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Guido Stolfi 1 / 87

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

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

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

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

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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Guido Stolfi 65 / 87

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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Guido Stolfi 66 / 87

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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Guido Stolfi 67 / 87

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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Guido Stolfi 68 / 87

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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Guido Stolfi 69 / 87

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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Guido Stolfi 73 / 87

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


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