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João Pedro Quintas Rodrigues
Gestão inteligente da carga dasbaterias de um robô futebolista
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
novembro de 2011
Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestreem Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor Agostinho Gil Lopes
João Pedro Quintas Rodrigues
Gestão inteligente da carga dasbaterias de um robô futebolista
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
iii
“There are no foolish questions and no man becomes a fool until he has stopped asking
questions”
Charles Proteus Steinmetz
iv
v
Agradecimentos
Existe um conjunto de pessoas às quais tenho de agradecer todo o apoio prestado para
a realização deste projecto, bem como na longa caminhada até chegar ao fim deste ciclo.
Em primeiro lugar tenho de agradecer aos meus pais pelo apoio prestado em todos os
anos da minha formação, foi um caminho longo e de esforço de todas as partes.
Ao meu tutor, o doutor Agostinho Gil Lopes, por todo o apoio e orientação prestados,
sempre confiando em mim, motivando-me e ajudando sempre com ideias novas e abordagens
diferentes.
Aos meus amigos e companheiros de curso pela sua amizade e companheirismo, em
especial o Avelino Ferreira, Sérgio Silva, Vitor Veiga, Rui Moreira, João Paulo Silva, Bruno Pereira,
João Costa, Rui Pereira, Merylin Santos, Miguel Sousa, Frederico Pereira, e José Vieira que com
as suas críticas construtivas e ideias me ajudaram neste caminho.
Por fim ao doutor António Fernando Ribeiro, principal responsável pela entrada no
Laboratório de Automação e Robótica e por ter integrado a equipa que participou na RoboCup
2011, Minho Team, bem como o Robótica 2010 e 2011.
A todos, o meu muito obrigado!
vi
vii
Resumo
Recentemente têm surgido no mercado um conjunto de baterias de alto rendimento,
capazes de amplas capacidades de descarga e de fornecer elevados picos de corrente com
elevados rácios de potência por volume e potência por peso. Estas novas baterias exigem um
plano de carga extremamente rigoroso, pois a sua esperança de vida e a segurança de quem as
manuseia depende em muito de como é carregada a bateria.
Com a renovação da equipa de robôs futebolistas da Universidade do Minho surgiu a
necessidade de se implementar um sistema de gestão da carga das baterias, pois as
actualmente utilizadas (LiPo – Lithium Polimer), são extremamente instáveis quando sujeitas a
descargas e/ou cargas descontroladas, que podem danificar as baterias e o robô.
A finalidade em que se insere este projecto consiste, assim, na implementação de um
sistema que inteligentemente faça a gestão da carga das baterias do robô futebolista. O sistema
funciona basicamente em dois modos: o modo gestão de carga e o modo de carregamento. A
transição para o modo de carregamento é ditado pela necessidade de carregamento das baterias
e estando o robô ligado à rede eléctrica. No modo gestão, o sistema recolhe dados da carga das
baterias e envia essa informação para o computador central do robô, para que este adapte o seu
comportamento de acordo com a carga disponível. Já no modo de carregamento, o sistema
utiliza a energia da rede eléctrica para carregar as baterias, implementando um rigoroso plano
de carga exigido pelas características das baterias, por forma a aumentar o tempo de vida das
mesmas.
Palavras chave: conversores de tensão, microcontroladores, controlo PID, PWM, ADC,
comunicação I2C, PCB, rectificadores, sensores.
viii
Abstract
Recently have appeared on the market a set of high performance batteries, capable of a
large discharge capacity and provide high peak currents with a high power by volume and power
by weight ratios. These new batteries require an extremely rigorous charge plan because their life
expectancy and the safety of those who handle them depends greatly how charged the battery is.
With the renewal of the University of Minho MSL robots arose the need to implement a
power management system for the batteries that are currently used, the LiPo batteries, are
extremely unstable when are subjected to uncontrolled discharges and/or uncontrolled charges,
than can damage the batteries and the robot.
The purpose in which appears this project is then to implement a system that intelligently
manages the battery power of a robot footballer. The system works basically in two modes: the
power management mode and the charging mode, the transition to the charging mode is dictated
by the need to charging the batteries while the robot are connected to power grid. In
management mode, the system collects the voltage information across the battery terminals,
using an ADC, after treating sends the information via I2C to the central computer of the robot so
that fits behaviors. In the charging mode, the system uses the energy from power grid to charge
the batteries, implementing a rigorous plan required by the charging characteristics of the
battery.
Keywords: voltage converters, microcontrollers, PID control, PWM, ADC, I2C communication,
PCB, rectifiers, sensors.
ix
Lista de acrónimos DC Direct Current
AC Alternating Current
I2C Inter Integrated Circuit
PIC Peripherical Interface Controller
LCD Liquid Cristal Display
V Volt
A Ampere
Ω Ohm
W Watt
Hz Hertz
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
LED Light Emitting Diode
FET Field Effector Transistor
SMD Surface Mount Technology
PWM Pulse With Modulation
ADC Analog to Digital Converter
MIPS Millions of Instructions Per Second
PCB Printed Circuit Board
RMS Root Mean Square
x
l Litro
s Segundo
h Hora
ºC Graus Celcius
Ah Ampere * hora
Wh Watt * hora
Wh/kg Relação energia/peso
Wh/l Relação energia/volume
W/kg Relação potência/peso
xi
Índice AGRADECIMENTOS ............................................................................................................................... V
RESUMO ............................................................................................................................................. VII
ABSTRACT .......................................................................................................................................... VIII
LISTA DE ACRÓNIMOS ...........................................................................................................................IX
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 1
1.1. OBJECTIVOS .................................................................................................................................... 2
1.2. ESTRUTURA DA TESE ......................................................................................................................... 2
2. ESTADO DA ARTE ........................................................................................................................... 3
2.1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 3
2.2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA DE BATERIAS ................................................................................................... 4
2.2.1. Introdução .......................................................................................................................... 4
2.2.2. Conceitos gerais sobre baterias [5] .................................................................................... 6
2.2.3. Baterias .............................................................................................................................. 8
2.3. CARREGADORES DE BATERIAS ........................................................................................................... 17
2.3.1. Hyperion EOS 1420i net3 [11] .......................................................................................... 17
2.3.2. Hyperion EOS 0606i AD [12] [13] ...................................................................................... 18
2.3.3. Hitec X4 Multi-Charger [14] [15] ...................................................................................... 19
2.3.4. Revolectrix CellPro PowerLab 8 V2 [16] [17] [18] ............................................................. 20
2.3.5. Robbe RB8541 [19] ........................................................................................................... 21
2.3.6. Robbe RB8553 [19] ........................................................................................................... 22
2.3.7. Tabela comparativa e análise dos dados ......................................................................... 23
3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS .......................................................................................................... 25
3.1. CONVERSORES DE TENSÃO ............................................................................................................... 25
3.1.1. Introdução ........................................................................................................................ 25
3.1.2. Conversores AC/AC ........................................................................................................... 27
3.1.3. Conversores DC/DC [21] ................................................................................................... 28
3.1.4. Conversores AC/DC ........................................................................................................... 39
3.2. SISTEMAS DE CONTROLO.................................................................................................................. 41
3.2.1. Formas de controlo .......................................................................................................... 42
4. TRABALHO REALIZADO ................................................................................................................ 49
4.1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 49
4.2. HARDWARE .................................................................................................................................. 50
4.2.1. Rectificação ...................................................................................................................... 50
4.2.2. Step-Down ........................................................................................................................ 51
4.2.3. Sensor de corrente e de tensão ........................................................................................ 56
4.2.4. Microcontrolador ............................................................................................................. 58
4.2.5. Driver IGBT ....................................................................................................................... 59
4.2.6. Circuito Snubber ............................................................................................................... 60
4.2.7. I2C .................................................................................................................................... 61
4.2.8. Balanceadores .................................................................................................................. 62
4.3. SOFTWARE ................................................................................................................................... 63
xii
4.3.1. Introdução ........................................................................................................................ 63
4.3.2. Primeiros testes no Arduino Uno ...................................................................................... 64
4.3.3. Passagem para o PIC 18F4520 ......................................................................................... 65
4.3.4. Algoritmos ........................................................................................................................ 66
4.4. PROTÓTIPO DO CARREGADOR ........................................................................................................... 70
4.4.1. Primeiros testes ................................................................................................................ 70
4.4.2. Testes finais ...................................................................................................................... 73
5. CONCLUSÕES E TRABALHO FUTURO ............................................................................................ 77
5.1. CONCLUSÕES ................................................................................................................................ 77
5.2. TRABALHO FUTURO ........................................................................................................................ 78
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................................... 79
ANEXOS ............................................................................................................................................... 84
5.3. ANEXO 1: ..................................................................................................................................... 84
xiii
Lista de Figuras
FIGURA 1 – EXPLOSÃO DE UMA BATERIA LIPO [2] .................................................................................................... 3
FIGURA 2- BATERIA LIPO COM CÉLULAS DANIFICADAS [3] ......................................................................................... 3
FIGURA 3 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UMA BATERIA [6] ............................................................................... 5
FIGURA 4 - EXEMPLO DE USO DE FONTES ALTERNATIVAS PARA CARREGAMENTO DE BATERIAS [8] ...................................... 5
FIGURA 5 - EXEMPLO DE BATERIA DE ÁCIDO-CHUMBO [5] ........................................................................................ 8
FIGURA 6 - CURVA DE CARGA CARACTERÍSTICA [5] ................................................................................................... 9
FIGURA 7 - BATERIA DE ÁCIDO-CHUMBO APLICADO A UMA CADEIRA DE RODAS [5] ...................................................... 10
FIGURA 8 - ALGUNS MODELOS DE BATERIAS DE HIDRETO METÁLICO DE NÍQUEL ........................................................... 10
FIGURA 9 - EXEMPLO DE BATERIA DE LIPO [5]....................................................................................................... 12
FIGURA 10 - PROCESSO QUÍMICO NUMA BATERIA LIPO [5] ..................................................................................... 13
FIGURA 11 - PLANO DE CARGA MISTO [5] ............................................................................................................ 14
FIGURA 12 - CURVA DE DESCARGA [5] ................................................................................................................ 15
FIGURA 13 - PLANO DE CARGA [5] ...................................................................................................................... 16
FIGURA 14 - CARREGADOR HYPERION EOS1420I NET3 [11] .................................................................................. 17
FIGURA 15 - CARREGADOR HYPERION EOS0606I AD [12] .................................................................................... 18
FIGURA 16 - CARREGADOR HITEC X4 [15] ........................................................................................................... 20
FIGURA 17 - CARREGADOR REVOLECTRIX CELLPRO POWERLAB 8 V2 [17] ................................................................. 21
FIGURA 18 - CARREGADOR ROBBE RB8541 [19] ................................................................................................. 21
FIGURA 19 - CARREGADOR ROBBE RB8553 [19] ................................................................................................. 22
FIGURA 20 - MODELO BÁSICO DE UM CONVERSOR DE TENSÃO ................................................................................. 25
FIGURA 21 - MODELO BÁSICO DE UM VARIADOR ELECTRÓNICO DE VELOCIDADE ........................................................... 26
FIGURA 22 - ESQUEMA BÁSICO DE UM TRANSFORMADOR ....................................................................................... 27
FIGURA 23 - NÚCLEO DE UM TRANSFORMADOR .................................................................................................... 27
FIGURA 24 - DIVISOR DE TENSÃO RESISTIVO .......................................................................................................... 29
FIGURA 25 - REFERÊNCIA DE TENSÃO COM ZENER [27] ........................................................................................... 30
FIGURA 26 - ESQUEMA DE LIGAÇÕES DE UM LM78XX ........................................................................................... 30
FIGURA 27 - TRANSFORMADOR DE ALTA FREQUÊNCIA USADO EM FONTES COMUTADAS ................................................. 31
FIGURA 28 - ESQUEMA BÁSICO DO CONVERSOR BUCK ............................................................................................ 32
FIGURA 29 - ESQUEMA DE LIGAÇÕES DO PTN78060W [33] .................................................................................. 33
FIGURA 30 - BUCK ON [21].............................................................................................................................. 33
FIGURA 31 - BUCK OFF [21] ............................................................................................................................ 33
FIGURA 32 - CONDUÇÃO CONTÍNUA [21] ............................................................................................................ 34
FIGURA 33 - CONDUÇÃO DESCONTÍNUA [21] ....................................................................................................... 34
FIGURA 34 - LIMIAR ENTRE A CONDUÇÃO CONTÍNUA E DESCONTÍNUA [21] ................................................................. 35
FIGURA 35 - EVOLUÇÃO DOS VALORES DE ILB [21] ................................................................................................ 35
FIGURA 36 - RIPPLE [21] .................................................................................................................................. 37
FIGURA 37 - CONVERSOR FORWARD ................................................................................................................... 38
FIGURA 38 - TOPOLOGIA BÁSICA DO TAPPED INDUCTOR BUCK [30] .......................................................................... 39
FIGURA 39 - RECTIFICADOR DE MEIA ONDA .......................................................................................................... 39
FIGURA 40 - FORMA DE ONDA DO RECTIFICADOR DE MEIA ONDA .............................................................................. 39
FIGURA 41 - RECTIFICADOR ............................................................................................................................... 40
FIGURA 42 - FORMA DE ONDA DE SAÍDA DO RECTIFICADOR ...................................................................................... 40
FIGURA 43 - RECTIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO ............................................................................................. 40
FIGURA 44 - FORMA DE ONDA DO RECTIFICADOR COM FILTRO CAPACITIVO ................................................................. 40
FIGURA 45 - DIGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA DE CONTROLO ............................................................................ 41
FIGURA 46 - EXEMPLO DE UM SISTEMA DE CONTROLO ANALÓGICO [38] ..................................................................... 42
FIGURA 47 - FLUXOGRAMA DE EXEMPLO .............................................................................................................. 43
xiv
FIGURA 48 - EXEMPLO DE RESPOSTA CONTROLO ON OFF ....................................................................................... 43
FIGURA 49 - DIAGRAMA DE BLOCOS DO CONTROLO PID [48] .................................................................................. 44
FIGURA 50 - RESPOSTAS DE UM SISTEMA A VÁRIOS VALORES DE KP [48] .................................................................... 45
FIGURA 51 - RESPOSTA DE UM SISTEMA COM CONTROLO P [47] .............................................................................. 46
FIGURA 52 - RESPOSTAS DE UM SISTEMA A VÁRIOS KI [48] ..................................................................................... 46
FIGURA 53 - RESPOSTAS DE UM SISTEMA A VÁRIOS KD [48] .................................................................................... 47
FIGURA 54 - TABELA RESUMIDA DOS EFEITOS DOS TERMOS NO CONTROLADOR PID [47] ............................................... 47
FIGURA 55 - RESPOSTA EM MALHA ABERTA DE UM SISTEMA [47] ............................................................................. 48
FIGURA 56 - PARÂMETROS DE ZEIGLER-NICHOLS E COHEN AND COON [47] ............................................................... 48
FIGURA 57 - SIMULAÇÃO DE RECTIFICADOR DE PONTE COMPLETA COM FILTRO CAPACITIVO ............................................ 51
FIGURA 58 - CIRCUITO SIMULADO ...................................................................................................................... 52
FIGURA 59 - RESULTADO DA SIMULAÇÃO ............................................................................................................. 52
FIGURA 60 - ESQUEMA DE UM DIMMER DE LUZ [59] .............................................................................................. 53
FIGURA 61 - FORMA DE ONDA RESULTANTE DO DIMMER [59] .................................................................................. 54
FIGURA 62 - CARACTERÍSTICA DO DIAC [59]......................................................................................................... 54
FIGURA 63 - STEP-DOWN CLÁSSICO .................................................................................................................... 55
FIGURA 64 - NOVA ABORDAGEM ........................................................................................................................ 55
FIGURA 65 - ESQUEMA DE LIGAÇÕES DO ASC713 [62] .......................................................................................... 57
FIGURA 66 - CURVA CARACTERÍSTICA DE RESPOSTA DO ASC713 [62] ....................................................................... 57
FIGURA 67 - PLACA DE TESTE DO ASC713 ........................................................................................................... 57
FIGURA 68 - PINOUT DO PIC18F4520 [63] ........................................................................................................ 58
FIGURA 69 - DIAGRAMA INTERNO DO DRIVER HCPL3120 [64] ............................................................................... 59
FIGURA 70 - ESQUEMA DE LIGAÇÕES DO DRIVER NO CONVERSOR .............................................................................. 59
FIGURA 71 - EXEMPLO DE SNUBBER RCD [65] ..................................................................................................... 60
FIGURA 72 - EVOLUÇÃO DA TENSÃO E CORRENTE COM E SEM SNUBBER EM UMA COMUTAÇÃO [35] ................................ 60
FIGURA 73 - BARRAMENTO I2C [69] .................................................................................................................. 61
FIGURA 74 - TRAMA PADRÃO DO I2C [69]........................................................................................................... 61
FIGURA 75 - ESQUEMA BÁSICO DE UM BALANCEADOR DE 4 CÉLULAS ......................................................................... 62
FIGURA 76 - BALANCEADOR USADO .................................................................................................................... 62
FIGURA 77 - DIAGRAMA DE BLOCOS DO HARDWARE [73] ........................................................................................ 63
FIGURA 78 - FLUXOGRAMA DO CÓDIGO NO ARDUINO ............................................................................................ 64
FIGURA 79 - TEMPO DE GERAÇÃO DE UM NOVO CICLO DE CÓDIGO (5 V/DIV E 20 µS/DIV) ............................................. 65
FIGURA 80 - FLUXOGRAMA DO ALGORITMO DE GESTÃO DE CARGA ............................................................................ 66
FIGURA 81 - CIRCUITO UTILIZADO ....................................................................................................................... 67
FIGURA 82 - ALGORITMO DETECÇÃO DE ENERGIA .................................................................................................. 67
FIGURA 83 - PLANO DE CARGA MISTO [5] ............................................................................................................ 68
FIGURA 84 - ALGORITMO PARA MODO CARGA ...................................................................................................... 69
FIGURA 85 - PLATAFORMA DE TESTES .................................................................................................................. 71
FIGURA 86 - ILUSTRAÇÃO DOS ELEMENTOS QUE DITAM A CORRENTE DO CIRCUITO ........................................................ 71
FIGURA 87 - SIMULAÇÃO DO CONVERSOR COM OS NOVOS VALORES DE L E C .............................................................. 73
FIGURA 88 - VALORES TENSÃO E CORRENTE OBTIDOS NO PRIMEIRO TESTE ................................................................. 74
FIGURA 89-VALORES TENSÃO E CORRENTE OBTIDOS NO SEGUNDO TESTE ................................................................... 75
FIGURA 90 - ESQUEMÁTICO EM EAGLE CAD DE TODO O SISTEMA ............................................................................. 84
1
1. Introdução Apesar de haver registos de que na antiguidade os egípcios teriam inventado algo
semelhante a uma bateria e que foram encontrados artefactos perto da capital do Iraque de um
vaso com vestígios de químicos que poderiam gerar energia eléctrica, a invenção da bateria está
atribuída a Alessandro Volta, inventor italiano, que no final do século XVIII apresenta ao mundo a
pilha de Volta construída em cobre e zinco [1].
