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Quais são os diferentes métodos para estimar o estado de carga das baterias?

Ao terminar um relatório em seu laptop tarde da noite, você recebe um alerta de que sua bateria é baixa e que você deve ligar o seu carregador polegadas “Apenas alguns minutos mais”, você pensa e continuar com o seu trabalho. De repente, você recebe a mensagem odiada de que a bateria do seu sistema está criticamente baixa e, se você não conectá-lo a um carregador, o computador será desligado.

É só então que você freneticamente olhar para o adaptador de carregamento e esperamos proteger o seu trabalho não salvos de uma catástrofe digital.

Há tantas coisas que nossos laptops e smartphones podem fazer que muitas vezes levá-los para concedido. Entre muitas outras coisas, quase todos os dispositivos eletrônicos modernos manter abas em suas baterias e dizer-lhe, em valores percentuais absolutos, quanto carga é deixada ou quanto tempo eles podem ser usados ​​antes que eles vão precisar de uma recarga.

Você já se perguntou como os dispositivos eletrônicos modernos fazem isso?

Como os smartphones e os laptops calculam a quantidade de carga restante em suas baterias?

Resposta curta: Determinar com precisão a quantidade de carga deixada em uma bateria não é uma tarefa fácil, mas existem alguns métodos que podem ser usados, incluindo estimativa baseada em tensão, estimativa baseada em corrente (Coulomb Counting) e estimativa de medições de impedância interna . Todos estes métodos dependem da medição de um parâmetro conveniente que muda à medida que a bateria é carregada / descarregada.

(Crédito da foto: Bloomua / Shutterstock)

No entanto, todos estes métodos têm suas próprias deficiências, e, portanto, não pode ser invocado para fornecer 100% leituras precisas da “carga restante” na bateria. Além disso, alguns destes métodos são específicos para certas químicas de células.

Antes de aprender sobre alguns desses métodos em detalhes, é importante primeiro decifrar um termo que vai aparecer ao longo deste artigo com consistência notável.

O que é “Estado de carga”?

Estado de carga, como o nome indica, diz-lhe o estado de uma bateria, e mais especificamente, a carga restante em uma bateria, em um determinado momento. Comumente abreviado como SOC, é o equivalente de um indicador de combustível para a bateria em um veículo elétrico ou veículo híbrido.

Outro termo intimamente relacionado ao SOC é a Profundidade de Descarga (DOD). Na verdade, é apenas o inverso do SOC, ou seja, é um método alternativo para indicar o quanto de carga de uma bateria tem sido utilizado.

Uma bateria detém carga, e queremos medir o quanto ele detém em um dado instante. Em outras palavras, queremos determinar seu Estado de Encargos. Isso pode ser conseguido através de alguns métodos. Vamos falar sobre alguns deles.

Determinação do estado de carga medindo a tensão

O SOC de uma bateria é muitas vezes medido pela sua tensão, como o processo é simples e produz resultados bastante precisos. Ele basicamente converte uma leitura da tensão da bateria para SOC e exibe-a para o usuário.

Vamos tentar entender esse processo com a ajuda de uma analogia. Uma bateria é como um tanque de água com uma torneira em sua base. Você não tem nenhuma maneira de olhar para o tanque, então você não pode saber quanta água que contém em um determinado instante. Como você vai determinar quanto água é deixada no tanque?

Uma maneira de estimar a quantidade de água deixada é olhar para a pressão da água que sai da torneira. Se a água sair rápido, significa que está sob muita pressão, o que significa que o tanque está cheio. Por outro lado, se o fluxo de água para fora da torneira é muito lento, você sabe que o tanque está quase vazio

O mesmo acontece com as baterias. Uma bateria de iões de lítio com uma tensão de 3,5 V pode ser de 3,6 V quando cheia e de 3,3 V quando estiver quase vazia (ou seja, 92-98% da sua capacidade total). Note que uma bateria Li-ion pode ser descarregada para 3V e inferior, mas a bateria mostra 0% ou “totalmente descarregada” em 3.3V para garantir a capacidade útil máxima da bateria. A descarga da bateria abaixo desta tensão de corte pode causar sérios danos à bateria.

Um dispositivo irá tomar esta tensão e, consequentemente, estimar quanto carga é deixada na bateria, que é mostrado ao usuário na tela.

