Como ler a curva de descarga da bateria

Como ler a curva de descarga da bateria

As baterias são sistemas eletroquímicos e termodinâmicos complexos e vários fatores afetam seu desempenho. Obviamente, a química da bateria é o fator mais importante. Porém, ao entender qual tipo de bateria é mais adequado para uma aplicação específica, também é necessário considerar fatores como taxa de descarga de carga, temperatura de operação, condições de armazenamento e detalhes da estrutura física. Primeiramente, vários termos precisam ser definidos:

★ Tensão de circuito aberto (Voc) é a tensão entre os terminais da bateria quando não há carga na bateria.

★ Tensão terminal (Vt) é a tensão entre os terminais da bateria quando a carga é aplicada à bateria; Geralmente menor que Voc.

A tensão de corte (Vco) é a tensão na qual a bateria está totalmente descarregada, conforme especificado. Embora normalmente haja energia restante na bateria, operar com uma tensão abaixo de Vco pode danificar a bateria.

★ A capacidade mede o total de amperes-hora (AH) que uma bateria pode fornecer quando totalmente carregada, até que Vt atinja Vco.

A taxa de descarga de carga (C-Rate) é a taxa na qual uma bateria é carregada ou descarregada em relação à sua capacidade nominal. Por exemplo, uma taxa de 1C carregará ou descarregará totalmente a bateria em 1 hora. A uma taxa de descarga de 0,5C, a bateria descarregará totalmente em 2 horas. Usar uma taxa C mais alta geralmente reduz a capacidade disponível da bateria e pode danificá-la.

★ O estado de carga da bateria (SoC) quantifica a capacidade restante da bateria como uma porcentagem da capacidade máxima. Quando o SoC atinge zero e o Vt atinge o Vco, ainda pode haver energia restante na bateria, mas sem danificar a bateria e afetar a capacidade futura, a bateria não pode ser descarregada posteriormente.

★ A profundidade de descarga (DoD) é um complemento do SoC, que mede a porcentagem da capacidade da bateria que foi descarregada; DoD=100- SoC.

① O ciclo de vida é o número de ciclos disponíveis antes que a bateria chegue ao fim da vida útil.

O fim da vida útil da bateria (EoL) refere-se à incapacidade da bateria de operar de acordo com as especificações mínimas predeterminadas. O EoL pode ser quantificado de várias maneiras:

① A redução da capacidade é baseada na redução percentual dada na capacidade da bateria em comparação com a capacidade nominal sob condições especificadas.

② A atenuação de energia é baseada na potência máxima da bateria em uma determinada porcentagem em comparação com a potência nominal sob condições especificadas.

③ O rendimento de energia quantifica a quantidade total de energia que se espera que uma bateria processe durante sua vida útil, como 30 MWh, com base em condições operacionais específicas.

★ O estado de saúde (SoH) da bateria mede a porcentagem de vida útil restante antes de atingir o EoL.

Curva de polarização

A curva de descarga da bateria é formada com base no efeito de polarização da bateria que ocorre durante o processo de descarga. A quantidade de energia que uma bateria pode fornecer sob diferentes condições operacionais, como taxa C e temperatura operacional, está intimamente relacionada à área sob a curva de descarga. Durante o processo de descarga, o Vt da bateria diminuirá. A diminuição do Vt está relacionada a vários fatores principais:

✔ Queda de IR - A diminuição da tensão da bateria causada pela corrente que passa pela resistência interna da bateria. Este fator aumenta linearmente a uma taxa de descarga relativamente alta, com temperatura constante.

✔ Polarização de ativação - refere-se a diversos fatores de desaceleração relacionados à cinética das reações eletroquímicas, como a função de trabalho que os íons devem superar na junção entre eletrodos e eletrólitos.

✔ Polarização de concentração - Este fator leva em consideração a resistência enfrentada pelos íons durante a transferência de massa (difusão) de um eletrodo para outro. Este factor domina quando as baterias de iões de lítio estão totalmente descarregadas e a inclinação da curva torna-se muito acentuada.

A curva de polarização (curva de descarga) da bateria mostra os efeitos cumulativos da diminuição do IR, polarização de ativação e polarização de concentração em Vt (potencial da bateria). (Imagem: BioLogic)

Considerações sobre curva de descarga

As baterias foram projetadas para uma ampla gama de aplicações e oferecem diversas características de desempenho. Por exemplo, existem pelo menos seis sistemas químicos básicos de íons de lítio, cada um com seu próprio conjunto de recursos exclusivos. A curva de descarga geralmente é plotada com Vt no eixo Y, enquanto SoC (ou DoD) é plotado no eixo X. Devido à correlação entre o desempenho da bateria e vários parâmetros, como taxa C e temperatura operacional, cada sistema químico da bateria possui uma série de curvas de descarga baseadas em combinações específicas de parâmetros operacionais. Por exemplo, a figura a seguir compara o desempenho de descarga de dois sistemas químicos comuns de íons de lítio e baterias de chumbo-ácido à temperatura ambiente e taxa de descarga de 0,2°C. A forma da curva de descarga é de grande importância para os projetistas.

