Métodos de teste rápido de baterias

Uma bateria assemelha-se a um organismo vivo que não pode ser medido; apenas estimado por diagnósticos semelhantes aos de um médico que examina um doente. A exatidão dos testes rápidos varia em função dos sintomas. Estes indicadores mudam com o estado de carga (SoC), a agitação após a carga e a descarga, a temperatura e o tempo de armazenamento. Um teste rápido deve ter a capacidade de distinguir entre uma bateria boa que está parcialmente carregada e uma bateria fraca que está totalmente carregada. Ambas as variantes proporcionam tempos de funcionamento semelhantes nas mãos do utilizador, mas têm níveis de desempenho diferentes.

Uma análise de desempenho muito utilizada é a contagem coulombiana, na qual são medidas as energias de entrada e saída. A contagem de Coulomb remonta a 250 anos, quando Charles-Augustin de Coulomb estabeleceu pela primeira vez a "Regra de Coulomb". Elegante no conceito, mas a contagem de Coulomb tem o seu próprio problema, pois perde precisão quando a bateria é carregada e descarregada aleatoriamente. A estimativa do estado de saúde (SoH) por uma solução digital está incompleta sem incluir também a bateria química.

O principal indicador de saúde de uma bateria é capacidade. A capacidade representa o armazenamento de energia, uma qualidade que se desvanece gradual e permanentemente com o uso. Outras caraterísticas responsáveis pelo SoH são a resistência interna que regula a corrente de carga e auto-descarga que examina a integridade mecânica. Todas as três caraterísticas devem ser cumpridas para que uma bateria seja considerada saudável.

A estimativa da capacidade da bateria química em tempo real é mais complexa. Isto envolve algoritmos e matrizes que funcionam como tabelas de pesquisa semelhantes ao reconhecimento de letras ou rostos. Os métodos modernos de teste rápido avançam para a aprendizagem automática avançada na captação dos vários estados de espírito de uma bateria.

Segue-se um resumo dos métodos de teste simples a complexos para examinar as baterias.

Tensão	Revela o SoC. Não é possível estimar a capacidade.
Ensaio óhmico	Mede a resistência interna da bateria para verificar as caraterísticas de carga e identificar condições de falha. As leituras de resistência não estão correlacionadas com a capacidade. O teste óhmico é também conhecido como teste de impedância (Z).
Ciclo completo	Lê a capacidade da bateria química com um ciclo de carga/descarga/carga. Os resultados são exactos, mas uma bateria tem frequentemente de ser retirada de serviço e os tempos de teste demoram horas.
Teste rápido	A maioria dos métodos de teste rápido baseia-se no domínio do tempo ou no domínio da frequência. O domínio do tempo excita a bateria com impulsos para observar o fluxo de iões das baterias de iões de lítio. O domínio da frequência analisa a bateria com várias frequências para gerar um gráfico de Nyquist para análise. Ambos os métodos requerem algoritmos complexos com parâmetros ou matrizes que servem de tabelas de pesquisa.
BMS	Os sistemas de gestão de baterias calculam o SoC através da monitorização da tensão, da corrente e da temperatura. Alguns BMS para iões de lítio também contam coulombs. Um BMS pode identificar um defeito na bateria, mas não é capaz de estimar a capacidade com exatidão.
Contagem de Coulomb	Lê a corrente de entrada e saída. A bateria inteligente armazena os dados no registo de Capacidade de Carga Total (FCC) que pode ser acedido, mas as leituras podem ser imprecisas se a bateria não estiver calibrada. Um ciclo completo corrige o erro de rastreio.
Analisador de pilhas	Um novo método para estimar a capacidade durante o carregamento. Um algoritmo de filtragem patenteado estabelece o SoC exato; a contagem de coulomb estima a capacidade da bateria.

Métodos de teste rápido

Nenhum teste único pode captar todos os indicadores de saúde de uma bateria. Muitos dispositivos de teste rápido analisam apenas a tensão e a resistência interna. Embora a perda de capacidade de uma bateria de NiCd ou NiMH que esteja a desvanecer-se possa estar correlacionada com o aumento da resistência interna, esta relação é menos evidente nas baterias de lítio e de chumbo. Anunciar a estimativa da capacidade com um aparelho de teste que apenas mede a tensão e a resistência interna pode ser enganador. Confunde a indústria, levando-a a acreditar que é possível obter resultados complexos com métodos simplistas. Os instrumentos baseados na resistência identificam, de facto, uma bateria que está a morrer ou morta, mas o utilizador também o faz.

