Como Medir a Resistência Interna das Baterias: Métodos e Implicações | PT
A resistência interna fornece informações valiosas sobre a saúde de uma bateria, especialmente quando uma leitura alta indica o final da vida útil, principalmente em sistemas à base de níquel. No entanto, é importante notar que a medição da resistência não é o único indicador de desempenho. No caso das baterias de chumbo-ácido, pode haver variações de 5 a 10% entre lotes, especialmente em unidades estacionárias. Devido a essa ampla tolerância, o método de resistência funciona melhor ao comparar as leituras de uma bateria específica desde o início até sua aposentadoria. As equipes de serviço são solicitadas a tirar uma foto de cada célula ou bloco no momento da instalação e, em seguida, medir as sutis mudanças à medida que as células envelhecem.
Existe uma noção equivocada de que a resistência interna está relacionada à capacidade, mas isso é falso. A resistência das baterias modernas de chumbo-ácido e íon de lítio permanece estável na maior parte da vida útil. Aditivos melhores no eletrólito reduziram os problemas de corrosão interna que afetam a resistência. Essa corrosão também é conhecida como reações parasitas no eletrólito e nos eletrodos.
A resistência não revela o estado de saúde de uma bateria e muitas vezes permanece estável com o uso e o envelhecimento.
Métodos de Medição da Resistência Interna
Teste de Ciclo em Baterias de Íon de Lítio a 1C:
- Carregamento: 1.500mA para 4,2V, 25°C
- Descarregamento: 1.500mA para 2,75V, 25°C
O Que é Impedância?
Antes de explorar os diferentes métodos de medição da resistência interna de uma bateria, vamos examinar o que significa resistência elétrica e entender a diferença entre resistência pura (R) e impedância (Z). R é resistência pura e Z inclui elementos reativos como bobinas e capacitores. Ambas as leituras são obtidas em ohms (Ω), uma medida que remonta ao físico alemão Georg Simon Ohm, que viveu de 1798 a 1854.
A resistência elétrica de uma carga pura, como um elemento de aquecimento, não tem reatância. Tensão e corrente fluem em uníssono e não há fase avançada ou retardada. A resistência ohmica é a mesma com corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA). O fator de potência (fp) é 1, fornecendo a medição mais precisa da potência consumida.
A maioria das cargas elétricas é reativa e consiste em reatância capacitiva (condensador) e reatância indutiva (bobina). A reatância capacitiva diminui com maior frequência, enquanto a reatância indutiva aumenta. Uma analogia da reatância indutiva é um amortecedor de óleo que endurece ao aplicar uma ação rápida de ida e volta.
Uma bateria possui resistência, capacitância e indutância, e o termo impedância inclui os três em um modelo. A impedância pode ser melhor ilustrada com o modelo de Randles, que compreende resistores R1 e R2, bem como o capacitor C. A reatância indutiva é comumente omitida porque desempenha um papel negligenciável em uma bateria, especialmente em baixa frequência.
A resistência total da bateria consiste em resistência ohmica, bem como reatância indutiva e capacitiva. O diagrama e os valores elétricos diferem para cada bateria.
- R1 = Resistência interna; R2 = Transferência de carga
- C1 = Capacitor de dupla camada
Métodos de Medição da Resistência Interna
Método de Carga CC
A medição ohmica é um dos métodos mais antigos e confiáveis. A bateria recebe uma descarga breve por um segundo ou mais. A corrente de carga para uma pequena bateria é de 1A ou menos; para uma bateria de partida, pode ser de 50A ou mais. Um voltímetro mede a tensão em circuito aberto (OCV) sem carga, seguido pela segunda leitura com carga; a Lei de Ohm calcula o valor da resistência (diferença de tensão dividida pela corrente igual à resistência).