Uma curva de descarga plana pode simplificar certos projetos de aplicação, pois a tensão da bateria permanece relativamente estável durante todo o ciclo de descarga. Por outro lado, a curva inclinada pode simplificar a estimativa da carga residual, uma vez que a tensão da bateria está intimamente relacionada com a carga residual da bateria. No entanto, para baterias de íons de lítio com curvas de descarga planas, a estimativa da carga residual requer métodos mais complexos, como a contagem de Coulomb, que mede a corrente de descarga da bateria e integra a corrente ao longo do tempo para estimar a carga residual.

Além disso, baterias com curvas de descarga descendentes experimentam uma diminuição na potência durante todo o ciclo de descarga. Uma bateria de “tamanho excessivo” pode ser necessária para suportar aplicações de alta potência no final do ciclo de descarga. Geralmente é necessário usar um regulador de tensão de reforço para alimentar dispositivos e sistemas sensíveis que usam baterias com curvas de descarga acentuadas.

A seguir está a curva de descarga de uma bateria de íons de lítio, que mostra que se a bateria for descarregada a uma taxa muito alta (ou vice-versa, a uma taxa baixa), a capacidade efetiva diminuirá (ou aumentará). Isso é chamado de mudança de capacidade e esse efeito é comum na maioria dos sistemas químicos de baterias.

A tensão e a capacidade das baterias de íons de lítio diminuem com o aumento da taxa C. (Imagem: Richtek)

A temperatura de trabalho é um parâmetro importante que afeta o desempenho da bateria. Em temperaturas muito baixas, as baterias com eletrólitos à base de água podem congelar, limitando o limite inferior da sua faixa de temperatura operacional. As baterias de íon de lítio podem sofrer deposição negativa de lítio no eletrodo em baixas temperaturas, reduzindo permanentemente a capacidade. Em altas temperaturas, os produtos químicos podem se decompor e a bateria pode parar de funcionar. Entre congelamento e danos químicos, o desempenho da bateria normalmente varia significativamente com as mudanças de temperatura.

A figura a seguir mostra o impacto de diferentes temperaturas no desempenho das baterias de íon de lítio. Em temperaturas muito baixas, o desempenho pode diminuir significativamente. No entanto, a curva de descarga da bateria é apenas um aspecto do desempenho da bateria. Por exemplo, quanto maior o desvio entre a temperatura operacional das baterias de íons de lítio e a temperatura ambiente (seja em temperaturas altas ou baixas), menor será o ciclo de vida. Para aplicações específicas, uma análise completa de todos os fatores que afetam a aplicabilidade de vários sistemas químicos de bateria está além do escopo da curva de descarga da bateria deste artigo. Um exemplo de outros métodos para analisar o desempenho de diferentes baterias é o gráfico de Lagone.

A tensão e a capacidade da bateria dependem da temperatura. (Imagem: Richtek)

Parcelas de Lagona

O diagrama Lagoon compara a potência específica e a energia específica de diferentes tecnologias de armazenamento de energia. Por exemplo, ao considerar baterias de veículos elétricos, a energia específica está relacionada com a autonomia, enquanto a potência específica corresponde ao desempenho de aceleração.

Um diagrama Ragone comparando a relação entre energia específica e potência específica de várias tecnologias. (Imagem: Researchgate)

O diagrama Lagoon é baseado na densidade de energia de massa e na densidade de potência e não inclui nenhuma informação relacionada aos parâmetros de volume. Embora o metalúrgico David V. Lagone tenha desenvolvido esses gráficos para comparar o desempenho de vários produtos químicos de baterias, o gráfico Lagone também é adequado para comparar qualquer conjunto de armazenamento de energia e dispositivos de energia, como motores, turbinas a gás e células de combustível.

A relação entre a energia específica no eixo Y e a potência específica no eixo X é o número de horas que o dispositivo opera na potência nominal. O tamanho do dispositivo não afeta essa relação, pois dispositivos maiores terão potência e capacidade energética proporcionalmente maiores. A curva isócrona que representa o tempo de operação constante no diagrama Lagoa é uma linha reta.

Resumo

É importante compreender a curva de descarga de uma bateria e os vários parâmetros que compõem a família da curva de descarga relacionados à química específica da bateria. Devido aos complexos sistemas eletroquímicos e termodinâmicos, as curvas de descarga das baterias também são complexas, mas são apenas uma maneira de compreender as compensações de desempenho entre as várias estruturas e químicas da bateria.