Conhecimento de carregadores de veículos elétricos e baterias de armazenamento

Classificação dos Carregadores:

Os carregadores podem ser categorizados em dois tipos principais com base no fato de incorporarem um transformador de frequência de rede (50 Hz). Os carregadores de triciclo de carga normalmente empregam transformadores com frequência de rede elétrica, resultando em unidades maiores e mais pesadas que consomem mais energia, mas oferecem confiabilidade e preço acessível. As bicicletas e motocicletas elétricas, por outro lado, utilizam os chamados carregadores de fonte de alimentação comutada, que são mais eficientes em termos energéticos e econômicos, mas propensos a falhas.
O procedimento correto para alternar entre carregadores é: durante o carregamento, conecte primeiro a bateria e depois a fonte de alimentação; após carga total, desconecte a fonte de alimentação antes de remover o plugue da bateria. Remover o plugue da bateria durante o carregamento, especialmente quando a corrente de carregamento for alta (indicada por uma luz vermelha), pode danificar gravemente o carregador.
Os carregadores de modo de comutação comuns subdividem-se ainda em tipos de meia ponte e de pulso único. Os carregadores de pulso único são categorizados como designs forward ou flyback. Projetos de meia ponte, embora de custo mais elevado, oferecem desempenho superior e são frequentemente empregados em carregadores que incorporam pulsos negativos. Os tipos Flyback, por serem mais econômicos, detêm uma participação significativa no mercado.

Em relação aos carregadores de pulso negativo
As baterias de chumbo-ácido têm uma história que se estende por mais de um século. Inicialmente, a prática global aderiu em grande parte às visões e procedimentos operacionais tradicionais: acreditava-se que carregar e descarregar a uma taxa de 0,1°C (onde C denota a capacidade da bateria) prolongava a vida útil. Para enfrentar os desafios de carregamento rápido, o Sr. Max, dos Estados Unidos, publicou as descobertas de sua pesquisa globalmente em 1967. Isso envolveu carregamento com correntes de pulso superiores à taxa de 1C, intercaladas com intervalos de descarga durante as pausas de carregamento. A descarga facilita a redução da polarização, reduz a temperatura do eletrólito e aumenta a capacidade de aceitação da carga da placa.
Por volta de 1969, os cientistas chineses desenvolveram com sucesso várias marcas de carregadores rápidos com base nos três princípios do Sr. O ciclo de carregamento ocorreu da seguinte forma: carregamento por pulso de alta corrente → interrupção do circuito de carregamento → breve descarga da bateria → interrupção da descarga → restabelecimento do circuito de carregamento → carregamento por pulso de alta corrente...
Por volta do ano 2000, este princípio foi adaptado para carregadores de veículos elétricos. Durante o carregamento, o circuito permaneceu ininterrupto, empregando um curto-circuito de baixa resistência para descarregar momentaneamente a bateria. Como o circuito de carga permaneceu ativo durante o curto-circuito, um indutor foi conectado em série dentro dele. Normalmente, o curto-circuito dura de 3 a 5 milissegundos em um segundo (1 segundo = 1.000 milissegundos). Como a corrente dentro da indutância não pode mudar abruptamente, a breve duração do curto-circuito protege a seção de conversão de energia do carregador. Se a direção da corrente de carga for considerada positiva, a descarga naturalmente se tornará negativa. Consequentemente, a indústria de veículos eléctricos cunhou o termo “carregador de impulsos negativos”, alegando que poderia prolongar a vida útil da bateria e assim por diante.

