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Baterias
PTC2527 – Anteprojeto de Formatura
Guido Stolfi – 05 / 2014
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O que é uma Bateria?
• Célula Eletroquímica– Converte energia química em elétrica através de reação
de óxido-redução
• Estrutura:– Anodo: eletrodo negativo, libera elétrons ao circuito
externo enquanto é oxidado
– Catodo: eletrodo positivo, absorve elétrons do circuito externo enquanto é reduzido quimicamente
– Eletrólito: condutor iônico, transfere carga elétrica entre anodo e catodo na forma de íons
– Separador: permeável aos íons, evita contato elétrico entre anodo e catodo
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O que é uma Bateria?
• Bateria:– Estritamente, é um conjunto de células associadas
em série e/ou paralelo, para aumentar a voltagem e / ou capacidade de energia
– Uso coloquial genérico para células secundárias
• Pilha:– Denominação genérica, originária da “Pilha de Volta”
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Origens
• Pilha de Volta– Descoberta de Alessandro Volta (Itália,
1800)– “Pilha” de células Zn-H– Anodo: Zinco– Catodo: Cobre ou Prata– Eletrólito: Solução de Ácido Sulfúrico ou
água salgada– Separador: Tecido ou papel– Reação anódica: Zn → Zn2+ + 2 e−
– Reação catódica: 2 H++ 2 e− → H2
– Voltagem: ~ 0,7 V por célula
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Célula Partiana (Bagdá, 250 A.C.)
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Pilhas e Baterias
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Classificação das Células Eletroquímicas
• Célula Primária
• Célula Secundária
• Célula de Reserva
• Célula de Combustível
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Célula Primária
• Reação química irreversível• Não são projetadas para (ou não podem) ser recarregadas• Alta capacidade específica (Wh / kg ou Wh / cm3)• Longa vida em uso e armazenamento• Baixo custo, ampla disponibilidade• Livres de manutenção• Uso geral (“Pilhas Inclusas”)
• Ex.: Leclanché (Zn/MnO2), Alcalina (Zn/MnO2 /KOH), Lítio (Li/SO2, Li/MnO2,), Óxido de Prata (Zn/Ag2O), Mercúrio (Zn/HgO)
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Célula Primária
AN
OD
O
CA
TO
DO
CARGA
FLUXO DE
FLUXO DE
ÂNIONS
CÁTIONS
- +
FLUXO DE
ELÉTRONS
EL
ET
RÓ
LIT
O
• Operação durante a descarga (exemplo):
– Reação anódica (oxidação):
Li → Li+ + e−
– Reação catódica (redução):
MnO2 + e− → MnO2 −
– Reação total de descarga:
Li + MnO2 → Li+ + MnO2− (LiMnO2)
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Célula Secundária
• Reação química reversível• Projetada para ser recarregada invertendo o sentido da corrente• Custo maior, porém mais econômicas ao longo do uso• Boa capacidade específica (Wh / kg ou Wh / cm3)• Alta capacidade de corrente de descarga• Menor retenção de carga• Uso geral e como armazenamento de energia
• Ex.: Chumbo-ácido (Pb/PbO2), Níquel-Cádmio (Cd/NiOOH), Lítio-íon (LiC/LiCoO2), Ferro-níquel (Fe/NiOOH), Sódio-enxofre (Na/S)
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Célula Secundária
• Operação durante a descarga (exemplo):
– Reação anódica (oxidação):
Cd + 2 OH− → Cd(OH)2 + 2 e−
– Reação catódica (redução):
NiOOH + H2O + e − →OH− + Ni(OH)2
– Reação total de descarga:
Cd + 2 NiOOH + 2 H2O →
→ Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2
AN
OD
O
CA
TO
DO
CARGA
FLUXO DE
FLUXO DE
ÂNIONS
CÁTIONS
- +
FLUXO DE
ELÉTRONS
EL
ET
RÓ
LIT
O
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Célula Secundária
• Operação durante a carga (exemplo):