Uma bateria é um dispositivo reativo e o método pelo qual as medições de resistência são efectuadas é importante. Uma medição DC analisa os valores resistivos puros, enquanto a AC inclui componentes reactivos que fornecem informações adicionais. Figura 1 representa a impedância de uma bateria de iões de lítio boa e de uma bateria de iões de lítio desvanecida quando analisada com AC de 0,1Hz a 1kHz. As variações mais fortes na impedância (-Imp -Z) são observadas na escala de baixa frequência, entre 1Hz e 10Hz.

As variações de impedância são mais visíveis abaixo de 10Hz. A escala horizontal é logarítmica para condensar a gama de frequências.
^{Fonte: Cadex Electronics}
É de notar que as leituras resistivas, por si só, não são conclusivas. Não existe um tamanho adequado para todos e as assinaturas variam consoante o tamanho e o tipo de bateria. Os resultados são ainda mais distorcidos pelos níveis de SoC, agitação e temperatura. Os laboratórios da Cadex descobriram ainda diferenças na forma como as baterias são envelhecidas. O que é mais intrigante é por que o envelhecimento natural produz assinaturas diferentes do envelhecimento artificial feito em câmaras ambientais com regimes de teste fixos. Este comportamento semelhante ao humano partilha semelhanças com a longevidade das pessoas que vivem em diferentes regiões do mundo.

A Cadex é pioneira em vários métodos de teste rápido. Estes são Modelo específico de seleção rápida, resposta dinâmica eletroquímica e espetroscopia de impedância eletroquímica (EIS).

Seleção rápida de modelos específicos (QSMS)

A QSMS observa diferenças nos valores resistivos quando avalia uma bateria com métodos DC e AC. Por exemplo, a resistência do ião de lítio numa célula 18650 é de cerca de 110mOhm com medição DC e aproximadamente 36mOhm com um sinal AC de 1.000Hz. A variação entre as duas leituras fornece informações de desempenho quando comparadas com parâmetros específicos da bateria que são armazenados numa tabela de pesquisa.

O algoritmo é relativamente simples e o tempo de teste é curto, mas a logística de criar os parâmetros derivados de baterias boas, marginais e pobres aumenta a complexidade. O QSMS é um dos vários métodos de teste rápido que a Cadex desenvolveu para classificar as baterias de telemóveis em tempo real.

Resposta dinâmica eletroquímica (EDR)

O EDR mede a mobilidade do fluxo de iões entre os eléctrodos, aplicando impulsos de carga e avaliando o tempo de resposta no ataque e na recuperação. Os tempos de recuperação são comparados com parâmetros armazenados relativos ao desempenho da bateria. Figura 2 demonstra uma boa bateria que é firme e tem uma recuperação rápida contra uma bateria fraca que mostra suavidade e tem uma recuperação lenta.

O EDR mede o fluxo de iões entre as placas positivas e negativas. Uma bateria forte recupera rapidamente de um ataque, enquanto uma bateria mais fraca é mais lenta.
^{Patente dos EUA 7.622.929. Fonte: Cadex Electronics}

O coeficiente de difusão do ião de lítio difere de acordo com o material ativo e os aditivos do eletrólito utilizados. O EDR foi desenvolvido pela Cadex para testar rapidamente uma vasta gama de baterias de telemóveis. A tecnologia está agora a ser desenvolvida para testar baterias maiores.

Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS)

O EIS eleva os testes rápidos a um nível de complexidade mais elevado, digitalizando uma bateria com várias frequências para gerar um gráfico de Nyquist. A informação Nyquist é então sobreposta a modelos electroquímicos que permitem a estimativa da capacidade, CCA e SoC de forma não invasiva. O tempo de teste típico é de 15 segundos.

O gráfico de Nyquist tem o nome de Harry Nyquist (1889-1976), um antigo engenheiro dos Laboratórios Bell. Apresenta a resposta em frequência de um sistema linear através da visualização da amplitude e do ângulo de fase num único gráfico, utilizando a frequência como parâmetro. O eixo horizontal x revela a impedância real de Ohm, enquanto o eixo vertical y representa a impedância imaginária. Os cientistas prevêem que o diagnóstico de baterias está a gravitar em torno da tecnologia EIS, combinando resultados de testes com modelação complexa.