Desde essa altura que surgem cada vez mais baterias de diferentes tecnologias por
forma a aumentar a autonomia das mesmas. Mas nem tudo são vantagens pois os químicos
presentes nas baterias de hoje em dia são extremamente instáveis (quando a tensão de célula
está fora da gama admissível) e requerem normas rigorosas de gestão da carga.
Actualmente é possível encontrar baterias em quase todo o tipo de aplicações desde o
telemóvel, computador portátil e mesmo em robôs. A informação sobre o estado das baterias é
essencial para um robô autónomo, pois necessita de adaptar os seus comportamentos para
poupança de energia e/ou dirigir-se para o local de recarga das mesmas.
Nos robôs futebolistas da Universidade do Minho, a informação sobre o estado de carga
das baterias será essencial para que o robô adapte uma táctica/estilo de jogo por forma a ter
energia até ao final do encontro. Para isso é essencial haver um sistema que seja capaz de
recolher a informação sobre a carga das baterias e que seja capaz de informar o computador
central sobre o estado das mesmas, sendo assim possível tomar decisões com base num maior
número de informações. Por fim, o sistema deve ser capaz de implementar um plano específico
de carregamento das baterias, com base nas suas características químicas e eléctricas, usando
como fonte a rede eléctrica. Este processo agiliza o carregamento das baterias pois não é
necessário remover partes do robô, retirar as mesmas e carrega-las externamente num
carregador, poupando tempo precioso que pode ser empregue noutras tarefas.
2
1.1. Objectivos Pretende-se, então, com este projecto criar um sistema de gestão da carga das baterias
de um robô futebolista, que tem como principais objectivos:
Desenvolver o hardware necessário para o carregamento de baterias
Integrar neste sistema o balanceamento das células das baterias para evitar desbalanceamentos que podem provocar avarias
Desenvolver e integrar no sistema uma gestão de carga das baterias existentes com o controlo da descarga e monitorização das mesmas
Fornecer ao computador de bordo o estado e quantidade de carga das baterias do robô
Como o espaço disponível no robô é diminuto, o sistema deverá ser o mais compacto possível.
Alimentação, se possível, pela rede eléctrica 110/230 V 60/50 Hz
1.2. Estrutura da tese Este documento encontra-se dividido em cinco capítulos. No capítulo 2 é feito um estudo
sobre o estado da arte actual de carregadores inteligentes de bateria, bem como uma revisão
sobre as principais tecnologias de baterias, e onde se definem os principais conceitos e as
características eléctricas inerentes a cada tecnologia.
No capítulo 3 é feito um estudo teórico dos vários blocos que constituem este projecto,
onde se incluem os conversores de tensão e as teorias de controlo mais comuns neste tipo de
aplicações. No capítulo 4 são apresentadas todas as etapas que levaram ao protótipo final do
carregador de baterias, com os problemas encontrados, soluções testadas e resultados obtidos
nas várias fases do projecto e com diferentes abordagens.
Por fim no capítulo 5 são apresentadas as conclusões deste projecto, bem como ideias
para trabalho futuro que podem contribuir para melhoramentos no protótipo apresentado.
3
2. Estado da arte Neste capítulo pretende-se fazer um levantamento dos principais sistemas de
carregamento de baterias com principal ênfase na tecnologia ácido-chumbo, Li-on, LiPO,
LiFePO4, NiCd e NiMH. Essas são as principais tecnologias em estudo de baterias para robôs
futebolistas. Um outro requisito prende-se ao facto dos carregadores puderem ser capazes de
inteligentemente gerir a carga das baterias para que as mesmas fiquem correctamente
carregadas e que a sua esperança de vida não seja diminuída.
Por fim foi dada preferência a carregadores modulares, ou seja, carregadores que
tivessem vários módulos para carregamento de outras tecnologias de baterias, este tipo de
carregadores são ainda mais raros e mais dispendiosos.
2.1. Introdução Pelo levantamento efectuado foi possível constatar que o maior impulsionador deste tipo
de carregadores inteligentes são as empresas de modelismo, pois os seus produtos, como
carros telecomandados, utilizam este tipo de tecnologia de baterias com as voltagens e correntes
usadas no caso em análise.
Cada empresa desenvolve o seu carregador inteligente em conformidade com as
características da bateria que irá fornecer, tal como também desenvolve a sua própria bateria de
acordo com o produto que produz, que faz com que existam vários modelos de carregadores de
baterias no mercado. Esses carregadores são, normalmente, limitados à tecnologia existente no
produto que a empresa produz ou vende. A sua aplicação em baterias de outro tipo com
configurações diferentes poderá ser impossível, sendo na maioria dos casos difícil. Isto deve-se
ao facto de o seu regime de carga ser inapropriado à bateria podendo provocar explosões, com a
consequente libertação de gases tóxicos, etc., tal como se pode ver na Figura 1 e Figura 2.
Figura 1 – Explosão de uma bateria LiPo [2]
Figura 2- Bateria LiPo com células danificadas [3]
4
Por outro lado, existem empresas dedicadas ou subsidiarias das empresas de
modelismo, que desenvolvem carregadores inteligentes de baterias modulares por famílias de
tecnologia de baterias, como por exemplo carregadores para Li+ que são para a família de
carregadores de baterias de lítio (Li-on, LiPO, LiFePO4, …) e também carregadores mais
universais que dispõem de várias saídas para as varias tecnologias que suporta, normalmente
estes dispositivos conseguem carregar várias baterias em simultâneo e tem balanceadores
dedicados a cada bateria em carga, que permite que o carregamento de cada bateria seja
independente do carregamento das outras baterias que estão simultaneamente em
carregamento.
Em relação à preservação das baterias em armazenamento existem tecnologias que
necessitam de estar a uma determinada carga (por vezes a 70%), com isso é maximizada a
esperança de vida das próprias baterias. Com esta problemática muitos dos carregadores
analisados também tem a função de descarregar as baterias, de forma controlada.
Nos próximos tópicos são apresentados alguns carregadores com características
idênticas ao carregador em desenvolvimento nesta dissertação.
2.2. Revisão bibliográfica de baterias Neste tópico serão abordados aspectos considerados essenciais para quem lida com
baterias da família do chumbo, lítio e níquel. Esse suporte teórico torna-se fundamental na
medida em que estas baterias são extremamente instáveis com um uso incorrecto.
2.2.1. Introdução Uma bateria é um dispositivo armazenador de energia, com mais ou menos tecnologia,
que recorre a reacções químicas para armazenar a energia eléctrica que lhe é fornecida, e que
pelas reacções químicas inversas é capaz de fornecer energia eléctrica. Encontram-se em
grande expansão pois com os avanços tecnológicos actuais como: telemóveis, computadores
portáteis, UPS, veículos eléctricos, etc e robôs [4].
De forma geral, uma bateria é composta por células electroquímicas que podem ser
associadas de várias formas (série ou paralelo), como mais à frente será explicado, em que é
nessas células que se encontra um ou mais elementos químicos que associados a ânodos e
cátodos são capazes de armazenar energia, como se pode ver na Figura 3. Assim, é possível ver
5
uma bateria como uma célula onde ocorrem reacções químicas que transformam a energia
armazenada em forma química em energia electrica [5].
Figura 3 - Princípio de funcionamento de uma bateria [6]
Os principais desafios actuais com as baterias prendem-se com o aumento da sua
autonomia e longevidade ao mesmo tempo que o seu volume e peso são reduzidos e novas
formas rápidas e eficientes de as carregar. Existem grandes impulsionadores dessas tecnologias
e desenvolvimentos e cada vez mais investimentos nessas áreas pois o mundo tenta libertar-se
da dependência dos combustíveis fósseis, isso exige que seja possível extrair energia de fontes
renováveis e conseguir armazenar a energia de forma eficiente. Um exemplo disso é um
semáforo que dispõe de um painel fotovoltaico, como se pode ver na Figura 4, que durante os
períodos em que o sol lhe incide, transforma a energia solar em energia eléctrica, distribuindo
parte da energia para o funcionamento do próprio semáforo e uma outra parte para carregar
baterias para um funcionamento nocturno. [7]
Figura 4 - Exemplo de uso de fontes alternativas para carregamento de baterias [8]
6
Actualmente, existe um grande número de tipos de baterias com diferentes
características que estão adaptadas a várias funções para as quais são necessárias, como são
os casos das baterias de lítio, acido chumbo, polímero de lítio, níquel cadmio, etc.
Nesta revisão bibliográfica serão abordados os aspectos mais relevantes das baterias
existentes, a nível de tecnologia empregue, métodos de carga, sistemas de segurança ou
cuidados a ter, algumas aplicações, etc.
2.2.2. Conceitos gerais sobre baterias [5] Neste tópico são definidos alguns termos essenciais para se falar sobre baterias, esses
termos são referidos durante a dissertação e para melhor entendimento, são aqui explicados e
definidos.
Bateria: segundo vários dicionários, entende-se como uma bateria um conjunto de uma
ou mais células ligadas em conjunto para fornecer corrente eléctrica, com determinada diferença
de potencial, ao dispositivo que lhe esta conectado.
Célula: uma célula electroquímica é um dispositivo capaz de obter energia eléctrica
através de reacções químicas (descarga da bateria) e facilitar reacções químicas através de
energia eléctrica (carga da bateria). Uma bateria é composta por um número de células
associadas em série ou em paralelo de forma a obter as características pretendidas.
Nomenclatura das células: como foi dito anteriormente, as células podem estar
associadas em série ou paralelo ou um misto entre série e paralelo numa bateria, mas como
normalmente essas associações não são facilmente visíveis, existe uma nomenclatura para se
saber que tipo de associações de células constituem as baterias. Essa informação é essencial
para se planear o carregamento da bateria pois fornece informações sobre tensões nominais e
correntes máximas. Então a associação em série é expressa por “nS” onde “n” é o número de
células em série “S”, por exemplo “3S” indica que a bateria é composta por 3 células em série.
A associação em paralelo é expressa por “nP” onde “n” é o número de células em paralelo “P”,
por exemplo “3P” incida que a bateria é composta por 3 células em paralelo. Por fim associação
mista é uma junção das duas associações anteriores, ou seja, é expressa por “nS nP”, por
exemplo “3S 3P” indica que a bateria é composta por 3 paralelos de 3 células em série.
7
Capacidade nominal: indica a capacidade que a célula ou bateria consegue
armazenar. Normalmente é expressa em “mAh”. A capacidade nominal de uma bateria é
designada de “1C”.
Capacidade máxima de descarga: indica a máxima capacidade de descarga em
relação à capacidade nominal, é conhecida por descarga “burst”, normalmente ocorre por
curtos períodos de tempo, pois pode danificar a bateria. Normalmente expressa em “nC” onde
“n” é o valor que multiplicado pela capacidade “C” indica a máxima corrente de descarga.
Tensão nominal da célula: é a tensão de referência da célula ou a tensão normal da
bateria. Esta tensão é a tensão aos terminais da bateria quando a mesma se encontra em carga.
Tensão máxima (em aberto): é a tensão aos terminais da bateria quando esta não
está em carga ou então é a tensão máxima a que a bateria em fase de carregamento da mesma.
Esta tensão é sempre superior à tensão nominal.
Tensão de descarga mínima (Cut-off): é a tensão mínima a que a bateria pode
descarregar sem danificar as suas características químicas, quando esta tensão é atingida diz-se
que a bateria está completamente descarregada.
Profundidade de descarga: a profundidade de descarga é a quantidade,
normalmente em percentagem, que a bateria pode atingir sem se danificar, ou seja, até atingir a
tensão de descarga mínima.
Tempo de vida: entende-se como o número de ciclos de carga ou descarga que a
bateria pode suportar a manter as suas características. Após esse número de ciclos a bateria
começa a perder as suas qualidades.