– Sentido da corrente inverte– Catodo e Anodo trocam de denominação– Reação anódica (oxidação):
Ni(OH)2 + OH− → NiOOH + H2O + e −
– Reação catódica (redução):
Cd(OH)2 + 2 e− → Cd + 2 OH−
– Reação total de carga:
Cd(OH)2 + 2 Ni(OH)2 →
→ Cd + 2 NiOOH + 2 H2O
AN
OD
O
CA
TO
DO
FLUXO DE
FLUXO DE
ÂNIONS
CÁTIONS
- +
FLUXO DE
ELÉTRONS
EL
ET
RÓ
LIT
O
GERADOR
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Célula de Reserva
• Célula Primária de Ativação• Um dos elementos / reagentes está separado dos demais• Ativação por fusão, ruptura de barreira, gás, água do mar etc.• Vida extremamente longa em reserva ( 10 ~ 50 anos)• Rápida ativação ( milissegundos)• Alta capacidade específica• Curta vida útil após ativação• Uso militar, equipamentos de emergência
• Ex.: Magnésio-água (Mg/AgCl + H2O ), Zinco-manganês+água salgada, Zinco-amônia (Zn/PbO2 + NH4SCN), Lítio-clorato (Li + SOCl2),
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Célula de Reserva
Militar:Ativação porImpacto/ centrifuga
Civil:Ativação porImersão em águasalgada
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Célula de Combustível
• Célula Primária • Um ou mais dos elementos são inseridos continuamente• Eletrodos inertes, em geral catalisadores• Em estado experimental em muitos casos• Uso aeroespacial, outras aplicações emergentes
• Ex.: Hidrogênio-oxigênio (H2 / O2), Metanol-ar (CH3OH / O2)
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Célula de Combustível
– Membrana permeável: Freon + ácido trifluorometanosulfônico
– Eletrodos: PTFE / platina / carbono
– Reação anódica:
– H2 → 2 H+ + 2 e−
– Reação catódica:
– ½ O2 + 2 H+ + 2 e− → H2O
– Reação total de descarga:
H2 + ½ O2 → H2O
AN
OD
O
CA
TO
DO
CARGA
- +
FLUXO DE
ELÉTRONS
ME
MB
RA
NA
PE
RM
EÁ
VE
L
H+H2O2
H2O
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Características Gerais das Células Eletroquímicas
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Voltagem da Célula
Oxidante Eo (V) Redutor Oxidante Eo (V) Redutor
F2 +2.87 F- H3O+ 0.00 H2 (g)
S2 +2.10 SO42- CH3CO2H -0.12 CH3CHO
MnO4- +1.69 MnO2 Pb2+ -0.13 Pb
MnO4- +1.51 Mn2+ Sn2+ -0.14 Sn
Au3+ +1.50 Au Ni2+ -0.23 Ni
PbO2 +1.45 Pb2+ Cd2+ -0.40 Cd
Cl2 (aq) +1.39 Cl- Fe2+ -0.44 Fe
Cr2O72- +1.33 Cr3+ Zn2+ -0.76 Zn
O2 (g) +1.23 H2O Al3+ -1.66 Al
Br2 +1.07 Br- Mg2+ -2.37 Mg
NO3- +0.96 NO(g) Na+ -2.71 Na
Ag+ +0.80 Ag Ba2+ -2.90 Ba
Fe3+ +0.77 Fe2+ K+ -2.92 K
I2 (aq) +0.62 I- Li+ -3.02 Li
Cu2+ +0.34 Cu
CH3CHO +0.19 CH3CH2OH
SO42- +0.17 SO2
S4O62- +0.09 S2O3
2-
Potencial eletromotivo padrão para reações químicas
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Circuito Equivalente da Célula
• E0 = Voltagem teórica, depende dos materiais do anodo e catodo, do eletrólito e da temperatura
• Re = Resistência de condução do eletrólito (iônica) e dos eletrodos (ôhmica)
• Rp = Polarização de ativação (energia necessária para vencer a polarização dos eletrodos)
• Rc = Polarização por concentração (devida à variação de concentração dos íons na vizinhança dos eletrodos)
Eo
Re
VoutIcCARGA
Rp Rc
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Circuito Equivalente da Célula
Eo
Re
VoutIcCARGA
Rp Rc
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Descarga da Célula
• À medida que os reagentes são consumidos:
• Tensão em aberto diminui pouco• Tensão em carga diminui mais• Resistência interna aumenta
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Efeito da Temperatura
• À medida que a temperatura aumenta:
• Capacidade total aumenta• Resistência interna diminui• Corrente de fuga (auto-descarga) aumenta
