel metal hidreto é o

hidrogénio que é absorvido numa liga e usado como material ativo no elétrodo negativo, nas

baterias de níquel cádmio o elemento é o cadmio. A vantagem reside, então, no facto de

que o elétrodo da pilha de hidreto metálico apresenta uma maior densidade de energia

comparativamente ao elétrodo da pilha de cádmio. Assim sendo, para a mesma quantidade

de energia, a massa de material ativo usada nas pilhas NiMH é menor do que a usada nas

NiCd.

Baterias NiMH 8


2. Conceitos Teóricos

Um elemento deste trabalho consiste na parte experimental onde estudamos a

capacidade disponível em pilhas recarregáveis de níquel metal, mas é fundamental

complementá-lo com a sua teoria, pois só assim é possível compreender os resultados da

prática e o seu funcionamento.

2.1 Métodos de Carga

As baterias de NiMh (Níquel e Metal) são muito sensíveis a problemas como a

sobrecarga, quando comparadas a outras baterias, como as compostas por NiCD (Níquel

Cádmio), e a sua temperatura interna aumenta rapidamente, afetando assim o rendimento

da mesma, caso não se tenha certos cuidados.

Estas baterias podem carregar-se rapidamente em períodos de 1 hora até 12 horas e,

para evitar uma rápida diminuição do seu rendimento, devem utilizar-se equipamentos

carregadores desenhados especialmente para proteger as baterias de sobrecargas e

excessos de temperatura. (Buchmann, Battery University 2011)

Figura 1 - Carregador de pilhas NiMH

Baterias NiMH 9


2.1.1 Carga Lenta

Carregar baterias com uma corrente constante de 10C durante 12 horas é um bom

método para carregar completamente baterias de Níquel-Metal. Isto apenas se aplica a uma

bateria completamente descarregada, caso contrário aconteceria uma sobrecarga,

danificando assim a mesma. (Radio Club Junin s.d.)

2.1.2 Carga Rápida (4 Horas)

Uma bateria de Níquel-Metal pode ser carregada com eficácia e segurança utilizando

correntes superiores às descritas anteriormente, sendo também necessário um

temporizador que corte a energia ao fim de 3,6 horas, prevenindo assim que a temperatura

interna da bateria ultrapasse os 55ºC. (Radio Club Junin s.d.)

2.1.3 Carga Muito Rápida (1 Hora)

Para ser possível carregar completamente baterias NiMH em uma hora sem

sobrecarregar a mesma e sem que esta seja deteriorada pela temperatura, é necessário

que o equipamento esteja equipado com sistemas de terminação de carga combinados

(Temperatura dT/dt, Voltagem rV, Tempo). (Radio Club Junin s.d.)

2.2. Descarga

Em condições normais de funcionamento uma pilha de níquel fornece 1,25 Volts durante

a descarga. Quando está completamente carregada e em boas condições pode chegar a

atingir 1,4 Volts durante um curto período de tempo e fica completamente descarregada

quando a voltagem da pilha é inferior a 1,1 Volts. (Energizer Battery Manufacturing Inc.

2010)

Baterias NiMH 10


2.2.1. Definições de Capacidade

O principal objetivo de uma empresa é maximizar o tempo de duração das pilhas em

conformidade com o equipamento utilizado. Antes de o produto ser lançado, passa por um

processo meticuloso de testes, como a triagem da bateria, submetendo-a a descargas

constantes a uma temperatura ambiente. Para as baterias em estudo, as de níquel metal, a

taxa de descarga é, aproximadamente, de 5 horas, sendo este valor mais elevado do que

outros tipos de pilhas como por exemplo as de níquel cádmio. (Electrónica s.d.)

2.2.2. Efeitos da Temperatura

Estas pilhas são bastante resistentes a variações de temperatura, conseguindo manter

capacidade entre -20oC e 70oC. Apesar de conseguirem aguentar estas temperaturas

extremas, a temperatura ideal para o uso destas pilhas é a temperatura ambiente. Quando

estão sujeitas a baixas temperaturas a sua capacidade é bastante afetada, chegando a

atingir variações de 80%. Pelo contrário, quando estão sujeitas a temperaturas mais altas, a

sua capacidade só é afetada à volta de 10%, o que nos permite concluir que o seu uso é

mais eficaz quando sujeitas a temperaturas altas do que quando estão sujeitas a

temperaturas baixas.

Quando estão expostas a pequenas variações da temperatura ambiente quase não são

afetadas o que é um ponto a favor destas baterias, pois permitem um uso mais abrangente

sem precisar de cuidados adicionais. (Netto s.d.)