Figura 3 ilustra os três domínios do gráfico de Nyquist intitulado migração na extremidade de alta frequência, transferência de carga na gama média, e difusão na escala de baixa frequência.

O semi-círculo de frequência média representa melhor as caraterísticas da bateria. Baterias maiores requerem frequências mais baixas.
^{Fonte: Cadex}

Ao analisar uma bateria de quilohertz a milihertz, o campo de migração revela qualidades resistivas de uma bateria que representa uma visão panorâmica da paisagem. Encontram-se caraterísticas valiosas na gama de frequências médias denominada Transferência de Carga. Este domínio importantíssimo forma um semicírculo que representa a cinética da bateria que fornece referências SoH. A gama baixa, designada por Difusão, inclui informações adicionais relacionadas com a capacidade, mas requer tempos de ensaio longos. O tamanho da bateria orienta a frequência; quanto maior for a bateria em amperes-hora, menor será a frequência aplicada.

Um teste rápido deve durar de alguns segundos a não mais de 5 minutos, mas a aplicação de frequências ultrabaixas prolonga o tempo. Por exemplo, a um milihertz (mHz), um ciclo demora 1.000 segundos, ou 16 minutos, e são necessários vários pontos de dados para completar a análise. As durações dos testes podem muitas vezes ser encurtadas com uma simulação de software inteligente.

A análise de Nyquist é adequada para testar baterias à base de lítio e chumbo. A espetroscopia de impedância eletroquímica multi-modelo, ou Spectro™ da Cadex, é a primeira aplicação baseada em EIS que estima a capacidade da bateria. A capacidade é o principal indicador de saúde; o CCA de uma bateria de arranque refere-se à resistência interna da bateria que é responsável pelo arranque do motor. Numa bateria bem conservada, o CCA mantém-se elevado, enquanto a capacidade diminui gradualmente com a utilização. Um "não arranque" ocorre quando a capacidade desce abaixo de um nível de capacidade necessário para pôr o motor a funcionar. Para evitar surpresas, uma bateria de arranque deve ser substituída quando a capacidade desce para 40 por cento. A vantagem da estimativa de capacidade também se torna clara nesta aplicação.

Analisador de pilhas

O termo "parser" tem sido usado na tecnologia de computadores para descrever o recebimento e a classificação de dados instrucionais. A Cadex utiliza este termo para definir a capacidade da bateria, estabelecendo o SoC exato com um algoritmo proprietário (patente pendente) e contando depois os coulombs que "preenchem" o espaço disponível da bateria. O período de carga deve ser suficientemente longo para obter boas leituras. Os resultados laboratoriais na Cadex mostram uma maior precisão da capacidade com o analisador de baterias do que o que é típico com a contagem de coulomb não calibrada de uma bateria inteligente.

O analisador de baterias utiliza algoritmos avançados de aprendizagem automática, que serão integrados nos carregadores de baterias modernos para proporcionar um controlo de qualidade das baterias. Esta integração promoverá o carregador num sistema de supervisão sem logística adicional e com um custo suplementar reduzido. Os carregadores de baterias de diagnóstico tornam o desempenho das baterias transparente, eliminando a síndrome da "caixa negra", um problema que tem assombrado os utilizadores de baterias durante séculos.

Resumo

Nenhum teste rápido pode avaliar todos os sintomas da bateria. Haverá sempre valores anómalos que desafiam os protocolos de teste. As previsões corretas para baterias em serviço devem ser de 9 em 10. Os valores anómalos podem incluir baterias novas e que não foram totalmente formatadas, ou baterias que estiveram armazenadas. O SoC baixo também causa erros.

A capacidade é o guardião da saúde da bateria que se relaciona com o tempo de funcionamento e prevê o fim da vida útil. O termo capacidade é mal compreendido. Normalmente, uma bateria é substituída quando a capacidade desce para 80 por cento. Ao escolher os limiares de fim de vida útil, uma organização deve garantir que a bateria com o desempenho mais baixo pode executar a tarefa atribuída. A revelação da estimativa da capacidade através de testes rápidos ou num carregador irá mudar a forma como as baterias são mantidas. Estes avanços acabarão por dar início a uma revolução industrial nas baterias.