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Capacidade de uma Bateria
– Vida útil: enquanto a tensão em operação estiver acima da tensão final
– Tensão final: ponto a partir do qual a energia disponível cai rapidamente, ou
– Ponto a partir do qual a bateria perde capacidade de recarga (células secundárias)
– Capacidade total: pode ser medida em A.h, W.h ou Joules (1 W.h = 3600 J)
– Capacidade efetiva pode ser muito menor que a capacidade teórica (calculada a partir da energia química dos reagentes)
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Capacidade Específica de uma Bateria
– Energia disponível em relação à massa da bateria (em comparação com outras formas de energia)
• Capacidade efetiva depende da forma de descarga
Material Energia (J / kg)
Pilha alcalina, Lítio-íon 5 x 105
Bateria Chumbo-ácido 1,8 x 105
Célula de Combustível H2 5 x 106 ~ 3 x 105
Gasolina, GLP 4,6 x 107
Urânio (Fissão nuclear) 8 x 1013
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Descarga com Resistência Constante
Ex.: Lanterna, rádio de pilha, etc.
Desempenho varia ao longo do tempo
Descarga mais rápida no início e lenta no final
1,5 VccB1
RL1,5 R
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Descarga com Corrente Constante
Ex.: Circuito com regulador de tensão linear
Desempenho constante ao longo do tempo
Descarga mais rápida
1,5 VccB1 Ic
0,8 A
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Descarga com Potência Constante
Ex.: Circuito com regulador de tensão chaveado
Desempenho constante ao longo do tempo
Descarga acelerada no final
1,5 VccB1 Po
1 W
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Modos de Descarga
– Para mesma potência disponível no final da vida da célula, o modo de descarga com potência constante possui a maior eficiência (maior vida útil da carga da bateria).
– Capacidade da bateria depende do modo de descarga.
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Curvas de Descarga de Células
Tipos:P = PrimáriaS = Secundária
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Efeito da Temperatura
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Auto Descarga (Vida Útil de Prateleira)
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Áreas de Aplicação das Baterias
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Capacidades Práticas e Teóricas
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Células Primárias
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Células Primárias
Tipo Características Aplicações
Zn-C / NH4Cl(Zn-MnO2, Leclanché)
Baixo custo, variedade de tamanhos
Brinquedos, lanternas, produtos de consumo de vida útil curta
Zn-MnO2+KOH (Alcalina)
Excelente capacidade, custo moderado, elevada vida útil
Uso geral em equipamentos portáteis, sem fio, altas e baixas temperaturas
Lítio Alta capacidade, longa vida útil e de prateleira
Backup de memórias RAM, relógios
Zn-Ag2O (Prata) Maior capacidade por peso, descarga com tensão constante
Relógios, próteses auditivas
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Curvas de Descarga
Pilhas tamanho AA
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Pilha Leclanché
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Pilha Alcalina
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Pilha de Zinco - Prata
Descarga com resistência constante
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Células de Lítio
Eletrólito sólido: Li-LiI(Al2O3)/PbI2/Pb (1,9V) etc.Catodo sólido: Li-MnO2 (3,0V) , Li-FeS2 (1,5V), Li-CuO (1,5V) etc.Catodo Solúvel: Li-SO2 (3,0V), Li-SOCl2 (3,6V), Li-SO2Cl2 (3,9V) etc.