Baterias NiMH 11


2.2.3. Ciclos de Carga

Como é normal em todas as pilhas e baterias, estas também possuem um determinado

ciclo de carga. Os ciclos de uma bateria dependem de vários fatores, por isso é impossível

dizer com certeza quantos ciclos é que cada pilha aguenta. Um ciclo de carga corresponde

a carregar a bateria desde o seu valor mínimo, 0%, até ao seu valor máximo, 100%

(exemplo para perceber melhor como funciona o ciclo: se a bateria estiver com 50% de

carga e for carregada até ficar com a carga completa apenas realiza meio ciclo. Se

voltarmos a descarregar até 50% e a carregarmos totalmente ela irá realizar mais meio

ciclo, realizando assim um ciclo completo).

Tal como foi dito anteriormente os ciclos de cada pilha são afetados por vários fatores

como a temperatura, a profundidade de descarga, as condições de armazenamento, a idade

da pilha, os materiais que a constituem e a própria capacidade da bateria. Se todos estes

fatores mencionados não afetarem a pilha pode-se esperar uma durabilidade de até 1000

ciclos, o que é muito difícil para a maior parte destas. Alguns deles podem até gerar gás no

interior da pilha, situação que vai levar à ativação da abertura de segurança e deterioração

permanente da bateria. (Kopera 2004)

Figura 2 - Modelos NiMH

Baterias NiMH 12


2.2.4. Resistência Interna

O conceito de resistência interna está sempre presente em fontes elétricas e é muitas

vezes útil para a análise de sistemas elétricos sendo que todas as pilhas possuem uma

resistência interna com o objetivo de limitar a sua voltagem de acordo com a corrente que é

transmitida ao longo do circuito. Esta está dependente de vários fatores como o tamanho da

pilha, as suas propriedades químicas, a temperatura, a idade e a corrente de descarga.

As pilhas de níquel metal têm uma grande taxa de desempenho especialmente por

terem uma resistência interna baixa. Esta baixa resistência deve-se à sua construção, à

grande área ocupada pelos elétrodos e aos seus contactos internos melhorados em relação

a outros tipos de pilhas. A resistência interna destas baterias normalmente encontra-se à

volta de 50 mΩ quando esta se encontra carregada e permanece constante até perto da

descarga, notando-se depois uma subida nesse valor. (Universidade Federal do Piauí 2010)

2.2.5. Modos de Descarga

2.2.5.1. Descarga Total

Muitos utilizadores de pilhas e baterias recarregáveis têm como hábito descarregar a

bateria dos equipamentos até o fim, mas isso pode danificar permanentemente as pilhas.

Estas situações ocorrem especialmente quando são usadas mais do que uma pilha em série

e a bateria de uma acaba, apesar do aparelho continuar a funcionar por influência das

outras devido a pequenas diferenças na capacidade das pilhas. O que leva a causa de dano

permanente é o facto de as pilhas com carga fazerem com que a pilha estragada realize o

ciclo inversamente.

Quando as pilhas de um equipamento estão ligadas em paralelo, a inversão de sentido

da pilha descarregada não acontece, ocorrendo sim a carga da pilha descarregada com

corrente das restantes, não afetando assim a vida da pilha de modo algum. (Energizer

Battery Manufacturing Inc. 2010)

Baterias NiMH 13


2.2.5.1. Descarga Automática

As pilhas em estudo têm uma taxa de descarga automática um pouco mais elevada

comparando-as com pilhas de níquel cádmio, isto é, ao longo do tempo de a pilha estar

dentro de um aparelho, a quantidade de bateria que esta retém é superior à das outras

pilhas. A temperatura têm um grande efeito neste tipo de pilhas, pois quando se encontra a

temperaturas altas esta taxa consegue atingir valores cerca de três vezes superiores aos

normais. (Energizer Battery Manufacturing Inc. 2010)

Figura 3 - Pilha NiMH detriorada

http://farm9.staticflickr.com/8038/8043981450_d95d43e263_z.jpg

Baterias NiMH 14


2.3. Aplicações

As pilhas NiMH são mais utilizadas e têm melhores performances em:

Câmaras digitais;

Consolas portáteis;

PDA’s;

Aparelhos de música portáteis (exemplo: leitores mp3 e colunas);

Brinquedos. (BatteryStuff 2012)

Este tipo de pilhas são mais utilizadas nestes aparelhos porque torna-se bastante mais

barato do que se estivesse a comprar pilhas alcalinas não recarregáveis.