As medições de carga CC funcionam bem para verificar grandes baterias estacionárias, e as leituras ohmicas do dispositivo são muito precisas e repetíveis. Instrumentos de teste de ponta afirmam leituras de resistência na faixa de 10 micro-ohms. Muitas oficinas usam a pilha de carbono para medir baterias de partida, e um mecânico experiente obtém uma avaliação razoavelmente boa da bateria.
O método de carga CC tem limitações, pois mistura R1 e R2 do modelo de Randles em um resistor combinado e ignora o capacitor. "C" é um componente importante de uma bateria que representa 1,5 farads por capacidade de 100Ah. Essencialmente, o método de CC vê a bateria como um resistor e só pode fornecer referências ohmicas. Além disso, o método de carga CC obtém leituras semelhantes de uma boa bateria parcialmente carregada e de uma bateria marginal totalmente carregada. Estimativas de estado de carga e capacidade não são possíveis.
O método de carga CC de dois níveis oferece um método alternativo aplicando duas descargas sequenciais de correntes e durações diferentes. A bateria descarrega primeiro a uma corrente baixa por 10 segundos, seguida por uma corrente mais alta por 3 segundos; a Lei de Ohm calcula os valores de resistência. Avaliar a assinatura de tensão nas duas condições de carga oferece informações adicionais sobre a bateria, mas os valores são estritamente resistivos e não revelam estimativas de estado de carga ou capacidade. O teste de carga é o método preferido para baterias que alimentam cargas CC.
O método de carga CC de dois níveis segue as normas IEC 61951-1:2005 e fornece condições de teste realistas para muitas aplicações de baterias CC.
Condutância CA
A medição de condutância para avaliar baterias de partida foi relatada pela primeira vez por Keith Champlin em 1975, demonstrando uma correlação linear entre o teste de carga e a condutância. Ao injetar uma frequência de cerca de 90 hertz, a reatância capacitiva e indutiva convergem com uma bateria de chumbo-ácido de 70–90Ah, resultando em um atraso de tensão negligenciável que minimiza a reatância. (Essa frequência aumenta com uma bateria menor e diminui com um pacote grande.) Os medidores de condutância CA são comumente usados em oficinas de automóveis para medir a CCA. O método de teste de ohm a 1000 Hz é outro método comum. Um sinal de 1.000 Hz excita a bateria e a Lei de Ohm calcula a resistência. Note que o método CA mostra valores diferentes do método CC ao medir uma resistência reativa, e ambas as leituras estão corretas.
Por exemplo, o íon de lítio em uma célula 18650 produz cerca de 36mOhm com um sinal CA de 1.000Hz e aproximadamente 110mOhm com uma carga CC. Como ambas as leituras são válidas, mas bastante diferentes, o usuário deve considerar a aplicação. O método de carga de pulso CC fornece leituras valiosas para uma aplicação CC, como um elemento de aquecimento ou uma lâmpada incandescente, enquanto o método de 1.000 Hz reflete melhor os requisitos de desempenho de uma carga digital, como computação portátil e telefones móveis que dependem em grande parte das características capacitivas de uma bateria.
O método de 1.000 Hz fornece leituras de resistência reativa. Esta tem sido a método preferido para capturar instantâneos de impedância de baterias que alimentam dispositivos digitais.
Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS)
Laboratórios de pesquisa utilizam a EIS há muitos anos para avaliar características de baterias. Altos custos de equipamento, tempos de teste demorados e a necessidade de profissionais treinados para interpretar grande volume de dados limitaram essa tecnologia a ambientes de laboratório. A EIS lê os valores de R1, R2 e C no modelo de Randles; no entanto, correlacionar os dados em estimativas de CCA e capacidade requer modelagem complexa.
R1, R2 e C são medidos separadamente, possibilitando medições do estado de carga e da capacidade.
Conclusão
A escolha do método apropriado para medir a resistência interna depende do tipo de bateria e da aplicação prevista. Embora métodos tradicionais, como o método de carga CC, permaneçam confiáveis, técnicas mais recentes, como a EIS, oferecem uma visão mais detalhada, embora a um custo mais elevado.
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