Baterias

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Baterias e pilhas para uso em robótica móvel

Sistemas Robóticos Engenharia Informática 2003/2004

Carlos [email protected]

Fonte de energia de um robô móvel

FONTE DE ENERGIA

SENSORES SISTEMA DECONTROLE

ACTUADORES

BateriasRede eléctricaPainéis solares

Etc.

DistânciaVelocidade

PosicionamentoEtc.

Controle planificadoControle reactivo

Controle inteligenteEtc.

MotoresVálvulas

AltifalantesEtc.

Fonte de energia de um robô móvel

Um robô móvel necessita de uma fonte de energia para poder funcionar.

Para garantir o bom funcionamento dos circuitos electrónicos, devemos garantir que a energia seja fornecida com uma tensão constante e que não haja ruído nem flutuações de corrente que interfiram com o bom funcionamento dos circuitos.

Fonte de Energia

Baterias

As baterias são a fonte de energia mais usada pelos robôs móveis.

Uma bateria converte energia química em energia eléctrica.

Devido à natureza química das baterias, estas exibem uma variedade complexa de propriedades:

• Recarregabilidade• Densidade de Energia• Capacidade• Tenção• Resistência Interna• Taxa de Descarga• Tempo de Vida em Repouso• Dependência da Temperatura

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Propriedades das Baterias

Recarregabilidade

Existem dois tipos de baterias, as baterias recarregáveis também chamadas baterias secundárias e as baterias não recarregáveis, também chamadas baterias primárias.


Densidade de Energia

A densidade de energia representa a quantidade máxima de energia por unidade de massa que uma tecnologia particular de baterias consegue armazenar.

A Densidade de Energia é normalmente medida em Watt-hora/quilograma (Wh/kg).


Capacidade

A capacidade da bateria é a sua energia armazenada. A Capacidade é normalmente indicada em Amperes-hora ou miliamperes/hora. A Capacidade é o produto da densidade de energia pela massa da bateria.

Uma bateria de 5Ah deveria conseguir fornecer 5A durante uma hora, ou 1A durante cinco horas, ou 0.5A durante dez horas, etc. Na prática não é assim tão simples. O fabricante determina a capacidade da bateria testando-a em períodos e taxas de descarga que dificilmente coincidirão com os que a bateria usará. Convêm então escolher baterias com capacidade 20% a 40% superiores à necessária.

Outra razão para essa escolha é o facto de que alguns componentes do robô, como por exemplo os motores, poderem exigir valores de corrente elevados no momento em que são ligados. O período de exigência pode ser muito breve, na ordem dos 100 a 200 milisegundos, mas a bateria deve conseguir fornecer esta corrente, com risco de se danificar.


Tensão

A tensão produzida pela bateria é característica da reacção química que ocorre nessa bateria. A tensão é indicada em Volts.

A tensão decresce à media que a bateria perde a sua carga. Normalmente considera-se que uma bateria está descarregada quando a sua tensão baixa para 80% do valor indicado. Por exemplo, uma bateria de 6V é consideradadescarregada quando a sua tensão atingir os 4.8V. Passados os 80% a bateria já não conseguirá fornecer o valor de corrente indicado na sua capacidade.

Uma maneira prática de conhecer o estado das baterias do robô é implementar um circuito monitor que na sua forma mais simples pode ligar um LED indicativo do nível de tensão, ou pode instruir o robô a procurar uma recarga, ou simplesmente fazer com que o robô se desligue, evitando que tenha um comportamento erróneo devido a falta de energia.

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Resistência Interna

Quando a bateria é curto-circuitada, a corrente que fornece é limitada pela sua resistência interna.

A resistência interna de uma bateria aumenta à medida que esta descarrega.


Taxa de Descarga

A taxa de descarga é medida em unidades de corrente e representa a taxa a que a bateria descarrega a sua energia.

A taxa máxima de descarga é limitada pela resistência internada bateria.


Tempo de Vida em Repouso

Uma bateria perde a sua carga mesmo quando não está ligada a um circuito.

O tempo de vida em repouso mede a velocidade a que essa descarga ocorre.