Em relação aos carregadores de três estágios
Nos últimos anos, os veículos elétricos adotaram amplamente os chamados carregadores de três estágios. O primeiro estágio é denominado estágio de corrente constante, o segundo estágio de tensão constante e o terceiro estágio de gotejamento. Do ponto de vista da engenharia eletrônica, eles são descritos com mais precisão como:
- Primeiro estágio: Estágio de limitação de corrente de carga
- Segundo estágio: Estágio de alta tensão constante
- Terceiro estágio: Estágio de baixa tensão constante Durante a transição entre o segundo e o terceiro estágio, as luzes indicadoras do painel mudam de acordo. A maioria dos carregadores exibe uma luz vermelha durante o primeiro e segundo estágios, mudando para verde durante o terceiro estágio. Esta transição entre estágios é determinada pela corrente de carga: ultrapassar um determinado limite ativa o primeiro e o segundo estágios, enquanto cair abaixo dele aciona o terceiro estágio. Esta corrente limite é denominada corrente de transição ou corrente de comutação.
Os primeiros carregadores, incluindo aqueles fornecidos com veículos de marca, embora exibissem mudanças nos indicadores, eram na verdade carregadores de tensão constante e com corrente limitada, em vez de verdadeiras unidades de três estágios. Normalmente, estes mantinham um único valor de tensão estável em torno de 44,2 V, o que era adequado para as baterias de sulfato de alta gravidade específica da época.
Em relação aos três parâmetros principais dos carregadores de três estágios
O primeiro parâmetro crítico é o baixo valor de tensão constante durante a fase de gotejamento. O segundo é o alto valor de tensão constante durante a segunda fase. A terceira é a corrente de transição. Esses três parâmetros são influenciados pelo número de baterias, sua capacidade (Ah), temperatura e tipo de bateria. Para facilitar a referência, ilustraremos o uso do carregador de três estágios mais comum para bicicletas elétricas (três baterias de 12V 10Ah em série):
Primeiro, o baixo valor de tensão constante durante a fase de gotejamento, com tensão de referência de aproximadamente 42,5V. Um valor superior causa desidratação da bateria, aumentando o risco de superaquecimento e deformação; um valor mais baixo dificulta o carregamento completo. Nas regiões Sul, esse valor deve ficar abaixo de 41,5V; para baterias de gel, deve estar abaixo de 41,5 V e um pouco mais baixo ainda nas áreas do sul. Este parâmetro é relativamente rigoroso e não deve exceder o valor de referência.
A seguir, considere o alto valor de tensão constante no segundo estágio, com tensão de referência de aproximadamente 44,5V. Um valor mais elevado facilita o carregamento completo rápido, mas pode causar a desidratação da bateria, com a corrente não diminuindo suficientemente na fase de carregamento posterior, resultando no sobreaquecimento e deformação da bateria. Um valor mais baixo dificulta o carregamento rápido e completo, mas facilita a transição para o estágio de gotejamento. Embora não seja tão estritamente regulamentado como o primeiro valor, ainda assim não deve ser excessivamente elevado.

Por fim, em relação à corrente de conversão, o valor de referência é de aproximadamente 300mA. Um valor mais alto beneficia a longevidade da bateria, reduzindo a deformação térmica, embora dificulte o carregamento rápido. Um valor inferior (para leigos) facilita o carregamento mas, devido ao carregamento prolongado de alta tensão, pode causar desidratação da bateria, levando à deformação térmica. Particularmente quando as células individuais funcionam mal, se a corrente de carga não puder ser reduzida abaixo da corrente limite, poderá danificar células que de outra forma seriam saudáveis. A faixa de referência especificada permite desvios de ±50mA ou mesmo ±100mA, mas não deve cair abaixo de 200mA.
Atualmente, vários carregadores flyback de baixo custo estão disponíveis no mercado com altos valores de tensão constante de 46,5V, baixos valores de tensão constante de 41,5V e correntes de transição superiores a 500mA.
Para um carregador que suporta quatro baterias de 12 V (48 V no total), os dois primeiros parâmetros são calculados dividindo os valores de referência de tensão acima mencionados por três e multiplicando por quatro. A alta tensão constante é de aproximadamente 59,5 V e a baixa tensão constante é de aproximadamente 56,5 V.
Se a capacidade da bateria exceder 10Ah, o terceiro parâmetro (valor atual) deverá ser aumentado adequadamente. Por exemplo, uma bateria de 17Ah pode exigir até 500mA.

Mecanismos de falha da bateria: esgotamento da água; sulfatação; amolecimento do ânodo; e desprendimento de material ativo do ânodo.