Efeito de memória: é algo que não é muito consensual, mas tecnicamente não existe
efeito de memória, o que na realidade existe é uma depleção de tensão devido às sucessivas
cargas e descargas das baterias. Esse efeito pode ser revertido fazendo um “reset” ao hardware
que controla a descarga da bateria, existe aparelhos que fazem isso automaticamente, mas
também é possível fazendo algumas descargas e cargas completas.
8
2.2.3. Baterias Nesta secção pretende-se apresentar as baterias mais comuns que se pode encontrar no
mercado. Os aspectos principais a ser apresentados são: as características eléctricas, formas de
carregamento e formas de conservação das mesmas.
2.2.3.1. Ácido-chumbo:
Inventada em 1859 é o primeiro tipo de baterias recarregáveis a ser inventado e ainda
nos dias de hoje desempenham um importante papel. Existem dois tipos de baterias de ácido-
chumbo, as VRLA e as SLA, em que a única diferença entre as duas é que VRLA têm uma
válvula de escape por causa dos gases acumulados pelas reacções químicas [5] [9].
Figura 5 - Exemplo de bateria de Ácido-Chumbo [5]
Esta tecnologia destaca-se por ter baterias de grande volume e de grande peso em
relação à energia que conseguem fornecer, (30 a 40 Wh/kg e 60 a 75 Wh/l), mas de grande
potência instantânea em relação ao seu peso (180 W/kg), ou seja é capaz de fornecer grandes
correntes por curtos espaços de tempo [5] [9].
Este tipo de bateria normalmente apresenta-se com 6 células em série (6S), cada célula
tem 2 V de tensão nominal mas que pode ir de 2,4 V quando carregada e 1,75 V quando
descarregada, ou seja, de tensão nominal 12 V tensão máxima 14,4 V e tensão mínima de
10,5 V. Quanto à corrente debitada esta tecnologia é capaz de debitar de 0,2 Ah a alguns
milhares de Ah dependendo da versão da bateria. Esta tecnologia tem ainda uma profundidade
de descarga na ordem dos 20% a 50%, dependendo do que o fabricante afirma.
9
Quanto ao método de carregar este tipo de baterias existem 4 formas que são: uma por
tensão constante onde é aplicada uma tensão constante à bateria até que esta se carregue
totalmente com limite de corrente para que não se danifique a bateria, outra por corrente
constante onde são aplicados vários níveis de corrente à bateria mediante a forma da corrente
no processo de carga da bateria, por uma combinação de corrente constante e tensão constante
como na Figura 6, onde basicamente se faz um estágio inicial em corrente constante e um
estágio final em tensão constante e, por fim, uma corrente pulsada onde são aplicados pulsos de
corrente durante o carregamento de amplitudes variadas e períodos variáveis.
Figura 6 - Curva de carga característica [5]
As baterias de chumbo-ácido sofrem de um fenómeno de auto descarga pois as
reacções químicas continuam a acontecer mesmo quando a bateria está em vazio, fazendo com
que a bateria perca cerca de 5% da sua capacidade por mês a uma temperatura de 25ºC.
Quanto a efeitos de memória, esta tecnologia tem no máximo uma deterioração dos eléctrodos ,
o que baixa a eficiência da própria bateria.
Os perigos deste tipo de bateria são: os gases tóxicos, a possibilidade de explosão e
ácido corrosivo. O tempo de vida destas baterias está limitado a cerca de 200 a 300 ciclos de
carga e descarga, em períodos longos de inactividade deve a bateria estar em locais secos e
frescos com cerca de 70% da carga. Quanto às aplicações mais comuns destas baterias
destacam-se aplicações que exijam picos de correntes em curtos períodos de tempo, onde o
peso e o volume não são preocupação e para aplicações de baixo custo. Estas são encontradas
em automóveis, Scooters eléctricas, bicicletas eléctricas, UPS, cadeiras de rodas, iluminação de
emergência e alarmes.
10
Em termos ecológicos, estas baterias quando correctamente encaminhadas para as
entidades certificadas praticamente não poluem, pois é reciclável a 95% nos ácidos, chumbo,
plástico e metais dos eléctrodos. Quando incorrectamente encaminhadas são extremamente
nocivas para o ambiente, pois pequenas quantidades dos ácidos e dos metais pesados poluem
grandes quantidades de solos e lençóis de água.
Figura 7 - Bateria de Ácido-Chumbo aplicado a uma cadeira de rodas [5]
2.2.3.2. Hidreto metálico de níquel [5]
Este tipo de bateria, da Figura 8, recarregável surgiu no mercado no ano de 1989 para
pequenas aplicações electrónicas como: camaras fotográficas e telemóveis. É uma evolução da
bateria de níquel hidrogénio de 1970. Para a sua invenção contribuiu em grande parte a
empresa Philips e o trabalho do Dr. Masahiko Oshitani do GS Yuasa Company [5] [10].
Figura 8 - Alguns modelos de baterias de Hidreto metálico de níquel
11
Destacam-se como baterias com altos rácios de energia por tamanho (na ordem dos
140 a 300 Wh/L) e de energia por peso (na ordem dos 60 a 120 Wh/kg). Tem uma enorme
profundidade de descarga na ordem dos 99%, o que permite que esta bateria seja ideal para
usos relativamente prolongados. Tem uma tensão nominal por célula de 1,2 V, sendo que tem
como valor mínimo 0,9 V e como valor máximo 1,5 V e uma capacidade nominal da ordem dos
250 mAh a 10000 mAh.
O fenómeno de auto descarga é um problema neste tipo baterias. É variável sendo que
nas primeiras 24 h se situa entre 5 a10% e após as 24h situa-se entre 0.5 a 1% à temperatura
ambiente, o que não permite a sua utilização e ou armazenamentos muito prolongados. O efeito
de memória neste tipo de baterias é visto como uma depleção de tensão, que normalmente
existe nas baterias de níquel e consiste na perda progressiva de tensão podendo ser facilmente
revertida com uma descarga completa seguida de uma carga completa.
Quanto ao método de carga deste tipo de baterias deve ser um método rápido pois um
método lento de carga forma uma cristalina nos eléctrodos da bateria, levando-a que esta perca
propriedades ou danificando-a. Após a sua carga completa, a bateria deve de ser desligada do
carregador pois a bateria degrada-se se continuar a receber uma carga residual para a manter
sempre a 100%, o que lhe pode provocar uma sobrecarga que não é muito bem tolerada por
esta tecnologia. Este tipo de bateria tem uma esperança média de vida na ordem dos 300 a 500
ciclos de carga e devem de ser armazenadas num local fresco a 40% da sua carga. Para longos
períodos de inactividade, antes da sua utilização, a bateria deverá ser preparada com um plano
de carga específico que os carregadores deste tipo de baterias têm.
Quanto à sua reciclagem, estas baterias são muito amigas do ambiente pois há
empresas que conseguem recuperar grande parte dos químicos para produção de novas
baterias.
12
2.2.3.3. Polímero de lítio [5]
As baterias de iões de lítio, na Figura 9, são uma tecnologia com perto de 100 anos de
existência, uma vez que os primeiros testes com este tipo de tecnologia remontam ao ano de
1912 pelo físico e químico Gilbert Newton Lewis, mas só nos anos 70 do século XX é que foi
possível obter alguns resultados satisfatórios com esta tecnologia. No ano de 1991 a Sony
começa a vender este tipo de bateria em grande escala.
Figura 9 - Exemplo de bateria de LiPo [5]
Já a bateria de polímero de lítio é uma tecnologia que aparece em 1996 como uma
evolução da tecnologia de iões de lítio. Este tipo de bateria, apesar de não ser das mais baratas
no mercado, é uma das baterias com maior aceitação pelas suas qualidades na relação
qualidade/preço, tendo uma grande profundidade de descarga e a capacidade de fornecer
grandes correntes e variados níveis de tensão, bastando para isso jogar com a disposição das
células, e a sua capacidade quase infinita de cargas e descargas.
Este tipo de baterias é muito comum em aplicações de modelismo, sendo essa uma das
maiores aplicações deste tipo de baterias, também podem ser encontradas em baterias de
computadores portáteis, telemóveis, etc e também podem ser encontradas em aplicações de
robótica, como por exemplo, os robots futebolistas da Universidade do Minho.
Uma outra vantagem muito importante destas baterias, quer em termos económicos e
quer em termos ambientais, é a sua possibilidade de grande parte dos seus compostos serem
reciclados, existindo para o efeito enumeras empresas certificadas para realizar essa tarefa.
13
O processo químico que ocorre neste tipo de bateria pode ser visto na Figura 10, e é
idêntico ao que ocorre nas baterias de iões de lítio onde uma célula contém dois eléctrodos e um
separador. No interior ao ocorrer o processo químico há troca de iões entre os eléctrodos
separados pelo separador que é condutor eléctrico, e se para se aumentar a sua condutividade
é-lhe aplicado uns electrólitos de gel. O eléctrodo é feito de um polímero não condutor, apenas
capaz de trocar iões.
Figura 10 - Processo químico numa bateria LiPo [5]
Cada célula de uma bateria de iões de lítio tem uma tensão nominal de 3,7 V, mas é
capaz de manter todas as suas qualidades entre 3 V de tensão mínima e 4,2 V de tensão
máxima, para além desses valores a célula ficará danificada reduzindo a sua esperança média
de vida. Actualmente existem baterias com capacidades nominais de entre 100 mAh e
8000 mAh, com uma profundidade de descarga de cerca de 80%, mas com o cuidado de que a
tensão nunca poderá ser inferior a 3 V e uma eficiência de carga e descarga na ordem dos 98%.
Esta tecnologia, tal como todas as outras existentes, sofre de um fenómeno de auto
descarga de cerca de 1 a 5% por mês. Tem um rácio de quantidade de energia por volume
muito grande, na ordem dos 300 Wh/l, tal como no rácio de energia pelo peso na ordem dos
200 Wh/kg.
As baterias deste tipo exigem rigorosos e extremamente controlados planos de carga,
uma vez que existem vários factores a controlar e que uma falha pode levar à destruição da
bateria ou causar danos em materiais que estejam perto. Essencialmente, existem 3 tipos de
planos de carga para este tipo de bateria, sendo eles: tensão constante, corrente constante e
misto entre corrente constante e tensão constante.
14
Tensão constante: é o método mais simples de carregar baterias, consiste
basicamente ligar a bateria a uma fonte de tensão DC à tensão da célula (ou conjunto delas).
Este método é muito usado em baterias de ácido chumbo, pois estas não requerem tanta
segurança. A ser usado este método em baterias LiPo é necessário ter um controlo especial
sobre a corrente aplicada para não ultrapassar 1C (ou 0,7C) e um controlo de temperatura da
bateria.
Corrente constante: é um método idêntico ao anterior com a diferença de aplicar de
forma constante a corrente nominal da bateria com uma fonte de tensão variável de forma que a
corrente se mantenha constante. Este método, para as baterias de LiPo, não é muito
aconselhado, uma vez que para se manter uma corrente constante na bateria talvez seja
necessário exceder os valores padrão de tensão para a bateria.
Misto: este método, presente na Figura 11, consiste em aplicar um misto de corrente
constante e de tensão constante à bateria, este método depende de quão descarregada se
encontra a bateria. Se a bateria estiver muito descarregada é aplicado um estágio inicial de
corrente constante a cerca de 1/5 C até a célula atingir um valor de tensão mínimo, após esse
estágio inicia-se um outro estágio de corrente constante mas a um valor de 1C (ou de 0,7C) em
que vai carregar a bateria até cerca de 80% da sua carga, a partir desse valor a tensão encontra-
se no seu valor máximo e inicia-se um estágio final de tensão constante (no valor de tensão
máximo) e a corrente irá naturalmente baixar até atingir um valor de 1/10C onde a bateria já se
encontra praticamente carregada, como pode ser visto na Figura 11.
Figura 11 - Plano de carga misto [5]
15
2.2.3.4. Lítio Fosfato de Ferro [5]
Desenvolvida por investigadores da universidade do Texas em 1996, as baterias
LiFePO4 aparecem no mercado apenas em 2006 e são uma evolução das baterias de iões de
lítio e de polímero de lítio. Destacam-se pelo seu custo reduzido, estabilidade e são mais
ecológicas em relação às de polímero de lítio.
Tem como tensão nominal por célula de 3,3 V ou 3,0 V em alguns modelos mais antigos
e podem oscilar entre uma tensão mínima de 2,0 V e máxima de 3,6 V com possibilidade de ir
aos 4,0 V sem danificar a célula. Esta tecnologia pode atingir uns impressionantes 20000 mAh
de capacidade nominal, sendo muito superior às outras tecnologias derivadas do lítio. Tem um
fenómeno de auto descarga na ordem do 1% ao mês, sendo este um valor bem reduzido que
possibilita armazenamentos por longos períodos. Destacam-se ainda por dispor de uma enorme
profundidade de descarga de praticamente 100% a 2,0 V, sendo que não tem qualquer efeito de
memória associado à sua utilização, como se pode ver na Figura 12.
Figura 12 - Curva de descarga [5]
As baterias LiFePO4 apresentam grandes rácios de energia por peso e energia por
volume na ordem dos 155 Wh/kg e 220 Wh/l respectivamente.
Quanto à forma de carregamento, este deve de respeitar o plano que se pode ver na
Figura 13, que dependendo do estado de carga da bateria o carregador deve de ajustar a forma
de carregamento. Este plano é idêntico ao descrito para as baterias de polímero de lítio no plano
misto entre corrente constante e tensão constante.
16
Figura 13 - Plano de carga [5]
Essencialmente este plano divide-se em três fases fundamentais que são: a pré carga, a
carga rápida corrente constante e a carga tensão constante.
O primeiro estágio é utilizado quando a bateria se encontra com uma tensão inferior a
0,7 V (muito descarregada) e serve como forma de teste à bateria para saber se se encontra
danificada ou não, como é muito sensível o carregamento com a batera neste estado é utilizada
uma forma de carregamento em corrente constante mas a um valor de cerca de 1/5 C, por
forma a elevar gradualmente a tensão da célula. Após a tensão atingir 0,7 V o carregador deve
de implementar um carregamento em corrente constante com um valor alto, até 10C, por forma
a carregar a célula. Quando esta atingir a tensão de 3,6 V a bateria estará quase carregada
passando então para o estagio final em que o carregador tem de garantir a tensão de 3,6 V na
célula e a corrente naturalmente irá diminuir até atingir um valor residual, que se situa por volta
de 1/10 C, nessa altura a bateria estará praticamente carregada finalizando-se o processo.
Quanto ao tempo de vida deste tipo de baterias está estimado em mais de 2000 ciclos
de carga e descarga com uma eficiência de 98%. Devido aos compostos de fosfatos presentes na
química da bateria não há risco de explosões da mesma por mau uso ou sobrecargas, pois
permite que não haja produção de gases inflamáveis como o hidrogénio. Por fim quando se
pretende armazenar estas baterias por longos períodos de tempo deverão estar com o máximo
de tensão possível, para que não haja degradação dos elementos químicos presentes no seu
interior.
17
2.3. Carregadores de baterias Neste tópico pretende-se apresentar o levantamento das principais características de
alguns tipos de carregadores de baterias existentes no mercado.
2.3.1. Hyperion EOS 1420i net3 [11] A Hyperion é uma empresa que se dedica ao desenvolvimento e venda de equipamentos
para veículos de modelismo como: rodas, motores, servos, baterias e carregadores, etc.