Dependência da Temperatura

A maioria das propriedades que caracterizam as baterias, em particular, a capacidade e o tempo de vida em repouso, são afectadas pela temperatura a que a bateria está sujeita.

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A Bateria Ideal

A bateria ideal teria uma densidade de energia muito elevada, uma tensão constante durante a descarga, uma resistência interna muito baixa, funcionaria a temperaturas extremas, teria um tempo de vida em repouso infinito, seria recarregável e seria muito barata.

Infelizmente não existe uma tecnologia de baterias que exiba todas essas características, pelo que na prática, dependendo da aplicação que queremos dar à bateria, é necessário abdicar de algumas qualidade para poder ter outras.

Tamanhos Standard das Baterias

Alcalinas

Têm uma densidade de energia elevada e uma resistência interna baixa. O seu custo é moderado e são fáceis de encontrar à venda. A tensão varia à medida a bateria descarrega. Não são recarregáveis.

Química das Baterias

Carbono-Zinco

Existem à mais de 100 anos. Sãs as mais baratas, mas são também as que têm a menor densidade de energia. A tensão varia à medida que a bateria descarrega. Têm uma resistência interna elevada e o seu desempenho a temperaturas baixas é pobre. Não são recarregáveis.


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Mercúrio e Prata

Têm uma densidade de energia elevada e a tensão mantém-se constante à medida que descarregam. São caras e estão apenas disponíveis em formato tipo botão ou moeda. Não são recarregáveis.


Lítio

Têm a maior densidade de energia das baterias disponíveis no mercado. A tensão mantém-se constanteà medida que descarregam. Têm um tempo de vida em repouso que pode chegar aos 10 anos. Têm uma grande resistência interna e são muito caras. Não são recarregáveis.


Chumbo-Ácido

Estão disponíveis em vários tamanhos rectangulares. São relativamente baratas. Têm uma resistência interna muito baixa. Têm uma densidade de energia muito pequena. São recarregáveis.


Nickel-Cadmium(Níquel-Cádmio NiCd)

São no geral usadas para substituir as baterias alcalinas, mas têm uma tenção inferior a estas. Têm uma resistência interna baixa, mas a densidade de energia é comparável à das baterias Chumbo-Ácido. Estão sujeitas ao efeito “memória”. São relativamente baratas. São recarregáveis.


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Nickel-Metal-Hydride(Hidreto de Níquel NiMH)

Têm características semelhantes às baterias NiCd, com a vantagem de terem uma densidade de energia maior. Não contêm Cádmio, pelo que são menos perigosas para o meio ambiente. Actualmente custam cerca de 2 a 3 vezes mais do que as baterias NiCd. São recarregáveis.

Química das Baterias Outros tipos interessantes

Baterias de Lithium Ion

Power Packs

Outros tipos interessantes

1.2v 500mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC- GA- O-N0500AR 1.2v 600mAh Sanyo Cell A size SMC- GA- O- N0600AE 1.2v 800mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC- GA- O-N0800AR 1.2v 1250mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC- GA- O- N1250SCRL 1.2v 3000mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC- GA- O- N3000CR 1.2v 700mAh Hi- Cap Pencell SMC- GA- O- N3U 1.2v 1000mAh Hi- Cap Pencell SMC- GA- O- N3US 1.2v 700mAh Sanyo Cell M Tagged SMC- GA- O- N3UTAG 1.2v 4000mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC- GA- O- N4000DRL 1.2v 500mAh Sanyo Cell AA SMC- GA- O- NK0500AAEC 1.2v 1100mAh Sanyo Cell Hi- Cap SMC- GA- O- NK1100AEL 1.2v 1200mAh Sanyo Cell Hi- Cap SMC- GA- O- NK1200AE 1.2V 1300mAh Sanyo Cell Sub C SMC- GA- O- NK1300SC 1.2v 1700mAh Sanyo Cell A size SMC- GA- O- NK1700AU 1.2v 4400mAh Sanyo Cell D size SMC- GA- O- NK4400D 1.2v 5000mAh Sanyo Cell D size SMC- GA- O- NK5000DE 1.2v 7000mAh Sanyo Cell F size SMC- GA- O- NK700F 1.2v 2400mAh Sanyo Cell Fast Charge SMC- GA- O- NRC2400 1.2v 2400mAh Sanyo Cell Tagged SMC- GA- O- NRC2400TAG

Recargadores

7

6000

180

11002300

50018004000

190

18005000

14000

14004500

10000

Grande densidade de energia, mas não são fáceis de encontrar.