Recuperação de sobrecarga. Se a vida útil da bateria não for a principal preocupação, este método de recuperação produz resultados imediatos. Ciclos profundos de descarga e recarga podem aumentar a capacidade da bateria, um fato reconhecido mundialmente. No entanto, isso pode comprometer a vida útil da bateria. Numerosas postagens neste site concentram-se exclusivamente em como a sobrecarga pode converter o óxido de chumbo α da superfície em óxido de chumbo β na placa positiva, aumentando assim a capacidade. Empregar esta abordagem durante o reparo corre o risco de causar perda irreversível de capacidade. Algumas baterias devolvidas aos fabricantes para reforma foram tratadas usando esses métodos.
Com base na prática pessoal, acredito que a restauração eficaz de descarga excessiva e sobrecarga pode produzir excelentes resultados ao limitar estritamente a corrente e a duração, traçando paralelos com o processo de formação da placa durante a fabricação. A chave reside no discernimento e não na aplicação uniforme da cobrança inversa em todos os casos. Considere um caso recente: ao visitar a loja do meu conhecido Lao San, encontrei quatro baterias de 17Ah recentemente removidas de uma motocicleta elétrica. Eles pretendiam vendê-las (por 120 yuans) para um coletor de baterias usadas. Aconselhei contra o descarte, sugerindo que o reparo era viável, e os levei de volta para avaliação. Segue um breve resumo:
Exemplo três: As quatro baterias acima mencionadas foram fabricadas em Changxing, Zhejiang, embora não pela Tianneng. Como foram removidos recentemente, nenhum teste ou carregamento adicional foi realizado. As tensões de circuito aberto foram as seguintes: Unidade 1: 13,42V; Unidade 2: 13,36V; Unidade 3: 13,18V; Unidade 4: 12,4V. Evidentemente, eles estavam com poucos eletrólitos. Após a abertura do invólucro, cada célula das três primeiras baterias recebeu 6ml mais 4ml adicionais de eletrólito, enquanto a célula 4 recebeu 6ml mais 2ml extras. Depois de descansar por duas horas, o carregamento começou inicialmente em 10A, reduzido para 3A após dois minutos e depois mudou para um modo redutor após meia hora. A produção de gás começou gradualmente. As células 1–3 exibiram produção de gás relativamente consistente em todos os compartimentos, enquanto a célula 4 mostrou produção de gás em cinco compartimentos aproximadamente ao mesmo tempo. Porém, após o início da produção de gás, os compartimentos próximos ao ânodo ainda não produziam quantidades significativas de gás. O carregamento cessou. Os testes de capacidade revelaram que as células 1–3 se aproximaram da nova condição, enquanto a célula 4 rendeu apenas 1,5Ah. Adicione 4 mililitros de água a cada célula das células 1–3 e carregue em etapas até que todas as células produzam gás. Carregue a célula 4 separadamente por uma hora e depois descarregue a 5A. Monitore a tensão do terminal: demorou 20 minutos para cair de 13,2 V para 10,5 V e menos de 5 minutos para atingir 8,32 V. Continue descarregando a 5A, mantendo cerca de 8,15V por uma hora antes de interromper o teste. Por que parar? Chegou-se à conclusão: a célula adjacente ao ânodo estava com defeito, com capacidade de aproximadamente 1,5Ah. Uma breve explicação teórica: a queda de 20 minutos de 13,2V para 10,5V demonstrou que a célula defeituosa (já significativamente abaixo de 1,7V) possuía capacidade inferior a 1,5Ah. Continuando a descarga de 5A, a célula defeituosa caiu para 0V. As cinco células saudáveis ​​restantes (10V) carregaram reversamente a célula defeituosa. Quando a célula defeituosa atingiu quase 2V em carga reversa, ela se estabilizou por um longo período. A tensão terminal da bateria era igual à soma das cinco células saudáveis ​​menos a tensão reversa da célula defeituosa: 10V - 2V = 8V. Descargas adicionais são desnecessárias, pois danificariam as cinco células boas. Para identificar a célula defeituosa: essas baterias possuem portas de enchimento de eletrólito significativamente menores do que as unidades de 10Ah. Usando uma ferramenta caseira banhada em chumbo, a célula defeituosa pode ser determinada em segundos. Neste caso, cinco células exibiram evolução de gás, enquanto a célula próxima ao ânodo não. Os testes confirmaram que esta célula estava com defeito, com separação parcial da célula. O tratamento isolado restaurou esta célula para capacidade de 10Ah. O reparo agora está concluído. As células 1–3 exibem capacidade quase nova, enquanto a célula 4 atinge 10Ah (as cinco células funcionais correspondem coletivamente à capacidade quase nova das células 1–3).