O EOS 1420i net3, presente Figura 14, é um carregador inteligente de baterias da
empresa Hyperion. Este carregador tem capacidade de carregar baterias dos tipos LiPO (1 a
14S), LiFePO4 (1 a 14S) e NiMH (1 a 14S) mas só dispõe de uma saída, ou seja, só carrega
uma bateria de cada vez. É necessário introduzir o tipo de bateria e as características da
mesma, antes de iniciar o carregamento requerendo uma atenção especial do utilizador para
não se enganar na introdução dos parâmetros.
Figura 14 - Carregador Hyperion EOS1420i net3 [11]
Este carregador tem duas formas fundamentais de funcionamento, o charge mode e o
discharge mode, ou seja, este carregador tem a capacidade de carregar e descarregar baterias
de forma inteligente e completamente controlada. Dispõe ainda da capacidade de carregamento
rápido de baterias até a uma cadência de 4C numa bateria de 6S a 5000 mAh (exemplo).
18
A alimentação deste carregador é DC de 11 V a 28 V (ou AC 230 V), tem uma corrente
máxima de saída na ordem dos 20 A a 550 W de potência (com 28 V) em charge mode e 10 A a
80 W em discharge mode. Possui 2 balanceadores em série de até 7S de 12bits de resolução
cada. Dispõe ainda de um sistema de registo total de todo o processo de carregamento da
bateria em memória interna, sendo possível depois transferir esses dados via USB para um
computador que permite fazer uma análise detalhada de todo o processo.
Possui um display LCD onde é apresentada a informação em tempo real do processo de
carregamento como a corrente em mAh, voltagem aplicada à bateria, temperatura (se tiver o
sensor de temperatura, que é vendido à parte) e estado do processo. Junto ao display tem uma
série de teclas para se navegar nos menus de configuração do processo de carregamento onde
se parametriza o tipo de bateria, corrente nominal da mesma, distribuição das células e modos
de carregamento.
Este dipositivo é capaz de se conectar em série com outro dispositivo idêntico que
permite duplicar a capacidade do carregador inteligente (1100 W, 20 A em charge mode e
160W, 10 A discharge mode).
2.3.2. Hyperion EOS 0606i AD [12] [13] O EOS 0606i AD, presente na Figura 15, é um carregador inteligente de baterias da
Hyperion. Este é o carregador que actualmente é usado no LAR (Laboratório de Automação e
Robótica) para o carregamento das baterias LiPO 3S de 5000 mAh dos robôs futebolistas.
Figura 15 - Carregador Hyperion EOS0606i AD [12]
19
Com este carregador é possível carregar ou descarregar baterias LiPO (1S a 6S),
LiFePO4/A123 (1S a 6S), NiCd e NiMH (1S a 14S) e ácido-chumbo (1S a 6S). Este carregador
só dispõe de uma entrada e de um balanceador, pelo que apenas é possível
carregar/descarregar uma bateria de cada vez. Como a saída é a mesma, requer que o
utilizador tenha atenção especial em introduzir correctamente os parâmetros da bateria para que
não ocorra algo que a danifique.
Para a alimentação deste carregador é necessário uma fonte AC de 110 V/230 V
60 Hz/50 Hz ou então uma fonte DC de 11 V a 15 V, sendo que debita no máximo 6 A, 50 W.
Dispõe de um adaptador JST-XH 2S-6S para conectar a bateria ao balanceador LBA10. Tem
ainda um modo cycling para as baterias NiCd e NiMH, para aumentar a longevidade deste tipo
de baterias, promovendo ciclos de descargas e cargas completas.
Possui um display LCD onde é apresentada a informação em tempo real do processo de
carregamento como a corrente em mAh, voltagem aplicada à bateria, temperatura (se tiver o
sensor, que é vendido à parte) e estado do processo. Junto ao display tem uma série de teclas
para se navegar nos menus de configuração do processo de carregamento, onde se parametriza
o tipo de bateria, corrente nominal da mesma, distribuição das células e modos de
carregamento. Toda esta informação fica guardada numa memória interna que pode ser
descarregada via USB para um computador para posterior análise.
Por fim, segundo o fabricante, este carregador não tem tanta eficiência quando está a
carregar baterias LiPO de 4S a 6S, por causa de estar limitado a 50 W de potência de saída.
2.3.3. Hitec X4 Multi-Charger [14] [15] A Hitec é uma empresa que se dedica ao desenvolvimento e venda de equipamentos
para veículos de modelismo como: rodas, motores, servos, baterias e carregadores, comandos
RF, etc.
O X4 Multi-Charger, presente na Figura 16, é um carregador inteligente de baterias da
Hitec. Este carregador é capaz de carregar até 4 baterias em simultâneo de 1S a 6S dos tipos Li-
On, LiPO, LiFePO4/A123, de 1S a 10S do tipo ácido-chumbo e de 1S a 15S do tipo NiCd e
NiMH. Cada bateria conectada tem um balanceador individual para um melhor controlo da carga
da própria bateria aumentando assim a sua longevidade.
20
Figura 16 - Carregador Hitec X4 [15]
Este carregador necessita de uma alimentação de 11 a 15 V DC e debita no máximo
20 A, é de 50 W em cada saída pelo que no total é um carregador de 200 W em máxima carga.
Tem um sistema de arrefecimento a ar com ventoinhas de velocidade controlada, um
sistema próprio de gestão do carregamento de baterias, não faz descargas nem ciclos de
descarga e carga, tem a capacidade de usar conectores JST-XH e é um modelo compacto para
as suas capacidades.
2.3.4. Revolectrix CellPro PowerLab 8 V2 [16] [17] [18] A Revolectrix é uma empresa que se dedica ao desenvolvimento e venda de produtos
como: carregadores de baterias, fontes de alimentação, acessórios de modelismo, motores DC,
estabilizadores de voo, etc.
O CellPro PowerLab 8 V2, presente na Figura 17, é um carregador inteligente de
baterias da Revolectrix. Este carregador é capaz de carregar apenas uma bateria de cada vez (se
bem que tem a capacidade de carregar 2 baterias do mesmo tipo, até 6S cada bateria utilizando
o adaptador TP/PQ 6S em paralelo, mas apenas em carregamento lento), de 1S a 8S de
baterias LiPO, Li-On, LiFePO4/A123 e Li-MnO2, 1S a 21S de baterias do tipo NiMH e NiCd e
baterias de ácido chumbo até 24 V.
21
Figura 17 - Carregador Revolectrix CellPro PowerLab 8 V2 [17]
Para alimentação este carregador necessita de 12 V a 24 V DC (516 W a 1000 W) e tem
a capacidade de debitar 10 mA a 30 A (charge mode) e 10 mA a 10 A (discharge mode).
Possui a capacidade de registar todos os dados em tempo real e de os guardar em
memória, depois é capaz de os transferir via USB para um computador com software próprio,
que também permite configurar o próprio carregador.
2.3.5. Robbe RB8541 [19] A Robbe é uma empresa alemã fundada em 1924 que actualmente se dedica a produzir
modelos de carros, aviões, helicópteros, etc, componentes para veículos e carregadores para as
baterias.
O RB8541, presente na Figura 18, é um carregador inteligente de baterias da Robbe.
Este carregador é capaz de carregar/descarregar 3 baterias de forma independente. Os tipos de
baterias aceites por este carregador são: de 1S a 6S de Li-On, LiPO e LiFePO4 (máx. 9,9Ah), 1S
a 14S de NiCd e NiMH (máx. 9,9 Ah) e 1S a 6S de ácido-chumbo (máx. 20 Ah).
Figura 18 - Carregador Robbe RB8541 [19]
22
Para alimentação do carregador é necessário 12 V DC ou 230 V AC 50 Hz, e é capaz de
debitar entre 0.1 e 5 A por cada módulo.
Dispõe de balanceadores individuais para cada módulo do carregador, um LCD para
monitorizar todo o processo, capacidade de guardar a informação dos últimos 10 carregamentos
e de os enviar por USB para um computador, conectores JST-XH, resolução até 3 casas
decimais e um sistema de protecção para incorrectas configurações que permite parar o sistema
se o carregador identificar uma tecnologia de bateria diferente da parametrizada.
2.3.6. Robbe RB8553 [19] O RB8553, presente na Figura 19, é um carregador inteligente de baterias da Robbe.
Este carregador é capaz de carregar ou descarregar apenas 1 bateria (2 se for em paralelo, o
que obriga que as baterias sejam iguais). Aceita baterias de 1S a 8S de LiPO, Li-On e LiFePO4,
1S a 24S de NiCd e NiMH e 1S a 12S de ácido-chumbo.
Figura 19 - Carregador Robbe RB8553 [19]
Para alimentação do carregador é necessário 10 a 15 V DC ou 230 V AC 50 Hz e é
capaz de debitar de 0.1 a 6.5 A, 110 W.
Dispõe de balanceadores com equalizadores integrais para diminuir o tempo de carga
das baterias Li+, conectores JST-XH, LCD e Keypad intuitivo, fan de velocidade controlada,
capacidade de armazenar dados e enviar por USB para um computador, BID system (tecnologia
da Robbe para parametrizar os processos por computador) e pesa apenas 750 g.
23
2.3.7. Tabela comparativa e análise dos dados Resumidamente as informações mais relevantes sobre os carregadores analisados
podem ser encontradas na Tabela 1. Nesta tabela podem ser consultadas as tecnologias que
cada carregador suporta, quantas células podem ser carregadas, correntes máximas, número de
baterias que podem ser carregadas em simultâneo e se tem opção de descarga de baterias.
Tabela 1 - Tabela comparativa dos carregadores analisados
Dispositivo 1 2 3 4 5 6
Li-on/nS X 1S a 6S 1S a 6S 1S a 8S 1S a 6S 1S a 24S
LiPO/nS 1S a 14S 1S a 6S 1S a 6S 1S a 8S 1S a 6S 1S a 8S
LiFePO4/nS 1S a 14S 1S a 6S 1S a 6S 1S a 8S 1S a 6S 1S a 24S
NiCd/nS X 1S a 14S 1S a 15S 1S a 21S 1S a 14S 1S a 12S
NiMH/nS 1S a 14S 1S a 14S 1S a 15S 1S a 21S 1S a 14S 1S a 12S
Pb/nS X 1S a 6S 1s a 10S 1S a 6S 1S a 6S 1S a 12S
Vin 230VAC/28VD
C 230VAC/15VD
C 230VAC/15VD
C 230VAC/24VD
C 230VAC/12VD
C 230VAC/15VD
C
Iout máx. 20A 6A 20A 30A 3x5A 6.5A
W máx. 550W 50W 200W 360W 240W 110W
USB X Sim X Sim Sim Sim
saídas 1 1 4 2 3 1
discharge Sim Sim Sim Sim (max 10A) Sim Sim
balanceadores
Sim Sim Sim Sim Sim Sim
Preço 143€ 90€ 90€ 211€ 233€ 142€
Legenda: (1) EOS 1420i net3, (2) EOS 0606i AD, (3) X4 Multi-Charger, (4) CellPro PowerLab 8 V2, (5) RB8541, (6)
RB8553. Preços a 25 de novembro de 2011.
Com a análise destes dados é possível chegar a conclusões sobre a viabilidade ou não
destes carregadores para a finalidade pretendida de gestão da carga das baterias de um robô
futebolista. Como aspectos positivos é possível afirmar que todos os carregadores analisados
têm capacidade de carregar as principais tecnologias usadas (LiPo e LiFePO4) neste tipo de
aplicações e todos têm a possibilidade usar a rede eléctrica como fonte de energia. Como
aspectos negativos está sem dúvida o custo associado a cada carregador e o problema das
comunicações do carregador para o computador. Como foi dito na introdução é indispensável
que o carregador seja capaz de informar o computador central do estado actual da carga das
baterias do robô, já os carregadores analisados guardam as informações do carregamento das
baterias e posteriormente enviam um ficheiro com as informações via USB. Já o protótipo a
apresentar permitirá uma gestão da carga actual das baterias pois informará sempre que
pedido, o estado das mesmas ao computador central do robô e quando conectado à rede
eléctrica procede ao carregamento das baterias.
24
25
3. Fundamentos teóricos Neste capítulo 3 estão presentes os fundamentos teóricos que servem de base a este
projecto. Essencialmente divide-se em duas partes uma de conversores de tensão e outra de
sistemas de controlo.
3.1. Conversores de tensão Neste tópico está um levantamento teórico das principais topologias de conversores de
tensão, quer em AC quer em DC.
3.1.1. Introdução Entende-se por conversor de tensão como um dispositivo de electrónica de potência que
adequa as características de uma fonte de energia para as características de alimentação da
carga desejada. Características essas que podem ser ao nível de corrente alternada, corrente
continua, frequência e amplitude da tensão. Um diagrama simples pode ser visto na Figura 20.
Figura 20 - Modelo básico de um conversor de tensão
Estes dispositivos, pelas suas funções, tornam-se um elemento fundamental em
qualquer dispositivo electrónico, pois possibilita que com uma fonte de tensão seja possível
fornecer energia a vários dispositivos constituintes de uma aplicação electrónica que contenha
elementos que requerem diferentes níveis e formas de tensão. Simplificando o que
anteriormente foi dito, dá-se o exemplo de um computador portátil que dispõe de uma bateria
que fornece uma certa tensão constante e que na motherboard onde existem dispositivos que
necessitam de 5 V DC, 3.3 V, -3.3 V, 12 V DC e -12 V DC [20].
26
Estes conversores estão divididos em 4 tipos: AC para AC, DC para DC, AC para DC
(rectificador) e DC para AC (inversor). Todos os conversores podem ser designados, como pode
ser visto em algumas literaturas da especialidade [21], como power processor. Um power
processor pode ser constituído por um ou mais conversores, mediante as características que são
necessárias alterar, por exemplo, um conversor electrónico de velocidade de um motor AC é
constituído essencialmente por 2 conversores, como está demonstrado na Figura 21, em que
com a tensão de entrada de 400 VRMS AC 50 Hz da rede só é possível atingir 3000 rpm num
motor trifásico AC com 2 polos, respeitando a equação (1). Posto isto para se alterar a
velocidade do motor sem alterar as suas características físicas só com a alteração do valor da
frequência da tensão aplicada ao motor, para isso é necessário aplicar um rectificador para
converter a tensão AC em DC e um inversor para converter de DC para AC à frequência
desejada [22].
(1)
Figura 21 - Modelo básico de um variador electrónico de velocidade
Neste capítulo serão abordados todos os aspectos inerentes aos conversores de tensão,
aspectos esses que tem a ver com as principais topologias existentes, formas de cálculo,
dimensionamento e sua parametrização.
27
3.1.2. Conversores AC/AC De acordo com alguma literatura encontrada, os conversores AC/AC englobam também
os power processor do tipo AC/DC e DC/AC (por exemplo variador de frequência). Parecendo
contraditório com a definição apresentada, será apresentado como sendo um power processor
de apenas um conversor.
Este tipo de conversor apenas permite alterar a amplitude de uma tensão AC utilizando
para o efeito um transformador, como na Figura 22. Um transformador é um dispositivo
constituído basicamente por duas bobinas, chamadas de enrolamentos primário e secundário, e
por um núcleo de um certo material normalmente ferro, como pode ser visto na Figura 23. Este
dispositivo é então capaz de alterar a amplitude de uma tensão com base na relação entre o
número de espiras do enrolamento do primário com o número de espiras do enrolamento do
secundário, como pode ser visto na equação (2).