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Curvas de Descarga
Célula Li-SOCl2 (3,6V), tamanho “D”,
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Curvas de Descarga – Células tipo “Moeda”
Células Li-MnO2 (3,0V), tamanho CR2032
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Capacidade x Corrente x Temperatura
Células Li-MnO2 (3,0V), tamanho CR2032
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Células Secundárias
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Células Secundárias
Tipo Características Aplicações
Chumbo-ácidoBaixo custo, bom desempenho em baixas temperaturas, alta capacidade de descarga
Veículos, “No-Breaks”, energia solar/eólica, barcos
Níquel-CádmioBaixo custo, bom desempenho em baixas temperaturas, longa vida útil
Ferramentas portáteis, equipamentos de comunicação, substituição de pilhas alcalinas
Níquel – Hidreto Metálico
Selada, capacidade maior, menores problemas ecológicos
Idem, veículos elétricos, aparelhos de consumo
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Células Secundárias
Tipo Características Aplicações
Níquel - FerroDurável, longa vida, alta robustez, baixa capacidade específica
Aplicações estacionárias, material ferroviário
Níquel - Hidrogênio Longa vida com descargas profundas
Aeroespaciais, satélites
Níquel – Zinco Alta capacidade específica, longa vida
Veículos elétricos
Lítio - ÍonAlta capacidade específica, longa vida, carga rápida
Equipamentos e ferramentas portáteis, veículos elétricos, aeroespaciais
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Curvas de Descarga
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Efeito da Temperatura
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Vida Útil com Descarga Profunda
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Curvas de Carga
Carga a corrente constante
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Métodos de Carga Recomendados
Tipo Método recomen-dado
Corrente de carga (xC)
Tolerância a sobre-carga
Faixa de tempera-tura
Eficiência (Wh, %)
Li - Ion CC, TC 0,2 Não -20 ~ +50 95
Pb - PbO CC, TC 0,07 Boa -40 ~ +50 75
Ni - Cd CC, TC 0,2 M. boa -50 ~ +40 60
“ selada CC 0,1 ~ 0,3 M. boa 0 ~ 40 60
Ni – Zn CC, TC 0,1 ~ 0,4 Boa -20 ~ +40 70
Ag - Zn CC 0,05 ~ 0,1 Fraca 0 ~ +50 75
Zn – MnO2 TC 0,01 ~ 0,2 Boa +10 ~ +30 60
CC = Corrente ConstanteTC = Tensão Constante
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Célula Chumbo - Ácido
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Curvas de Descarga (Baterias seladas)
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Método de Recarga
• Corrente constante 0,1 x C (carga total em 12 h) (*)• Corrente constante em duas etapas (8 h)• Tensão constante (2,35V) com limitação de corrente (5h)• Carga pulsada (medição de tensão sem carga)• Compensação da auto descarga, a 0,01 x C • Flutuação, tensão constante, ~0,15V acima da tensão em aberto (**)
(*)
(**)
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Célula de Níquel - Cádmio
Descarga para célula tamanho AA (650 mAh)
RC, CC, PC
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Célula de Níquel - Cádmio
Carga de célula Ni-Cd selada
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Métodos de Carga
a) Tensão quase constante (carga com resistor)
a) Controle por tempo
b) Controle por temperatura
c) Controle por queda de tensão (-10 mV)
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Baterias Automotivas Ni - MH
Módulos de 320V, 30 kWh
(~ 10 litros de gasolina)
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Células Secundárias de Lítio
Características particulares:
a)Alta densidade de energia e baixo peso (150 Wh/kg, 400 Wh/litro)
b)Células de alta voltagem (até 4 V)
c)Vida de prateleira longa (5 a 10 anos)
d)Capacidade de corrente moderada
e)Baixo desempenho em temperaturas reduzidas
f)Baixa vida em número de ciclos
g)Perigo de explosão
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Célula de Lítio – Polímero Laminada
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Curvas de Carga – Li-Ion
Carga a corrente constante (1 x C) até 4,2 V (20 oC), depois tensão constante por 2 horas
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Outras Aplicações
Sistema de armazenamento de energia de 48 MWh (170 GJ) usando baterias de sódio / enxofre (alta temperatura)
(NGK, Ohito, Japão)
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Uso de Baterias em Circuitos Eletrônicos
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Baterias (Associações de Células)
Série Série-paralelo Série-paralelo com Diodos de proteção, fusíveis etc.