Como tal, as pilhas NiMH não são boas para aparelhos que gastem pouca energia por

dia, como por exemplo, os alarmes de incêndio. (Globtek 2014)

Figura 4 - Aparelhos onde é aconselhável o uso de pilhas NiMH

Baterias NiMH 15


3. Parte Experimental

3.1. Estudo da capacidade disponível nas pilhas recarregáveis

Por forma a verificar se a capacidade era influenciada pela intensidade de

descarregamento, realizou-se uma experiência que consistiu na descarga de duas baterias

(NiMH).

A bateria 1 foi descarregada a uma intensidade constante de 550mA e a bateria 2 a

1100mA. O “descarregador” encontrava-se ligado a um computador, para o qual enviava os

valores da diferença de potencial (tensão) de cada uma das pilhas, a cada 5 segundos. A

partir daí construiu-se um gráfico que relaciona essas tensões ao longo do tempo.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 365 730 1095 1460 1826 2191 2556 2921 3287 3652

Ten

são

(m

Vo

lts)

Tempo (segundos)

Bateria 1 Bateria 2

Descarga das baterias 1 e 2

Baterias NiMH 16


3.2. Cálculos

3.2.1.Energia Fornecida

A energia fornecida por cada bateria é obtida através da área de cada uma das

“funções”.

Esta área obteve-se dividindo os gráficos em várias partes com a forma de “retângulo”,

e somando as suas áreas. A base (b) teria valor 5 e a altura (h) era variável, consoante a

tensão. A área da figura geométrica é obtida a partir da expressão:

(I) A = b * h

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 365 730 1095 1460 1826 2191 2556 2921 3287 3652

TE

NS

ÃO

(M

VO

LT

S)

TEMPO (SEGUNDOS)

Bateria 1

Descarga da bateria 1

Baterias NiMH 17


Somando as áreas obtêm-se os seguintes valores:

Efornecida pilha 1 = 5434570mJ

Efornecida pilha 2 = 3428010mJ

3.2.2.Capacidade Média

As capacidades são calculadas utilizando a seguinte fórmula:

(II)

Nesta, “Ef” significa o valor de cada uma das energias fornecidas, “∆t” o valor do

tempo de descarga e “I” o valor da intensidade de descarga.

∆t(bateria 1)=3885 segundos

∆t(bateria 2)=1640 segundos

Aplicando a expressão (II), os valores das capacidades resultantes obtidos, para a

bateria 1 e 2, respetivamente, 1258mAh e 793,5mAh.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0

60

120

180

240

300

360

420

480

540

600

660

720

780

840

900

960

1020

1080

1140

1200

1260

1320

1380

1440

1500

1560

1620

TE

NS

ÃO

(M

VO

LT

S)

TEMPO (SEGUNDOS)

Bateria 2

Descarga da bateria 2

Baterias NiMH 18


Curiosidade

Como curiosidade, descarregou-se também uma bateria alcalina (bateria 3) nas

mesmas condições que a bateria 2, de forma a verificar qual apresentaria melhor prestação.

O ensaio confirmou o esperado: a pilha composta por níquel-metal obteve uma maior

autonomia do que a alcalina.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 365 730 1095 1460

Ten

são

(m

Vo

lts)

Tempo (segundos)

Bateria 2 Bateria 3

Baterias NiMH 19


3.3. Conclusões Experimentais

Desta forma, conclui-se que a intensidade de descarga influencia a autonomia duma

bateria. De uma forma geral, quanto maior a intensidade, menor a capacidade. Existem

outros fatores que afetam a capacidade da bateria, como a exposição a determinadas

temperaturas ou até mesmo a sua idade. Para além destes fatores temos também os erros

que o ocorrem durante a parte experimental como por exemplo o cálculo da energia

fornecida através dos gráficos, arredondamentos e/ou aproximação nos cálculos.

Figura 5 - Processo de descarga de uma bateria

Baterias NiMH 20


4. Artigo Interessante

Após a leitura deste artigo numa revista mensal achamos lucrativo inclui-lo no nosso

relatório pois é uma invenção que com um custo barato de produção consegue ser uma das

maiores promessas do futuro no que consta a baterias recarregáveis.