Figura 22 - Esquema básico de um transformador
Figura 23 - Núcleo de um transformador
(2)
Tem como princípio de funcionamento de um transformador respeita as leis do
electromagnetismo de Faraday e de Lenz [21] [23]. Estas leis do magnetismo, que normalmente
são expressas juntas pois são complementares, pretendem traduzir matematicamente que a
força electromotriz induzida num circuito eléctrico é proporcional à variação do fluxo magnético
nele existente, ou seja, é possível gerar energia eléctrica num circuito eléctrico movendo um
íman na periferia de uma espira de fio condutor pois a variação do campo magnético do íman
(em movimento) sobre a espira (fixa) gera uma corrente induzida no circuito. De notar que é
neste principio das variações de campos magnéticos que se baseia o funcionamento dos
alternadores (essenciais para a produção de energia eléctrica) e dos transformadores.
28
3.1.3. Conversores DC/DC [21] Os conversores DC/DC são possivelmente a família de conversores mais usada em toda
a electrónica, pois são encontrados na maioria das aplicações desde as mais simples como um
divisor de tensão resistivo [24] às mais complexas como uma fonte comutada isolada [25]. Este
tipo de conversores têm como principais objectivos modificar a amplitude de uma tensão DC e
de estabilizar uma tensão DC. Estes conversores assumem grande preponderância em
aplicações complexas, como por exemplo as motherboards em que é necessário interligar vários
dispositivos diferentes à mesma plataforma. Nessa situação é necessário fornecer tensão
adequada os dispositivos o que por vezes implica outros níveis de tensão e uma “qualidade” de
tensão livre de oscilações (ripple) que poderão danificar os dispositivos ou provocar
comportamentos indesejados.
Em relação às características dos conversores DC/DC é possível dividi-los em dois
grandes grupos, que são: os lineares e os não lineares (ou comutados). Estes grupos têm como
características lineares: apenas poderem converter para uma amplitude inferior à amplitude da
entrada, simplicidade de projecto, serem muito ineficientes quando a taxa de conversão é alta
e/ou a corrente que olhes é exigida for alta pois dissipam imenso, conseguem responder a
pequenas (temporais e em valor) quebras de tensão por parte da entrada (apenas para os IC’s
da família 78xx [26]) ou então são proporcionais à tensão de entrada (conversores do tipo divisor
de tensão resistivo), muito eficazes a diminuir/eliminar o ripple (apenas alguns modelos),
apenas para aplicações que exijam um nível de tensão fixo à saída e baratos, pequenos e leves
(comparativamente com os não lineares).
Já as características dos conversores não lineares são: modificar a amplitude de tensão
para outra qualquer recorrendo para isso ao armazenamento da energia que recebe,
complexidade de projecto, extremamente eficiente (até 98%) [21], necessita de um ou mais
elementos comutadores (MOSFet, IGBT, …), controláveis e parametrizáveis, podem introduzir
ruídos de alta frequência no sistema, capazes de responder a alterações bruscas da entrada e
são mais caros (comparativamente com os lineares).
29
3.1.3.1. Topologias dos conversores DC/DC lineares
Relativamente aos conversores DC/DC lineares não existem topologias relativamente
bem definidas pois podem estar “dissimulados” no resto da electrónica, por isso serão
abordados os casos mais flagrantes deste tipo de conversores.
Divisor resistivo: Apesar de à primeira vista não ser associado a um conversor de
tensão um divisor de tensão resistivo, visto na Figura 24, é na realidade uma das formas mais
simples de se obter uma tensão (sempre inferior à de entrada) proporcional à tensão de entrada.
Este tipo de conversor pode ser encontrado em aplicações de ADCs de um microcontrolador pois
um ADC tem uma tensão máxima admissível para a leitura (tipicamente de 5 V) e se é
necessário obter valores de tensão superiores. É possível com este conversor “traduzir” esses
valores altos em valores admissíveis ao ADC e com variações proporcionais.
Figura 24 - divisor de tensão resistivo
Este tipo de conversor talvez seja inadequado para outro tipo de funções para além
daquela anteriormente apresentada pois a sua fiabilidade é muito baixa, não sendo capaz de
garantir uma tensão de saída estabilizada (que na aplicação sugerida não tem essa finalidade) e
é muito ineficiente uma vez que é constituído por resistências que segundo a lei de Joule da
equação (3) tem uma dissipação de energia proporcional ao quadrado da corrente que percorre
a resistência do conversor.
(3)
Referências de tensão: Uma outra forma de conversor de tensão DC/DC linear são
sem dúvida as referências de tensão que mediante certas condições são capazes de garantir
uma tensão fixa e estabilizada com um ripple muito baixo. Existem vários tipos de referências de
tensão desde díodos a circuitos integrados, mediante as características desejadas.
30
De entre outras utilizações os díodos zener são uma forma económica de se fazer uma
referência de tensão como se pode ver no esquema da Figura 25.
Figura 25 - Referência de tensão com zener [27]
De forma a exemplificar, o díodo zener em questão é de 5,1 V/1 W, ou seja, quando
está em condução inversa é capaz de garantir uma queda de tensão por volta de 5,1 V, outro
aspecto importante é a potência que o zener é capaz de dissipar, no caso de 1 W indica que a
corrente máxima que suporta é de aproximadamente 200 mA, como se pode ver na equação
(4). Esta corrente terá de ser limitada pela resistência R, calculada através da lei de Ohm. [28]
(4)
Uma outra forma não tão económica mas fiável e segura é usar circuitos integrados que
desempenham o papel de conversores DC/DC lineares. Esse tipo de circuitos integrados são
capazes de fornecer uma tensão estabilizada fixa a uma corrente máxima de 1 a 1,5 A
(tipicamente). Um bom exemplo deste tipo de circuitos é a família LM78XX (onde o XX
representa a tensão de referência, por exemplo LM7805 é uma referência a 5V). Como pode ser
visto na Figura 26, este tipo de conversores tem uma grande simplicidade de projecto sendo na
maior parte dos casos apenas necessário acrescentar dois condensadores [26].
Figura 26 - Esquema de ligações de um LM78XX
31
3.1.3.2. Topologias dos conversores DC/DC não lineares
Quanto aos conversores não lineares existem, ao contrário dos conversores lineares,
várias topologias definidas dependendo das características a controlar, topologias essas que têm
disposição esquemática e regras ou limitações muito bem definidas, em contraste com os
conversores lineares em que se pode recorrer a uma certa adaptação mediante as
necessidades.
Este tipo de conversores exigem um circuito auxiliar para controlo de todo o conversor,
sendo possivelmente esse circuito o elemento mais importante a par do elemento comutador
directamente ligado ao controlador deste tipo de conversores.
Basicamente pode-se dividir este tipo de conversores em dois tipos distintos: os isolados
e os não isolados. Entende-se por conversor isolado todo aquele conversor que utiliza um
elemento que é capaz de isolar electricamente a entrada da saída (normalmente um
transformador de alta frequência, como pode ser visto na Figura 27). Esse isolamento eléctrico
feito a partir de um transformador é capaz de fornecer características “especiais” mais à frente
explicadas.
Figura 27 - Transformador de alta frequência usado em fontes comutadas
Nestes conversores os mais comuns são forward, flyback, push-pull, half-bridge e full-
bridge.
Já os conversores não isolados (mais comuns que os isolados) não dispõem desse
isolamento eléctrico, pelo que têm um design mais simples relativamente aos isolados pois
basicamente podem ser constituídos por um elemento comutador (MOSFet, IGBT, BJT,…), um
díodo (de preferência rápido ou muito rápido), uma bobina e um condensador [29].
32
As topologias mais comuns encontradas neste tipo de conversores são conversor Buck
(Step-Down), conversor Boost (Step-Up), conversor Buck-Boost (Step-Up-Down), conversor Cuk,
conversor Full-bridge e tapped inductor buck.
Destes cinco conversores os dois primeiros são topologias muito básicas, já o terceiro e
quarto obtidos pela junção dos dois primeiros e por fim o quinto é derivado do conversor buck
[21] Quanto ao sexto é uma forma evoluída do primeiro que permite uma grande amplitude de
conversão [30] [29].
Em todos estes conversores a taxa de conversão da tensão de entrada é sempre definida
pela forma como é comutado o MOSFet (ou IGBT, FET,…) sendo este tipo de conversores
chamados de fontes comutadas. Segundo as especificações da tensão de entrada é necessário
baixar a tensão DC de 325 V para uma tensão por volta dos 25 V, pelo que a análise dos
conversores Buck, Forward e tapped inductor buck é que tem razão de ser.
Conversor Buck, Step-Down: Este conversor de tensão, que pode ser visto na
Figura 28, produz sempre uma tensão inferior à tensão de entrada sendo que tem como
principais aplicações como regulador de tensão para aplicações que normalmente exijam
correntes mais elevadas em comparação com as aplicações dos conversores de tensão lineares,
tais como fontes de alimentação e em reguladores de velocidade de motores DC [21] [31].
Figura 28 - Esquema básico do conversor Buck
Estes conversores podem ser encontrados à venda em circuitos integrados que são
capazes de garantir uma tensão de saída estabilizada, por vezes parametrizável por uma
resistência adicionada ao circuito mediante uma gama de tensões de entrada. Normalmente são
em malha fechada e por vezes podem controlar também um limite de corrente, exemplo disso
pode ser visto no datasheet do componente PTN78060W com o circuito de exemplo na Figura
29 [32] [33].
33
Figura 29 - Esquema de ligações do PTN78060W [33]
O Conversor Buck apresenta uma topologia muito básica que consiste em um elemento
comutador (MOSFet, IGBT, BJT,…), um díodo (de preferência rápido ou muito rápido [34]), um
condensador e uma bobina, com a disposição apresentada na Figura 28.
Como dito anteriormente no caso do conversor buck, a amplitude da tensão de saída
(sempre mais baixa que a amplitude de entrada) é definida pelo duty-cycle aplicado ao elemento
comutador, pelo que é possível obter dois estados possíveis no circuito um com o elemento
comutador a ON e outro com o elemento comutador a OFF, esses dois estados podem ser vistos
na Figura 30 e Figura 31, sendo este o ponto de partida para uma correcta análise deste
conversor onde é possível obter os valores dos componentes para o conversor.
Figura 30 - Buck ON [21]
Figura 31 - Buck OFF [21]
A análise deste tipo de circuitos é sempre feita recorrendo a dois modelos: o modelo de
condução contínua e o modelo de condução descontínua. Existe ainda um terceiro que é o limiar
entre os dois primeiros. Diz-se que um conversor buck está em condução contínua se a corrente
que passa na bobine nunca seja igual a zero durante um ciclo de comutação, como pode ser
visto na Figura 32. Já o modo descontínuo ocorre quando a corrente que atravessa a bobine seja
igual a zero num certo momento de um ciclo de comutação, como pode ser visto na Figura 33.
[35]Por fim o terceiro estado ocorre quando a corrente que atravessa bobina atinge o valor zero
no fim do ciclo de comutação quando t=Ts, onde t é o instante em que a corrente chega a zero.
34
Figura 32 - Condução contínua [21]
Figura 33 - Condução descontínua [21]
Modelo de condução contínua:
Assim sendo, a partir da Figura 30 e Figura 31 anteriormente apresentadas, é possível
obter as seguintes relações:
Estado ON: (5)
Estado OFF: (6)
Sabendo que o período de uma comutação é definido por:
(7)
Sabendo que o duty-cycle D é definido por:
(8)
Então é possível afirmar que:
(9)
Reescrevendo fica:
( ) ( ) (10)
E por fim obtém-se:
(11)
35
Com esta equação (11) é possível então encontrar o duty-cycle a aplicar mediante os
valores de entrada presente e de saída desejada.
Limiar entre condução contínua e descontínua:
A Figura 34 mostra o limiar entre a condução contínua e descontínua onde é possível
observar que a corrente que atravessa a bobina se anula a quando do início de um novo ciclo de
período Ts.
Figura 34 - Limiar entre a condução contínua e descontínua [21]
Assim é possível obter a equação (12), que irá permitir o cálculo dos valores de L e C.
( ) (12)
Figura 35 - Evolução dos valores de ILB [21]
Já na Figura 35 observa-se os vários valores que ILB toma por cada valor de duty-cycle,
com V0 constante, permite obter então a equação (13):
(13)
36
Modelo de condução descontínua:
A Figura 33 mostra o modelo de condução descontínua de um conversor buck, onde é
possível observar que a corrente se anula antes de um novo ciclo se iniciar.
Através da observação da Figura 33 é possível definir as equações (14), (15) e (16).
(14)
(15)
(16)
A tensão na bobina é definida pela equação (17).
( ) (17)
A razão entre a entrada e a saída é definida pelas equações (18) e (19).
(18)
(19)
Sabendo a equação (20).
(20)
Obtém-se a equação (21).
(21)
Substituindo a equação (20) na equação (21), obtém-se a equação (22).
(
) √
(22)
37
Na Figura 36 é possível observar o ripple da tensão de saída onde é possível definir a
equação (23).
Figura 36 - Ripple [21]
(23)
Sabendo a equação (24).
( )
(24)
Obtém-se a equação (25) que dita o ripple do sistema.
( )
(25)
No final é possível ajustar, pelas equações (26) e (27), os valores do condensador e da
bobina por forma a obter um ripple desejado para o comportamento do conversor.
( )
(26)
( )
(27)
38
Conversor Forward: Este conversor é derivado do buck e surge pela necessidade
da existência de um isolamento eléctrico entre a entrada e a saída do conversor.
Tem a particularidade de ser usado sempre em modo contínuo pois os picos de corrente
no primário e secundário são menores. [35]
Figura 37 - Conversor Forward
A topologia básica está presente na Figura 37, onde se vê que este conversor é
constituído por um transformador (tipicamente de alta frequência), um condensador, um
elemento comutador, e dois díodos.
A relação entre a entrada e a saída é dada pela equação (28).
(28)
Conversor Tapped inductor buck: Este tipo de conversor é relativamente
recente, encontrando-se alguns artigos sobre ele [30] [36] [37], e que permite acrescentar
algumas vantagens em relação ao conversor buck.
Em termos de topologia o conversor tapped inductor buck pode ser visto na Figura 38,
onde a principal diferença para o conversor buck está na substituição da bobina por um
transformador. A introdução deste transformador não confere isolamento, pois existe uma
ligação entre o primário e o secundário do mesmo.
39
Figura 38 - Topologia básica do Tapped Inductor Buck [30]
Esta nova topologia permite resolver um problema presente nos conversores buck que
em altas frequências e com altas taxas de conversão o duty-cycle aplicado poderá ser tão curto
que não permite ao elemento comutador entrar em condução durante o tempo pretendido. Esse
problema é contornado pois a relação entre as espiras do primário e do secundário influenciam
o cálculo do duty-cycle a aplicar, como pode ser visto nas equações (29) e (30).
(29)
(30)
3.1.4. Conversores AC/DC Os conversores AC/DC são usados com a finalidade de rectificar uma tensão alternada e
com isto obter uma tensão contínua. Muitos dos dispositivos electrónicos necessitam de ter
rectificadores (seguidos de conversores DC/DC) por forma a obterem as suas tensões de
funcionamento.
Este tipo de conversores costumam ser relativamente simples de se implementar
dependendo das características desejadas. A forma mais simples encontra-se na Figura 39,
onde com um simples díodo é possível rectificar uma tensão alternada, a carga R é alimentada
então pela forma de onda da Figura 40.
Figura 39 - Rectificador de meia onda
Figura 40 - Forma de onda do rectificador de meia onda
40
Esta rectificação é designada por rectificação de meia onda, uma vez que uma tensão
alternada sinusoidal tem dois semiciclos: um positivo e um negativo. Quando é necessário
rectificar os dois semiciclos é usado o rectificador de onda completa, presente na Figura 41, por
forma a obter a forma de onda da Figura 42, com esta topologia é possível então fornecer o
dobro da potência em relação ao rectificador de meia onda.