Problemas com a estimativa de SOC por tensão

Embora o processo seja simples, não pode ser confiado para fornecer 100% resultados exatos, porque determinados fatores como a temperatura ambiente, taxa de descarga, materiais de pilha e idade da bateria afetam a tensão. As curvas de tensão na maioria das baterias seguem uma curva não linear contra o estado de carga.

A menos que você esteja nos extremos da curva de carga ou descarga, a tensão realmente não muda muito – isso significa que é muito difícil saber a diferença entre uma bateria carregada a 60% e uma bateria carregada a 40%.

Além disso, há o problema de histerese, o que significa que a bateria mantém descarregando-se mesmo depois que ele é parado para descarregar. Para evitar este problema, uma bateria deve ser “relaxada” completamente por algumas horas para que a medição de tensão funcione com precisão. ( Fonte )

Determinando o estado de carga usando a corrente (Contador Coulomb)

Outro método de estimar o SOC é medir a entrada atual (quando está sendo carregada) e sair (quando está sendo descarregada) as células e integrando isso ao longo do tempo. Em palavras simples, você pode calcular quanto carga é deixada na bateria, calculando a quantidade de carga já foi usado. Esta técnica de determinação do SOC é apropriadamente chamada de ‘contagem de Coulomb’, uma vez que conta a carga que entra / sai das células.

Alguns dispositivos eletrônicos podem ter um minúsculo dispositivo instalado neles conhecido como um contador coulomb , que mede a corrente consumida pelo dispositivo host, soma-lo ao longo do tempo e, em seguida, compara-lo com a capacidade da bateria programada para fornecer uma estimativa de quanto carga é Esquerda na bateria.

Embora forneça mais precisão do que a maioria dos outros métodos de estimação SOC, uma vez que mede o fluxo de corrente diretamente, ele tem seu próprio conjunto de limitações, ou seja, que não considera a eficiência da bateria. Além disso, é muito difícil (e caro) fazer medições precisas atual ( Fonte ).

Estimativa SOC a partir de medidas de Gravidade Específica (SG)

Este é um método muito comumente empregado para estimar o SOC de baterias de chumbo-ácido.

Uma bateria de chumbo-ácido

Envolve o uso de um sensor que mede as mudanças no peso dos produtos químicos ativos presentes na bateria como ele descarrega. À medida que a carga armazenada na bateria é utilizada, a concentração de ácido sulfúrico (um electrólito activo na bateria) diminui, o que reduz proporcionalmente a gravidade específica da solução.

Embora os hidrômetros tenham sido tradicionalmente usados ​​para fazer medições de gravidade específica (SG), as baterias de chumbo-ácido modernas consistem de sensores eletrônicos que fornecem medições de SG em tempo real e rendem valores de SOC bastante precisos. No entanto, este método é bastante exclusivo para as baterias de chumbo-ácido e não pode ser usado com outras químicas de células.

Um hidrómetro. Ele pode ser usado para medir a carga de uma bateria de chumbo-ácido. (Crédito da imagem: Butch / Wikimedia Commons)

Estimativa SOC medindo a impedância interna

Os produtos químicos ativos dentro de uma célula mudam sua composição enquanto convertem de uma forma para outra durante carregar / descarregar a bateria. Portanto, medindo a impedância interna (a oposição que um circuito apresenta a uma corrente quando a tensão é aplicada) da célula, seu SOC pode ser determinado.

No entanto, esta técnica não é uma escolha popular: em primeiro lugar, a impedância de uma célula é dependente da temperatura; E segundo, é difícil medir a impedância de uma célula enquanto ela ainda está ativa.

Existem alguns outros métodos que podem ser usados ​​para determinar o estado de carga de uma bateria, mas nenhum deles é perfeito, e cada um oferece um conjunto único de problemas.

Assim, ele deve sempre ser considerado que os métodos de determinação do SOC podem fornecer apenas uma estimativa do estado de carga de uma bateria, e não um valor 100% exato. Em outras palavras … mantenha seu carregador à mão!

Referências:

  1. Estado – Wikipédia , a enciclopédia livre
  2. BatteryUniversity
  3. Aproximação do Estado de Carga da Bateria para Colheita de Energia Sistemas IncorporadosCiteSeerX (Penn State University)
  4. Implementação de um algoritmo de contagem Coulomb para estimativa SOC de Bateria Li-Ion para Aplicações Multimídia – Academia.edu
  5. Estado da Problema de Estimativa de Carga – A Universidade do Texas em Dallas
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Gilvan Alves

23 Anos de idade, Técnico em Rede de Computadores, Sempre em busca de aprender algo novo todos os Dias!

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