Método para verificar a sulfatação sem abrir a tampa
Aqui está um método para determinar a sulfatação sem abrir a bateria: Carregue a bateria usando uma fonte de corrente constante ajustável definida para aproximadamente 0,05C. Observe que a sulfatação é indicada pelas seguintes condições. Tomando como exemplo uma bateria de 12V: a tensão inicial ultrapassa 15V (com um desvio maior indicando sulfatação mais severa), e à medida que o tempo de carga aumenta, a tensão diminui, aproximando-se de 15V. Se mudar para carregamento de tensão constante, a corrente mostrará uma tendência crescente. Isso se baseia na minha experiência prática, enquanto a literatura padrão normalmente menciona apenas sintomas como geração excessiva de calor, evolução prematura de gases e capacidade reduzida. Demonstrei esse método de diagnóstico no local para vários estudantes universitários visitantes especializados na área, comparando baterias de chumbo-ácido com vários graus de sulfatação. A fonte de corrente constante ajustável é meu projeto de 1978, o ‘New Star Multifuncional Charger’, incluído no apêndice do meu livro Black and White Television Installation. Utilizando originalmente um transformador de 36 V com componentes lineares discretos, foi posteriormente atualizado para um projeto linear de circuito integrado com corrente constante controlada por interruptor eletrônico.

Avaliando a perda de água sem abrir o invólucro

Determinar a perda de água sem abrir a tampa requer duas condições simultâneas: 1) A tensão de circuito aberto de uma bateria de 12V excede 13,2V. 2) Capacidade reduzida. Mesmo os alunos do ensino primário podem compreender estes princípios. A teoria subjacente envolve dois pontos-chave: 1) A tensão de circuito aberto correlaciona-se com a concentração de ácido sulfúrico; a perda de água aumenta a concentração de ácido, aumentando a tensão terminal. 2) A perda de água diminui o nível de eletrólito, reduzindo a quantidade de material reativo e diminuindo a capacidade. Esclarecimentos adicionais sobre as condições: Os valores acima mencionados referem-se à tensão de circuito aberto de uma bateria de veículo elétrico de 12V meia hora após o carregamento. Para baterias automotivas, os valores deverão ser menores. Mesmo para baterias de veículos elétricos, a marca é importante – por exemplo, as baterias Panasonic têm valores mais baixos devido à menor gravidade específica do ácido sulfúrico em comparação com as baterias Zhejiang Changxing. Afirma também que não se deve ser dogmático: por exemplo, uma bateria com voltagem aparentemente padrão, mas de baixa capacidade, normalmente tem cinco células sem água, com uma célula parcialmente desconectada.

Padrões irreparáveis
Normas irreparáveis (para baterias com uso normal e sulfatação de chumbo):
1.  Irreparável se apresentar deformação externa, rachaduras ou vazamento.
2.  Irreparável se apresentar quebra interna, danos mecânicos ou placas sobrecarregadas transformando-se em negro-de-fumo; sintomas característicos: a tensão aumenta rapidamente durante o carregamento e cai significativamente após ficar em pé.
3.  Irreparável se exibir CEL (Luz de erro de célula) ruim, falha de célula única ou autodescarga interna. (Para baterias removíveis em empilhadeiras, as células individuais podem ser substituídas e a bateria restaurada.)