Figura 41 - Rectificador
Figura 42 - Forma de onda de saída do rectificador
Por forma a obter uma forma de onda mais regular este tipo de conversores dispõem de
um filtro capacitivo em paralelo com a saída (Figura 43), por forma a obter-se a forma de onda
presente na Figura 44.
Figura 43 - Rectificador com filtro capacitivo
Figura 44 - Forma de onda do rectificador com filtro capacitivo
41
3.2. Sistemas de controlo Em geral um bom conversor electrónico deve de possuir um sistema controlo capaz de
garantir um correcto funcionamento do conversor, por exemplo, é necessário enviar ao conversor
um conjunto de pulsos eléctricos para que se obtenha determinada característica à saída ou
então é necessário indicar ao conversor em que estado se encontra a saída e/ou a entrada para
que ele se adapte.
Figura 45 - Digrama de blocos de um sistema de controlo
Essencialmente e de uma forma simplificada, o sistema de controlo respeita o princípio
presente no diagrama de blocos da Figura 45. Observa-se que o conversor recebe, para além da
tensão de entrada, um sinal que indica como está a saída fechando assim a malha do circuito.
Esta é a melhor e mais segura forma de controlo, que compara a saída com a referência
desejada.
Outra forma será conhecer muito bem as características do conversor e adaptar um
sinal de controlo com base numa previsão da evolução do consumo (ou comportamento) da
carga, desta forma dita de malha aberta geralmente apresenta erros que podem não ter o
comportamento desejado ou provocar reacções imprevistas ou mesmo danificar os
componentes, pelo que não é muito indicada para o tipo de aplicação necessária.
Quanto às formas de aplicar o controlo pode-se dividir em dois métodos: um analógico e
outro digital. Estas duas formas de aplicação diferenciam-se na forma como processam a
informação dos sensores. Enquanto na forma analógica a informação obtida pelos sensores é
processada utilizando circuitos integrados analógicos, como por exemplo comparadores. Já o
método digital normalmente utiliza ADCs para transformar a informação analógica dos sensores
para informação digital processando e actuando sobre o conversor.
42
As principais características podem ser consultadas na Tabela 2.
Tabela 2 - Tabela comparativa entre controlo analógico e digital
Analógico Digital
Design complexo Facilmente parametrizável
Resposta quase em tempo real Capaz de desempenhar múltiplas tarefas
Mais sensível a ruídos electromagnéticos Simplificado na utilização de muitos sensores
Limitado ao hardware existente Limitado à velocidade de processamento
Na Figura 46 pode ser visto um exemplo de uma aplicação com um sistema de controlo
baseado em sistemas analógicos [38].
Figura 46 - exemplo de um sistema de controlo analógico [38]
3.2.1. Formas de controlo Existem várias teorias de controlo que são possíveis de aplicar em conversores
electrónicos, umas mais complexas outras mais simples mas tendem todas para o mesmo
objectivo. Segundo vários artigos consultados [39] [40] [41] [42] [43] [44] existe uma
predominância de sistemas de controlo baseados em PID, pelo que será tratado neste
documento juntamente com a forma mais básica de controlo o ON OFF.
As formas de controlo abordadas serão sempre em sistemas de malha fechada, pois
para conversores electrónicos com cargas que variam as suas características ao longo do tempo
é necessário sempre conhecer o estado da saída do controlador, por forma a adaptar às
exigências da carga.
43
3.2.1.1. Controlo on/off:
É considerada a forma de controlo mais simples conhecida. Consiste muito basicamente
em controlar o actuador em dois estados possíveis: ligado ou desligado, por forma a obter um
valor de saída, valor esse que é medido e comparado com um valor de referência, ou seja, um
controlo por feedback. [45] Este tipo de controlo pode ser utilizado recorrendo a sistemas
analógicos ou a sistemas digitais de uma forma relativamente simples. É um tipo de controlo
que não tem uma função transferência pois é não linear, e baseia-se na comutação de uma
variável de controlo [46].
Como exemplo tem-se um motor DC e um conversor DC/DC que alimenta o dito motor,
o motor dispõe de um encoder óptico que irá disponibilizar um valor analógico de tensão
proporcional à velocidade do motor que por sua vez é transformado num valor digital de 8 bits,
por exemplo, pelo ADC de um micro controlador. O valor da velocidade desejado é de 200 rpm
pelo que o controlo respeita o fluxograma da Figura 47, com uma saída para o actuador da
Figura 48 (exemplo).
Figura 47 - Fluxograma de exemplo
Figura 48 - Exemplo de resposta controlo ON OFF
44
3.2.1.2. Controlo PID [47]:
O controlo PID é um tipo de controlo por feedback muito usado em ambientes industriais
e por isso muito facilmente encontrado nas mais variadas aplicações [47].
O controlo PID consiste numa forma de controlo baseada em três termos aplicados à
equação (31) que irão ajustar e aproximar o valor de saída do sistema ao valor desejado para o
mesmo.
( ) ( ) ∫ ( )
( ) (31)
Figura 49 - Diagrama de blocos do controlo PID [48]
O sistema baseia-se na estrutura apresentada na Figura 49 (diagrama de blocos) onde
cada um dos termos aplicados à equação (32) que são o termo proporcional Kp, termo
integrativo Ki e o termo derivativo Kd são usados para calibrar a forma como o controlador
aproxima o valor da saída do sistema em relação ao valor de referência baseado no valor do erro
e(t), da equação (32), apresentado entre o valor da saída e do valor desejado nesse instante.
( ) ( ) ( ) (32)
Os termos têm influência no valor da saída em que o Kp é proporcional ao valor actual do
erro, o Ki é visto como um acumular dos erros até ao instante e o Kd é visto como uma previsão
do erro futuro.
Baseado nisso pode-se dizer que o controlador PID que usa o presente, o passado e o
futuro do erro do sistema na sua actuação [49].
45
Influência do termo proporcional: O termo proporcional gera uma alteração na
saída proporcional ao valor do erro presente no sistema, ou seja, influencia o tempo de resposta
do sistema a uma alteração na entrada (existência de erro). Ao aumentar o valor do termo
proporcional diminui o tempo que o sistema demora a atingir o valor desejado, mas um valor
muito alto pode tornar o sistema instável. Por outro lado um valor muito baixo do termo
proporcional torna lenta a resposta do sistema a uma alteração da entrada, como pode ser visto
na Figura 50 [47] [46].
Figura 50 - respostas de um sistema a vários valores de Kp [48]
O termo proporcional do controlo PID tem, resumidamente, como características:
Tem grande efeito sobre o valor de saída do processo quando este se encontra referência desejado (tempo de subida)
Torna o sistema mais rápido
Valores altos do termo proporcional tornam o sistema instável com resposta oscilatória e um overshoot elevado
O sinal de comando tende para zero à medida que a reposta do processo se aproxima do valor desejado
Não elimina o erro em regime permanente
46
Influência do termo integrativo: O termo integrativo surge no sistema após a
introdução do termo proporcional e vem colmatar algumas falhas do termo proporcional. Como
se pode ver na Figura 51 a acção do termo proporcional tem um erro em regime permanente e
apresenta um overshoot, com a acção do termo integrativo é possível praticamente eliminar o
erro em regime permanente, pois considera todos os erros registados anteriormente.
Figura 51 - Resposta de um sistema com controlo P [47]
A acção deste termo trás, também, aspectos negativos ao sistema pois aumenta o
tempo de resposta transitória do sistema (reduz os efeitos do termo proporcional) e pode
também aumentar o overshoot, como se pode ver na Figura 52. [47] [46]
Figura 52 - Respostas de um sistema a vários Ki [48]
47
Influência do termo derivativo: Por fim o termo derivativo surge no sistema com o
intuito de reduzir ou eliminar o overshoot do sistema. Tem pouca influência no tempo de subida
e no erro em regime permanente, reduz o tempo de resposta do sistema e melhora a
estabilidade do mesmo, como se pode ver na Figura 53.
Figura 53 - Respostas de um sistema a vários Kd [48]
Este termo apresenta ainda como aspecto negativo o facto de ser extremamente sensível
a ruídos de alta frequência que possam ser induzidos no sistema (perturbações) pelo que é
desaconselhado em ambientes desse género [47].
Em resumo a influencia dos termos no controlador PID podem ser consultados na Figura
54 [47] [50].
Figura 54 - Tabela resumida dos efeitos dos termos no controlador PID [47]
48
Sintonização do controlador PID: Existem várias formas de se sintonizar um
controlador PID [50] entre as quais o método manual (consiste numa sintonização manual dos
termos até se atingir a resposta pretendida), método de Zeigler-Nichols (que estabelece uma
relação entre termos) e o método de Cohen and Coon (idêntico ao método de Zeigler-Nichols)
[47].
Quanto ao método manual [47] [49] deve-se respeitar uma sequência de passos para
que seja possível atentar uma boa aproximação ao controlador ideal, que são determinar as
características do sistema e a resposta do sistema em malha aberta, como por exemplo da
Figura 55, introduzir o termo proporcional por forma a aproximar a resposta do sistema ao valor
pretendido, acrescentar o termo derivativo por forma a reduzir o overshoot, acrescentar o termo
integrativo por forma a eliminar o erro em regime permanente, derivado ao uso do termo
proporcional e afinar cada termo de forma a melhorar a resposta.
Figura 55 - Resposta em malha aberta de um sistema [47]
Quanto aos métodos de Zeigler-Nichols e Cohen and Coon recorrem à resposta do
sistema em malha aberta, como o da Figura 55, e determinando os parâmetros L e T e recorre-
se a uma série de relações, que podem ser vistas na Figura 56, para a determinação dos termos
do controlador PID [49].
Figura 56 - Parâmetros de Zeigler-Nichols e Cohen and Coon [47]
49
4. Trabalho realizado Neste capítulo 4 é apresentado todo o trabalho prático realizado neste projecto, onde se
faz uma apresentação do hardware constituinte do protótipo bem como do software presente
num microcontrolador que gere todo o sistema.
4.1. Introdução Após a análise efectuada no capítulo do estado da arte demonstrou ser evidente que as
soluções existentes no mercado não satisfazem as pretensões da aplicação em causa. Para um
robô é essencial saber o estado das suas baterias por forma a adaptar o seu comportamento, no
caso dos robôs futebolistas o estado das baterias permitirá ajustar a táctica de jogo por forma a
gerir a carga restante nas baterias até ao fim do jogo. A maior parte dos carregadores analisados
dispõem de comunicação por USB que permite a descarga, para um computador, das
informações do carregamento de determinada bateria mas apenas após o carregamento ter
terminado. Esse aspecto é entrave suficiente para que esses modelos não tenham viabilidade
nesta aplicação, pois as informações da carga das baterias tem de estar disponíveis quando o
robô precisar para decidir que táctica adoptar.
Mediante estes impedimentos foi necessário criar uma aplicação que faça a gestão da
carga das baterias de um robô futebolista, que informe o computador central do estado das
baterias e com a possibilidade de proceder ao carregamento das baterias, bastando para isso,
conectar o robô a uma tomada de rede eléctrica. A aplicação terá de ser versátil para abranger
um grande número de tecnologias de baterias, bastando para isso alterar o firmware e poderá
ser modular para que seja possível carregar se necessário mais que uma bateria de tecnologia
distinta.
Para a realização deste projecto e respeitando os objectivos impostos foi necessário
fazer opções sobre as abordagens a tomar para a resolução do problema. Neste capítulo estão
apresentados todos os passos tomados desde simulações a testes práticos do hardware e
software que foi sendo proposto como solução.
50
Como considerações iniciais é necessário obter uma tensão e uma corrente DC de valor
variável e controlado numa gama de valores definida pela tecnologia da bateria a ser carregada,
número de células e disposição das mesmas e o valor da capacidade nominal, por forma a um
sistema de controlo implementar um plano de carga.
4.2. Hardware Neste tópico aborda todo o trabalho realizado em termos de hardware no protótipo
proposto.
4.2.1. Rectificação Como está definido nos objectivos de se tentar não usar um transformador, para baixar
a tensão de rede (230 VRMS), é necessário construir um conversor DC/DC que baixe a tensão de
entrada para uma tensão inicial, de teste por volta dos 12 VDC. Como foi explicado no capítulo
3, sobre a teoria dos conversores DC/DC, o step-down necessita de uma tensão DC na entrada,
o que implica obtê-la a partir da tensão AC de rede.
Para se rectificar a tensão de rede foi escolhido o ponte rectificadora KBU1004 [51] que
tem como principais características: ser rectificador monofásico até 280 VRMS, ter um máximo de
400 V de tensão inversa, ter um máximo de 10 A de corrente contínua ou 300 A máximo de
pico, ter um baixo custo e pequenas dimensões.
Essas características enquadram-se nas exigências inicialmente idealizadas que são
rectificar tensão de rede (230 VRMS), ter pelo menos 5 A de corrente nominal e aguentar
consideráveis picos de corrente (que ocorrem na carga inicial dos condensadores).
Como anteriormente foi descrito, no capítulo 3, os rectificadores de tensão necessitam
de um filtro capacitivo para alisar a forma de onda obtendo-se assim uma tensão DC de valor
constante.
51
O elemento tem o comportamento que pode ser visto na Figura 57, onde
comparativamente com a rectificação sem filtro capacitivo se pode observar que a tensão é
alisada no valor pico.
Figura 57 - simulação de rectificador de ponte completa com filtro capacitivo
Como se observa na figura, o valor máximo da tensão rectificada é de cerca de 325 V,
isso é explicado pelo facto de que a tensão de rede ser de 230 VRMS, ou seja, valor eficaz para
uma sinusóide e pela equação (33) obtém-se o valor máximo de tensão da forma de onda [52]
[53].
√ √ (33)
4.2.2. Step-Down Como está definido no capítulo 3, o conversor de tensão “Buck” é capaz de baixar o
valor de uma tensão DC para um valor desejado mediante o controlo do duty-cycle aplicado ao
elemento comutador (MOSFET, IGBT…).
Como tensão de entrada DC há 325 V DC e o desejado será uma tensão equivalente a 6
células de uma bateria de LiPo, que perfaz no máximo:
Então com estes valores é possível obter o duty-cycle “D” a aplicar para se obter esta
relação presente nas equações (34) e (35).
(34)
(35)
52
Este valor será variável mediante a situação que se apresente, mas a flexibilidade deste
conversor permite que haja ajustes para se obter a melhor resposta.
É também desejável que a corrente máxima nominal de saída se situe pelos 4 a 5 A com
uma frequência superior 20 kHz.
O passo seguinte será calcular o valor da indutância e da capacidade a utilizar no
conversor, como está descrito nas equações (36), (37) e (38).
( )
(36)
( )
(37)
( )
(38)
Então com base nestes valores realizou-se uma simulação, em Psim [54], do circuito
presente na Figura 58, com os resultados na Figura 59.
Figura 58 - Circuito simulado
Figura 59 - Resultado da simulação
53
Esses resultados mostram a evolução do valor da tensão à saída do conversor,
controlados por um bloco de código C que obtém a leitura do valor da tensão e implementa um
controlo ON/OFF sobre o IGBT.
Mediante estes resultados realizou-se uma procura no mercado dos componentes
electrónicos para o conversor. Foram adquiridos um condensador de 2,2 mF [55], uma bobina
de 380 mH [56],um díodo rápido MUR860G [57] e um IGBT FGPF7N60RUF [58].