Baterias que recarregam em minutos e duram 20 anos - Exame Informática número

233, ano 19, Novembro de 2014

"Investigadores da Universidade de Tecnologia de Nanyang, em Singapura, estão a

trabalhar na criação de novas baterias de iões de lítio que conseguem recarregar 70% da

sua energia em dois minutos e que terão um ciclo de vida superior a 20 anos. O

segredo por detrás desta inovação é a utilização de nanotubos de dióxido de titânio no polo

negativo em vez do grafite, o que permite aumentar as reações químicas da bateria,

possibilitando 10 mil ciclos de carga em vez dos habituais 500. Ainda não há data definida

para estas baterias entrarem no circuito comercial, embora se considere que o processo de

fabrico seja relativamente simples e barato, pelo que os investigadores querem que a nova

tecnologia chegue ao mercado em dois anos. Segundo os investigadores, esta tecnologia

pode ter um impacto especialmente significativo na área dos carros elétricos, uma

vez que permite carregar a bateria em minutos em vez de horas e que garante que não

é necessário substituir a curto ou médio prazo um componente relativamente caro do

veículo."

Figura 6 - Fotografia retirada do artigo

Baterias NiMH 21


5. Conclusões

A realização deste trabalho permitiu-nos elucidar sobre os métodos de carga e descarga

das pilhas recarregáveis, as suas aplicações e as suas capacidades disponíveis.

O tema em abordagem foi também bastante adequado ao curso, o que nos permitiu

obter conhecimentos prévios para assuntos que viremos a estudar no futuro próximo,

durante o nosso percurso académico.

Através do estudo das pilhas chegamos à conclusão que por trás de um objeto tão

simples existe uma grande complexidade de funcionamento, que é explicada em grande

parte ao longo do relatório. Devido a esta complexidade, há cuidados a ter com a utilização

das pilhas como a sua exposição ao calor ou frio excessivo, à forma como é realizada a sua

carga e até mesmo evitar quedas violentas.

A questão principal do relatório conseguiu ser respondida com sucesso após ser

realizada a parte experimental, onde foram testadas pilhas com o acompanhamento do

monitor e do supervisor.

Para finalizar, todos partilhamos a mesma opinião positiva sobre esta disciplina, que tem

como intuito introduzir todos os estudantes novatos ao mundo da engenharia de uma

maneira teórica e prática. Além dos conhecimentos adquiridos também é de valorizar o

modo como pudemos conhecer novas pessoas num mundo completamente diferente

daquele a que estávamos habituados, conectando os pontos fortes de cada um de nós com

objetivo de ter o melhor trabalho possível.

Baterias NiMH 22


Referências bibliográficas

Bibliografia:

Exame Informática 233, ano 19, Novembro de 2014 - Página 20

Webgrafia:

BatteryStuff. BatteryStuff. 2012. http://www.batterystuff.com/kb/articles/battery-

articles/proper-care-and-feeding-of-a-nimh-battery.html (acedido em 14 de Outubro de

2014).

Buchmann, Isidor. Battery University. 23 de Janeiro de 2014.

http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_nickel_metal_hydride (acedido em 14 de

Outubro de 2014).

—. Battery University. 20 de Março de 2011.

http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_nickel_metal_hydride (acedido em 15 de

Outubro de 2014).

Electrónica. Electrónica. http://www.electronica-pt.com/content/view/284/ (acedido em 15

de Outubro de 2014).

Energizer Battery Manufacturing Inc. . Nickel Metal Hydride (NiMH). 2010.

http://data.energizer.com/PDFs/nickelmetalhydride_appman.pdf (acedido em 14 de Outubro

de 2014).

Globtek. Globtek, Inc. 2014. http://pt.globtek.com/nickel-metal-battery-packs.php#

(acedido em 22 de Outubro de 2014).

Kopera, John J.C. COBASYS. 25 de 6 de 2004.

http://www.cobasys.com/pdf/tutorial/inside_nimh_battery_technology.pdf (acedido em 16 de

Outubro de 2014).

Netto, Luiz Ferraz. Feira de Ciências.

http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_t05.asp (acedido em 20 de Outubro de 2014).

Radio Club Junin. LU7DCE. http://www.lu7dce.com.ar/metodos.htm (acedido em 21 de

Outubro de 2014).

Universidade Federal do Piauí. Universidade Federal do Piauí. 2010.

http://www.ufpi.br/subsiteFiles/df/arquivos/files/Fis_Exp_III_Exp_4_%20resitencia_interna.pd

f (acedido em 13 de Outubro de 2014).

baterias nimh - paginas.fe.up.ptprojfeup/submit_14_15/uploads/relat_1... · ter de realizar. o tema...

Documents