1.4310NãoZinco-Ar

Muito baratas, mas obsoletas.D1.575NãoCarbono-Zinco

10Moeda1.6130NãoOxido de Prata

Melhor densidade de energia do que as NiCd, mas mais caras.

AA4/3A

1.357SimNiMH

Resistência interna muito baixa e fáceis de encontrar.

0.009AACD

1.238SimNiCd

10Moeda1.35120NãoOxido de Mercúrio

Excelente densidade de energia, mas muito caras.

0.3ACD

3.0300NãoLítio

Disponível numa grande variedade de tamanhos

0.0061.2-120 Ah2.040SimChumbo-Ácido

Actualmente é a bateria primária mais comum.

0.1AACD

1.5130NãoAlcalina

ComentárioResistência Interna (ohms)

Capacidade típica (mAh)

TensãoDensidade de Energia (Wh/kg)

RecarregávelQuímica

Os valores do quadro são aproximados. Os valores precisos dependem dos detalhes da bateria em particular.Os valores podem do estado da carga da bateria, da temperatura a que se encontra e da sua história de descarga.

Comparação das Tecnologias

A figura compara a curva de descarga, das tecnologias de bateria mais comuns, com as baterias de Lítio, considerando dois aspectos: A linha a tracejado representa a tensão de saída em função da capacidade consumida; a linha solida mostra a tensão em função do tempo. Considere-se que as baterias são do mesmo tamanho e têm a mesma taxa de descarga.

Curva de Descarga

É possível obter tensões e correntes mais elevadas ligando várias baterias entre si, em série ou em paralelo.

Em Série

Ao ligar as baterias em série, a tensão resultante é a soma da tensão de cada bateria individual.

Em Paralelo

Ao ligar as baterias em paralelo, a corrente resultante é a soma das correntes de cada bateria individual.

Para garantir o bom funcionamento destes circuitos, as baterias que os compõem devem ter as mesmas características e a mesma carga.

Aumento dos Valores das Baterias

A figura mostra um circuito monitor muito simples. O potenciómetro R1 define a tensão mínima que activa o circuito. O LED acenderá quando a tenção da bateria cair para além nível definido por R1.

Para usar o circuito com uma bateria de 6V, substituir D1 por um díodo zener de 3.3 V.

Antes de usar o circuito, R1 deve ser calibrada com uma bateria descarregada.

Circuito Monitor

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Os circuitos electrónicos podem ser muito sensíveis à variações de tensão e corrente da fonte de energia. Para evitar tais variações são usados reguladores de tensão.

Regulador de Tensão

É de evitar que a corrente dos motores passe pelas ligações que alimentam os outros circuitos.

Alimentação dos Circuitos

Errado

Correcto

Os motores quando não são convenientemente isolados, provocam efeitos indesejáveis nos circuitos electrónicos fazendo com que estes não trabalhem correctamente. A figura a mostra o uso de um condensador para proteger o circuito do ruídoprovocado pelos motores. A figura bmostra uma maneira de proteger o circuito de alterações de tensão provocados pela mudança de sentido dos motores. O díodo previne que o condensador não seja descarregado pelos motores. A figura c mostra uma situação de total isolamento entre a alimentação dos circuitos e a alimentação do motor.


As ligações entre a bateria e os circuitos devem ser feitas de modo a não haver ciclos de terra. A alteração de campos magnéticos induz tensões em qualquer ciclo que se encontrem nas ligações. Isto pode significar que os diferentes componentes ligados ao ciclo não tenham uma referência de tensão comum. A terra de um componente pode ter uma tensão maior ou menor do que a terra de outro componente, provocando um funcionamento erróneo.


ControladorBateria Actuador

Sensor Sensor

ControladorBateria Actuador

Sensor Sensor

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