Os primeiros testes ao circuito revelaram alguns problemas, pois o IGBT não aguentava
o pico inicial de corrente que o condensador exigia por ser muito rápido foi impossível de ser
registado. Tentou-se então uma segunda abordagem ao circuito mas com uma bobina de 1 mH
por forma a tentar atrasar a subida da corrente, que revelou o mesmo problema.
Em discussão com o orientador foi proposto tentar baixar o valor de tensão de entrada,
pois a amplitude da mesma é considerada muito elevada pelo que se optou pela utilização do
circuito de um dimmer de luz com vista a tentar baixar o valor de tensão de entrada.
Solução: dimmer
O circuito da Figura 60 permite o controlo do valor eficaz de uma forma de onda
alternada, com base no controlo do ângulo de disparo do triac.
Figura 60 - Esquema de um dimmer de luz [59]
54
Como se mostra na Figura 61, é possível controlar a “quantidade” de tensão que se
quer aplicar à carga.
Figura 61 - Forma de onda resultante do dimmer [59]
O circuito tem como princípio de funcionamento de que é possível controlar o momento
de entrada em condução do triac, para isso é necessário uma corrente de gate que leva o triac
entrar em condução, fechando o circuito e alimentando a carga. Já sem a corrente de gate o
triac continua em condução até que a corrente que o percorre se anule, ou seja, quando a
tensão de rede chega a zero na troca de semiciclo. O controlo do disparo do triac é efectuado
por um diac. O diac é um componente auxiliar normalmente utilizado em aplicações de
electrónica de potência [59].
O diac tem a característica Id=f(Vd) presente na Figura 62.
Figura 62 - Característica do Diac [59]
Como se pode observar na figura anterior, até se atingir a tensão de rotura VR
(tipicamente entre 30 a 40 V) o diac não conduz. Uma vez em condução o diac só entra ao corte
quando for atingida uma corrente IH. Essa tensão de rotura é dada pela tensão aos terminais do
condensador C. A velocidade com que o condensador carrega até à tensão de rotura do diac é
controlada pelo valor da resistência RV.
55
Com a utilização deste circuito foi possível obter uma tensão por volta de 200 V, para
entrada no conversor DC/DC.
Voltou-se então ao esquema inicial mas com 2 alterações, o IGBT é diferente passando a
um IRG4PC50W [60],que é um IGBT que aguenta uma corrente nominal mais elevada e picos
de corrente superiores que o anterior. O díodo também é diferente optou-se por um 15ETH06
[34] que é um díodo da classe dos híper rápidos. Esta abordagem provocou um conflito de
massas com o driver do IGBT, como se vê na Figura 63, não era possível garantir a diferença de
tensão necessária para actuar o IGBT quando este entra em condução. Esse problema é
contornado movendo o IGBT para uma posição entre a massa e o resto do conversor, como se
pode ver na Figura 64, sendo essa a versão final do conversor de tensão.
Figura 63 - Step-Down clássico
Figura 64 - Nova abordagem
56
4.2.3. Sensor de corrente e de tensão Actualmente existem várias formas de se medir a corrente eléctrica, cada forma tem as
suas qualidades e limitações, como por exemplo uma bobina de Rogowski que apenas é usada
para medir correntes em AC ou correntes pulsadas de alta frequência.
Para AC existe o transformador que mediante as variações de fluxo no primário, produz
uma tensão equivalente no secundário. Existe também a bobina de Rogowsi, que é uma bobina
toroidal com o condutor a passar no seu núcleo, condutor esse que quando atravessado por
uma corrente eléctrica produz um campo magnético que induz uma tensão na bobina,
proporcional à corrente que atravessa o condutor.
Já para DC [61] existe o sensor resistivo que consiste em introduzir uma resistência
(preferencialmente de precisão) de um valor muito baixo em série com o circuito onde se
necessita de medir a corrente. A corrente ao atravessar essa resistência produz uma queda de
tensão nessa resistência proporcional à corrente que o atravessa, com isso e pela lei de Ohm é
possível saber o valor da corrente que atravessa o circuito. Também existe o sensor de efeito de
Hall que é idêntico ao sensor de bobina de Rogowski, em que a corrente que atravessa o circuito
produz um campo magnético que é traduzido numa tensão à saída deste sensor. Este sensor
também é capaz de efectuar leituras em AC mas para potências inferiores.
Para este projecto havia então 2 hipóteses, uma que era usar o sensor resistivo e outra
de usar o sensor de efeito de Hall. Como o sensor resistivo apresenta uma maior probabilidade
de erros devido ao valor da resistência ser variável mediante alguns factores (temperatura, por
exemplo), decidiu-se implementar o sensor de efeito de Hall.
Qualquer das hipóteses envolve o uso de ADC para se traduzir digitalmente a saída em
tensão do sensor (existe sensores de efeito de Hall com saída digital, mas apresentam um custo
superior).
A escolha recaiu sobre o sensor de efeito de Hall da Allegro ACS713 [62]. Este sensor é
capaz de medir correntes entre 0 e 30 A com uma saída de 0 a 5 V e uma sensibilidade de
133 mV/A. Este IC exige ser montado em série com o circuito a medir a corrente, 5V de
alimentação e um condensador para filtrar ruídos, como pode ser visto na Figura 65 [62].
57
Figura 65 - Esquema de ligações do ASC713 [62]
Este IC apresenta uma grande linearidade, o que facilita a tradução do valor de tensão
medido na saída do IC em corrente que atravessa o IC. Para o cálculo da corrente mediante o
valor de tensão foi usada a equação (39) extraída a partir da Figura 66. [62]
Figura 66 - Curva característica de resposta do ASC713 [62]
Para teste deste IC e para teste do conversor DC/DC foi necessário criar a placa da
Figura 67.
Figura 67 - Placa de teste do ASC713
Com esta placa foi possível confirmar o comportamento do IC, mediante a corrente que
atravessava IP+ e IP-.
( )
(39)
58
4.2.4. Microcontrolador Um microcontrolador torna-se essencial para este projecto. A complexidade do plano de
carga a implementar seria extremamente complicada recorrendo apenas a circuitos integrados
como portas logicas, amplificadores, etc e a juntar ao facto de ser necessário enviar informações
sobre o estado das baterias para o computador central, via barramento I2C.
O microcontrolador escolhido foi o PIC 18F4520 – I/P [63] e tem como principais
características um cristal interno de 8 MHz expansível até 40 MHz, 32 KB de memória de
programa, 1536B de memória de dados em SRAM e 256 B em EEPROM, dispor de 36 pinos de
I/O, ter 13 canais de ADC 10bits cada, SPI e I2C, 1 timer de 8bits e 3 timers de 16bits.
O PIC irá fazer leituras em 2 canais de ADC em que o AN0 mede o valor da tensão aos
terminais da bateria (ou saída do conversor) e o AN1 mede a tensão de saída do sensor de
corrente utilizado e actua o IGBT, através do driver, pelo pino PB1. Irá também enviar dados
sobre o estado das baterias via barramento I2C pelos pinos SDA e SCL. Para auxílio e despiste
de possíveis anomalias no pino PB2 está ligado um LED, que pisca a uma frequência de cerca
de 1 Hz (Heart Beat). Por fim e também o microcontrolador que detecta que o robô está ligado à
rede eléctrica detectando 5 V no pino PB4 que está ligado a um zener de 5 V em série com uma
resistência. O pinout do PIC18F4520 pode ser visto na Figura 68 e as ligações consultadas no
anexo 1.
Figura 68 - Pinout do PIC18F4520 [63]
59
4.2.5. Driver IGBT Segundo o datasheet do IGBT IRG4PC50W a tensão aconselhada para actuar a gate é de
15 V [60], como o micro não consegue fornecer mais de 5 V como saída lógica, recorre-se a um
driver especializado para MOSFETs e IGBTs, no caso um HCPL3120 [64] que tem como
principais características: ter 2,5A máximo de corrente de saída (pico), ter isolamento óptico até
1500 V, VCC de 15 a 30 V e possibilita até 500 ns de velocidade de comutação.
Internamente pode ser visto na Figura 69, e está implementado conforme a Figura 70. É
de se notar que é necessário que o VEE esteja ligado ao emissor do IGBT para que o pulso seja
correctamente aplicado.
Figura 69 - Diagrama interno do driver HCPL3120 [64]
Figura 70 - Esquema de ligações do driver no conversor
60
4.2.6. Circuito Snubber Os circuitos snubber são circuitos muito utilizados em electrónica de potência para
proteger os semicondutores dos efeitos das comutações. Existem várias topologias mas a mais
utilizada é a RCD (Resistor Capacitor Diode) [65], em que o esquema se pode ver na Figura 71.
Estes circuitos são capazes de proteger os semicondutores contra picos de tensão ou correntes
muito elevados reduzindo o di/dt e o dV/dt que os semicondutores são sujeitos nas comutações,
ajudam na dissipação de potência e reduzem significativamente as perdas por comutação.
Figura 71 - Exemplo de snubber RCD [65]
O snubber RCD deverá ser constituído por um condensador em série com o paralelo de
um díodo rápido (Schottky) com uma resistência. Uma boa aproximação para o cálculo desses
componentes pode ser visto nas equações (40) e (41) [66].
(40)
(41)
Juntamente com um díodo rápido, como por exemplo um 1n5712 [67], é possível
introduzir os melhoramentos anteriormente descritos, como por exemplo melhoramentos nas
perdas por comutação que se podem ver na Figura 72.
Figura 72 - Evolução da tensão e corrente com e sem snubber em uma comutação [35]
61
4.2.7. I2C O I2C é um protocolo de comunicação série entre vários dispositivos desenvolvido pela
Philips. Destaca-se por necessitar de apenas uma ligação de data e outra de clock entre os
dispositivos a comunicar, para além da alimentação, como se pode ver na Figura 73. É um
protocolo de comunicação hierárquico pois estão definidos dispositivos master e dispositivos
slave. No total é possível endereçar 128 dispositivos (modo normal) ou 1024 dispositivos (modo
extended), mas o número de dispositivos poderá ser limitado se forem ultrapassados os
comprimentos máximos ou a capacidade máxima do sistema (limitada a 400µF) [68] [69].
Figura 73 - Barramento I2C [69]
A trama que é utilizada respeita a forma da Figura 74, onde é possível observar que os
dados são enviados em conjuntos de 8bits, iniciados por um start bit, seguidos de um endereço
do dispositivo a comunicar (8bits modo normal, 10bits em modo extended), seguido de um bit
de indicação de escrita ou leitura e um bit de acknolege. Após esta configuração inicial que serve
apenas para identificar o dispositivo e indicar se a informação é de escrita ou de leitura, são
enviados conjuntos de 8bits de dados finalizados com um stop bit.
Figura 74 - Trama padrão do I2C [69]
No protótipo apresentado o I2C é o protocolo de comunicação entre o sistema de gestão
da carga (slave) com o dispositivo (master) que recebe todas as informações e as envia para o
computador central. Esse processo de envio de informações é despoletado quando o master
envia um pedido ao endereço do sistema de gestão que gera uma interrupção que envia a última
leitura do valor de tensão da bateria, bem como outras informações que venham a ser
relevantes.
62
4.2.8. Balanceadores Os balanceadores são circuitos auxiliares usados na gestão de carga de baterias da
família das baterias de lítio. Apesar de não serem fundamental desempenham um importante
papel na preservação das qualidades das baterias pois, quer no carregamento quer no
descarregamento, podem ocorrer desequilíbrios de carga entre as várias células que constituem
uma bateria que podem levar a que células sejam danificadas, pois o sobre carregamento ou a
subcarga das células fazem com que ocorram reacções químicas que são prejudiciais. O uso
destes dispositivos apenas tem utilidade quando são usadas baterias compostas por células
ligadas em série, pois quando estão em paralelo o balanceamento ocorre naturalmente [70].
Uma forma simples de balancear células pode ser vista na Figura 75, onde são usados
FETs em paralelo com as células. Quando são detectados desbalanceamentos entre células o
controlador redistribui a carga entre as células fechando os FETs das células a retirar a carga
[71].
Figura 75 - Esquema básico de um balanceador de 4 células
Para este projecto será usado um balanceador da ACM, capaz de balancear de 2 até 10
células, que se pode ver na Figura 76. Este balanceador será um dispositivo externo ao
protótipo, pois desempenha um papel muito satisfatório pela experiência acumulada até à data.
Figura 76 - Balanceador usado
Segundo estudos efectuados [70] o balanceamento de células de uma bateria é capaz
de aumentar a capacidade de uma bateria em cerca de 20% e de melhorar a esperança de vida
da própria bateria, pois garante que as células são descarregadas de forma igual.
63
4.3. Software O software para este projecto foi construído gradualmente, por forma a conseguir testar
cada um dos blocos de forma individual. O código foi inicialmente aplicado num Arduino Uno
[72] por forma a testar algumas partes integrantes deste projecto. Mais tarde foi aplicado num
PIC 18F4520 [63] que é o microcontrolador presente no protótipo.
4.3.1. Introdução O software terá de implementar toda a gestão de carga das baterias a partir das leituras
obtidas de dois canais de ADC, um para o valor da tensão aos terminais da bateria e outro do
valor da tensão de saída do sensor de corrente que corresponde a um valor de corrente.
Tratados esses dados são enviados via barramento I2C para um dispositivo que gere todo o
hardware que constitui o robô futebolista, que posteriormente encaminha as informações para o
computador central do robô futebolista. Simultaneamente terá a indicação se está disponível
energia eléctrica para proceder ao carregamento das baterias mediante o seu estado e plano de
carga. Resumidamente o diagrama de blocos da Figura 77 mostra como está estruturado o
hardware do robô.
Figura 77 - diagrama de blocos do hardware [73]
64
4.3.2. Primeiros testes no Arduino Uno Nos primeiros testes o objectivo era de tentar perceber e parametrizar o uso do ADC e
da geração de um PWM por forma a tentar controlar um conversor buck de teste, e com isso
tentar obter uma frequência de operação para o sistema. Os testes realizados foram muito
simples, apenas de tentar controlar uma tensão de saída num valor definido, com leitura de um
ADC. O código respeita o fluxograma da Figura 78.
Figura 78 - Fluxograma do código no Arduino
Após as configurações iniciais de todos os periféricos, o código fica à espera que ocorra
uma interrupção do ADC que indica o final de uma leitura, mediante os valores implementa o
carregamento mediante um valor de referência e actua um PWM com controlo ON/OFF a uma
frequência a rondar os 15kHz.
65
4.3.3. Passagem para o PIC 18F4520 Devido à vontade de não se utilizar uma placa de desenvolvimento dedicada para este
projecto, pensou-se em utilizar um microcontrolador PIC. Os PIC’s são uns microcontroladores
muito versáteis e têm muita informação disponível para a utilização de cada um dos módulos.
Inicialmente foi necessário testar cada um dos módulos (timer, ADC, I/O, …)
individualmente por forma a compreender o seu funcionamento e o seu peso no processamento.
Esta etapa ganha uma grande importância quando é analisado o tempo necessário para que o
ADC obtenha uma leitura, pois cada leitura do ADC demora aproximadamente 64µs a completar
um ciclo completo de leitura. Já cerca de 22 µs é o tempo que demora a execução do código
como se pode ver na Figura 79. O ADC utiliza um sistema de sampling and hold para obter o
valor de tensão aos terminais do canal [63]. Esse sistema é completamente independente da
frequência do clock interno do microcontrolador, pelo que o aumento desse clock não irá
introduzir melhoramentos no tempo que o microcontrolador necessita para obter uma leitura do
ADC. Os tempos gastos pelos outros módulos são considerados insignificantes.