3 VccB4
3 VccB3
3 VccB2
3 VccB1
+12V
3 VccB4
3 VccB3
3 VccB2
3 VccB1
3 VccB8
3 VccB7
3 VccB6
3 VccB5
+12V
3 VccB4
3 VccB3
3 VccB2
3 VccB1
3 VccB8
3 VccB7
3 VccB6
3 VccB5
+12V
NTC
F2F1
PTC
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Reguladores para uso com baterias
• Situações a serem consideradas:
1- Voltagem final da bateria é maior que a tensão de trabalho da carga
2- Voltagem máxima (inicial e/ou em carga) é menor que a tensão de trabalho da carga
3- Voltagem máxima é maior e tensão final é menor que a tensão de trabalho
4- Carga suporta voltagem máxima e mínima da bateria.
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1 – VBAT > VLOAD
Ex.: Regulador linear LDO (Low Drop-Out)
(corrente constante)
9 VccB1
RLR1464k
R2150k
10u
NR/FB4
GND2
EN3
VIN1
VOUT5
U1
TPS736901
Vin Max = 6 x 1,6 = 9,6V
Vin MIN = 6 x 0,9 = 5,4V
V dropout > 0,1V
Vout = 5,0 Vcc
VFB = 1,224V
Iout < 100 mA
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1 – VBAT > VLOAD
Ex.: Regulador Chaveado (“Buck” ou “Step-Down”)
(potência constante)
L
9 VccB1
10u
10u
RLNR/FB4
OFF 2
ON 1
VIN5
U1
ON
R1
R2
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2 – VBAT < VLOAD
Ex.: Regulador Chaveado (“Step-Up”)
(potência constante)
10u
10u
RL
NR/FB4
SW2
VIN5
U1
MC34063
R1
R2
3 VccB1
L
Vout = 5,0 Vcc
Vin Max = 3,6 V
Vin MIN = 2,8V
D1
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3 – VBAT MIN < VLOAD < VBAT MAX
Ex.: Regulador SEPIC (“Single Ended Primary Inductance Converter”)
COMP1
FB2
EN3
GND4
SW5
VIN 6
FRQ 7
SS8
U6
ADP1612
C1110u
C6
10u
C1010u
1
3
2
4
T1
MSD7342-103
D1
R1810k
R16
16,9k
R1910,0k
R1410k
C933n
C8330p
VDD
D10
10u
3 VccB1
Vin Max = 5,5V
Vin MIN = 2,4VVout = 3,3 Vcc
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3 – VBAT MIN < VLOAD < VBAT MAX
Ex.: Regulador Chaveado Inversor
(bateria não aterrada)
10u
NR/FB
SWVIN
VREF
U1
6 VccB1
L
10u
Vin Max = 4 x 1,6 = 6,4V
Vin MIN = 4 x 0,9 = 3,6V
R1
R2
VCC Vout = 5,0 Vcc
D1
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4 – VBAT MIN > VLOAD MIN e VBAT MAX < VLOAD MAX
–Desempenho do equipamento pode sofrer variação ao longo da vida da bateria–Variação de desempenho indica estado de carga–Equipamento deve prever situação além do fim da vida útil–Casos típicos: relógio, calculadora, circuitos analógicos simples–Considerar tecnologias específicas de baterias com tensão de descarga constante
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Reguladores para uso com baterias
Considerações:
–Corrente quiescente do regulador
–Queda de tensão em diodos
–Proteção por sub-tensão (“Under-Voltage Lockout”) em
baterias secundárias
–Função ON / OFF integrada ao regulador
–Custo x Eficiência
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Baterias de Back-up
3 VccB1
R11k
D1
D2
1u
VCC
XIN1
SDA5
XOUT 2
SCL6
VCC8
NC 3
FO7
GND4
U1
M41T0
X1
32kHz
Ex.: Bateria de Li-MnO2, 170 mAh
Corrente consumida pelo relógio: 5 uA
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Medição de Estado de Carga
Problema: determinar a carga residual em uma bateria
–Voltagem x temperatura
–Contabilidade de Carga entrando / saindo
–Medição de impedância
–Identificação do tipo de bateria
–Identificação de número de células
–Detectar células em curto
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Exemplo de Dispositivo para Medição
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Identificação de Estado de Operação
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Circuito para Controle de Carga
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Circuito para Controle de Carga
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Referências
• David Linden, “Handbook of Batteries” – McGraw-Hill
• Texas Instruments, “Battery Management Solutions”
• Battery University – batteryuniversity.com
• Unipower – Data Sheets