Figura 79 - Tempo de geração de um novo ciclo de código (5 V/div e 20 µs/div)
O microcontrolador PIC18F4520 é programado em linguagem C no compilador CCS C
Compiler [74]. Este compilador programar microcontroladores da família PIC e fornece um vasto
conjunto de ferramentas de auxílio à programação destes microcontroladores. Disponibiliza um
conjunto de bibliotecas especialmente desenhadas para abstrair o programador dos pormenores
mais específicos das parametrizações dos periféricos.
66
4.3.4. Algoritmos Neste subcapítulo são apresentados os algoritmos implementados para o sistema de
gestão da carga de baterias do robô futebolista.
4.3.4.1. Algoritmo do sistema de gestão
O fluxo do código do sistema de gestão é gerido por interrupções do ADC e por
interrupções externas que indicam se o robô está ou não conectado à rede eléctrica. A
interrupção principal é a do ADC que está constantemente a obter leituras de tensão e corrente,
com esses dados tratados é possível implementar a carga (se necessário e se o robot estiver
conectado à rede eléctrica) e é possível implementar a gestão de carga com informações para o
computador central do estado das baterias. Todo este fluxo está descrito no fluxograma da
Figura 80.
Figura 80 - Fluxograma do algoritmo de gestão de carga
67
4.3.4.2. Algoritmo de detecção de energia
Para que o sistema de gestão de carga das baterias inicie o modo de carregamento é
imperativo que o robô esteja conectado à rede eléctrica por forma a usar como fonte de energia
para o carregamento. Existem várias formas de se detectar se o robô se encontra conectado à
rede eléctrica. Existe um método manual onde se acciona um interruptor após conectar o robô
(não é uma solução robusta uma vez que existe o factor erro Humano) ou por uma resistência
de muito baixo valor em série e ter um ADC a fazer leituras por forma a detectar uma queda de
tensão indicadora de energia (esta solução apresenta um acréscimo de perdas e o consumo de
mais um recurso de ADC de processamento).
A solução optada é bastante simples o microcontrolador permite interrupções externas
por transição de valor (0 para 1 e 1 para 0) num determinado pino pelo que é possível detectar
se há energia na transição 0 para 1, ou não há energia na transição de 1 para 0. Em termos de
hardware uma ligação directa do VCC ao pino iria danificar irreversivelmente todo o
microcontrolador pelo que a solução passa por ter uma resistência em série com um díodo
zener de 5,1 V, como se pode ver na Figura 81.
Figura 81 - Circuito utilizado
Em termos de software, o processo de carga só se inicia se a flag energy (associada ao
pino 4 do porto B, PB4) tiver valor 1 (true) e respeita o algoritmo da Figura 82.
Figura 82 - Algoritmo detecção de energia
68
4.3.4.3. Algoritmo de carregamento de baterias
Para o tipo de baterias previamente estudadas o plano de carregamento mais indicado é
o plano misto, previamente abordado no capítulo 2, que se pode ver na Figura 83. Como nem
todas as tecnologias tem as mesmas características eléctricas, em termos de tensões máximas
e mínimas admissíveis é necessário mudar o firmware para que seja possível carregar
correctamente cada bateria.
Figura 83 - Plano de carga misto [5]
As alterações ao firmware são bastante simples bastando apenas configurar os valores
de tensão máxima e mínima, o valor da corrente nominal e a configuração de ligação das
células, pois cada tecnologia tem as suas características. Na Tabela 3 encontram-se os valores
de tensão característicos de cada uma das tecnologias previamente analisadas.
Tabela 3 - Tabela das tensões características de cada tecnologia
69
Com base nesses valores padrão o algoritmo irá analisar o estado da bateria e
enquadrar o estado dentro de cada uma das 3 regiões que dividem o método de carga da Figura
83, e se a tensão total da bateria estiver abaixo do valor de tensão mínima o sistema
implementa um carregamento em corrente constante na ordem do 1/5 C até a tensão chegar ao
valor mínimo, este passo é importante pois a uma tensão tão baixa um carregamento lento
prepara a bateria evitando assim que se danifique. Chegado a esse patamar transita para um
carregamento a corrente constante de 0,7 a 1C até a tensão atingir o valor máximo. Por fim o
sistema ira garantir o valor máximo de corrente aos terminais da bateria e a corrente irá
gradualmente descer, por volta de 1/10 C a bateria está praticamente carregada e o sistema
indica que o carregamento terminou [75] [76].
Todo este processo é descrito pelo algoritmo da Figura 84, é de se notar que o processo
de carregamento é despoletado quando é detectado, pelo microcontrolador, que o robô está
ligado à rede eléctrica por uma interrupção de nível elevado que detecta 5 V de queda num
circuito de resistência e zener já anteriormente descrito.
Figura 84 - Algoritmo para modo carga
70
Em cada estágio de carga o microcontrolador irá constantemente controlar o valor de
corrente obtido com o valor de referência durante cerca de 20 ciclos de execução, após esses
ciclos de carga o sistema deixa de fornecer energia à bateria durante 100 ciclos para que seja
possível obter um valor mais correcto da tensão da bateria e para que o balanceador tenha
tempo cumprir a sua função essencial de manter as células com igual carga.
Por fim quando é detectado que o valor da tensão da bateria se encontra no máximo e
que ao fornecer corrente ao sistema ela apenas seja um valor de cerca de 1/10 do valor
nominal da bateria, o sistema desliga-se informando via barramento I2C que o carregamento da
bateria está completo.
4.4. Protótipo do carregador Na abordagem inicial o sistema recebe a tensão sinusoidal da rede e usa um circuito
dimmer que permite reduzir o valor RMS da tensão. Como o disparo do triac está calibrado para
disparar para além dos 90º é possível reduzir também o valor de pico. Após este estágio inicial a
forma de onda passa por um rectificador monofásico com filtro capacitivo, ficando cerca de
200 V DC como entrada do conversor DC DC “buck” que permite, mediante o controlo do
disparo do IGBT, controlar uma tensão na saída do conversor. O microcontrolador em modo de
carregamento controla o disparo do IGBT pelo driver HCPL3120, baseado nas leituras da tensão
aos terminais da bateria e da tensão de saída do sensor de corrente ACS713. Já em modo de
gestão apenas efectua a leitura do valor da tensão aos terminais da bateria e envia, via
barramento I2C, para o computador central.
4.4.1. Primeiros testes Por forma a testar todo o sistema usou-se o protótipo presente na Figura 85, que foi a
plataforma de testes a todos os componentes integrantes deste projecto. Foi usada uma bateria
LiPo de 3 células em série (11,1 V nominal e 12,6 V máximo) de 5000 mAh [76], com uma
tensão inicial de 11,4 V e foi posta a carregar no protótipo. Utilizando todos os algoritmos
anteriormente apresentados por forma a carregar a bateria até aos 12,7 V (tensão máxima).
71
Figura 85 - Plataforma de testes
Desta forma o sistema apresentou problemas pois a corrente do circuito eleva-se a
valores muito elevados, levando a que o fusível actue. Isto deve-se ao facto de que a bateria tem
uma resistência interna muito baixa e em paralelo com o condensador faz com que a corrente
do circuito seja limitada pela resistência interna da bateria e pela bobina, como se pode ver na
Figura 86.
Figura 86 - Ilustração dos elementos que ditam a corrente do circuito
Isto ocorre porque no instante inicial as leituras dos ADC’s indicam que o sistema não
tem energia, levando o controlo a actuar. Antes de ocorrer a próxima leitura dos ADC’s a
corrente eleva-se de tal maneira que é não é possível ao controlo parar o sistema pois a corrente
pode elevar-se 106 A no tempo em que o ADC volta a ser lido, como se pode ver nas equações
(42), (43) e (44). Esta instabilidade torna a solução inviável para cargas de tão baixa impedância
como uma bateria.
(42)
(43)
72
(44)
Verificada esta situação é fundamental baixar a tensão de entrada do sistema para além
do uso do dimmer (que nesta situação se pode considerar excluído do sistema). A solução passa
então pelo uso de um transformador capaz de baixar a tensão de entrada para valores mais
seguros.
Foi então escolhido um transformador monofásico de 400 VA, 230 V/30 V a
1,74 A/13,34 A que permitirá operar o conversor DC/DC de uma forma mais segura e
controlada.
Com o uso deste transformador é necessário recalcular os valores dos componentes que
constituem o conversor, pois uma das variáveis (tensão de entrada) foi drasticamente reduzida.
Retorna-se então às equações definidas no capítulo 3 sobre o conversor “buck” onde se define
um novo valor de indutância (47) e de capacitância (49).
√ (45)
(46)
( )
(47)
( )
(48)
( )
(49)
Com estes novos valores o conversor fica muito mais estável mas os tiveram de ser
ajustados ao material existente pelo que a indutância é de 380 µH e a capacitância é de 560 µF.
Simulando em PSIM [54] verifica-se que a corrente nunca se eleva para além dos 10 A e a
corrente e tensão de saída estão dentro dos valores desejáveis, como se pode ver na Figura 87.
73
Figura 87 - Simulação do conversor com os novos valores de L e C
Com este novo conversor é então possível controlar todas as variáveis necessárias para
o carregamento de uma bateria.
4.4.2. Testes finais Para os testes finais ao sistema foi necessário criar um plano de testes para sistema de
gestão de carga no modo de carregamento de baterias presente na Tabela 4. Para isso
seleccionou-se uma bateria LiPo de 3 células 5000 mAh. Com essa bateria seleccionaram-se
diferentes taxas de carregamento uma lenta e uma normal, pois é importante entender o
comportamento do sistema para diferentes taxas de carregamento.
Tabela 4 - Valores de referência para as cargas
Bateria Lento Normal
5000mAh 3000mAh 5000mAh
Para isso define-se a corrente nominal da bateria para cada uma das diferentes taxas de
carregamento, que se pode ver na Tabela 4. Estes valores foram carregados para o
microcontrolador e registou-se os valores de tensão e corrente que se pode ver nas Figura 88 e
Figura 89.
No primeiro teste foi utilizada a bateria de 3 células a 5000 mAh com uma taxa de
carregamento normal e os resultados estão presentes na Figura 88.
74
Figura 88 - Valores Tensão e Corrente obtidos no primeiro teste
Relativamente à tensão é possível observar a sua evolução de um valor inicial de
aproximadamente 11,7 V até um valor máximo de 12,65 V em valor médio (linha a negro),
relativamente à corrente é possível observar a sua evolução em tudo idêntica ao plano de carga
previamente apresentado. Os valores médios da corrente estão muito abaixo dos valores para
uma taxa de carregamento normal a razão pela qual se apresentam nesse estado tem a ver com
a amostragem feita (cerca de uma amostragem a cada 5 segundos), pois durante o
carregamento é necessário ajustar os valores de tensão e corrente por forma a não serem
excedidos o que leva a uma flutuação de valores. Após o carregamento verificou-se que a bateria
não estava correctamente carregada pois a calibração dos valores de referência não estava
correctamente definida, pelo que a tensão lida era sempre superior à real.
Para o segundo teste foi usada a mesma bateria mas num processo de carga mais
lento, por forma a avaliar o comportamento do conversor e com os valores de referência
ajustados. Os resultados estão presentes na Figura 89.
75
Figura 89-Valores Tensão e Corrente obtidos no segundo teste
Neste segundo teste foi usado o mesmo algoritmo mas com um valor de referência para
a corrente mais baixo que o anterior, o que leva a que o carregamento seja mais lento. Mais
uma vez os valores obtidos do sensor de corrente apresentam imenso ruído característico das
comutações aplicadas, já em valor médio é possível observar que a corrente se situa na ordem
dos 3 Ah baixando na parte final quando a bateria se encontra quase carregada.
O sistema está pensado para funcionar com um PWM variável aplicado por um
controlador PI por forma a obter uma resposta mais suave evitando grandes oscilações de
tensão e corrente, mas a aplicação desse PWM não está implementada pois aparentemente
existe um conflito entre o ADC e os timers do micro, situação que possivelmente potencia, em
parte, as oscilações verificadas pelo sensor de corrente.
76
77
5. Conclusões e trabalho futuro Neste último capítulo são apresentadas as conclusões que se retiram deste projecto e
são apresentadas algumas sugestões para trabalho futuro, capazes de trazer melhoramentos
significativos ao sistema proposto.
5.1. Conclusões O projecto de implementação de um sistema de gestão da carga de baterias de um robô
futebolista tem como principal objectivo o envio de informações sobre a carga das baterias, para
que o robô tome as suas decisões com base num mais amplo conjunto de inputs e o
carregamento das baterias quando necessário. Todo o sistema é gerido por um microcontrolador
PIC que recebe leituras de tensão e corrente por 2 canais de ADC e envia por I2C as
informações. Se existirem condições implementa o carregamento através do controlo do
conversor de tensão.
A primeira abordagem escolhida para a implementação do carregador de baterias
mostrou-se inviável, pois a taxa de conversão da tensão a aplicar era demasiado elevada
tornando o sistema incontrolável. O uso do transformador resolve esse problema pois reduz a
diferença entre a tensão de entrada e de saída desejada, possibilitando o uso mais controlado do
conversor. Por fim o sistema permite a carga de vários tipos de baterias, bastando parametrizar
correctamente as características de cada bateria até cerca de 30 V e 6 A, permitindo ao sistema
ser muito versátil a um baixo custo.
O uso de ADC internos do sistema possibilitou uma solução mais compacta mas
mostrou alguns problemas pois interfere com o uso de outros periféricos, limita o sistema a
cerca de 15 kHz e as suas leituras apresentam, por vezes, valores irreais pelo que seria
aconselhável tentar utilizar ADC externos. Já o uso do sensor de corrente por efeito de Hall
mostrou-se uma solução muito interessante, pois para além de isolar electricamente o sistema
de controlo do ponto onde se efectua a leitura, obtém leituras muito rapidamente, mostrando-se
essencial para que o sistema de controlo actuasse correctamente.
78
Por fim, os algoritmos propostos para a implementação dos essenciais planos de carga
para as baterias cumprem a sua função, implementando o estágio de carga mediante o estado
da bateria e controlando as variáveis do sistema para que as características químicas e
eléctricas das baterias sejam preservadas, garantindo assim a segurança e aumentando a
longevidade da bateria.
5.2. Trabalho futuro O sistema de gestão encontra-se a funcionar na sua plenitude e os principais objectivos
foram cumpridos, no entanto considera-se que há certos aspectos que se podem melhorar,
tornando o sistema mais robusto. Desses aspectos destaca-se:
Estudar a hipótese de se implementar um conversor DC/DC do tipo isolado, talvez uma
topologia flyback ou forward, que irá permitir dispensar o uso do transformador
230V/30V tornando o sistema mais compacto e versátil.
Introdução de um controlo de temperatura, pois as baterias LiPo podem sobreaquecer
quando estão a ser carregadas que pode levar a danos nas células da bateria que por
sua vez compromete as suas características.
Avaliar a implementação de ADC’s externos por forma a libertar o microcontrolador
dessa tarefa e ficar dedicado a receber informações, enviar informações e implementar
um controlo mais eficiente.
Criar um interface Homem/Máquina para uma fácil monitorização do processo e
parametrização sem ter de reprogramar o microcontrolador.
Por fim, testar exaustivamente o código por forma a corrigir possíveis bugs.
79
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Anexos
5.3. Anexo 1:
Figura 90 - Esquemático em Eagle CAD de todo o sistema
