Second Life 18650

 O aumento da produção de aparelhos eletrônicos e o crescimento no mercado de veículos elétricos são fatores que colaboram para o aumento da demanda por baterias de lítio e, consequentemente, faz com que surjam preocupações relacionadas a grande quantidade de resíduos que esse material pode gerar no futuro. É fundamental que existam inciativas com intuito de reduzir o impacto causado pelo descarte de baterias de lítio, através de políticas para um descarte adequado, reciclagem dos materiais das baterias descartadas e, se possível, reutiliza-las. As políticas de descarte adequado são fundamentais para que possa ocorrer o processo de reciclagem e de reaproveitamento de material na produção de novas baterias. Porém, apesar de sua importância, a reciclagem é um processo que idealmente dever ser feito com as baterias que não possuírem mais vida útil. A segunda vida para baterias de lítio é o conceito estudado no projeto Relife, que têm por objetivo testar e analisar o desempenho de células de baterias de lítio descartadas, modelo 18650, para produção de módulos de bateria que serão utilizados em projetos internos da Facens. Sendo assim, este documento contém conceitos teóricos a respeito do funcionamento de baterias e a descrição dos métodos e equipamentos utilizados para realização do projeto Relife. Palavras-chave: Baterias. Baterias de íons de lítio. Baterias descartadas. Células descartadas. Células 18650. Módulo de baterias. Reutilização de baterias. Segunda vida para baterias. Vida útil de baterias.

A invenção da bateria de íons de Lítio foi um passo importante para a tecnologia, principalmente para o desenvolvimento de veículos elétricos, marco tal que foi recompensado em 2019, entregando aos seus criadores o Prêmio Nobel de Química. Porém, apesar de trazer várias funcionalidades, a bateria de íons de lítio também trouxe algumas preocupações, uma das principais é relacionada ao descarte e a reciclagem desse tipo de bateria, visto que o Lítio pode se tornar perigo se não tratado de maneira adequada. Atualmente, grande parte das baterias descartadas acaba em aterros, sem passar por qualquer tipo de reciclagem. Esse problema vem se tornando cada vez mais frequente, devido ao aumento constante do uso de aparelhos que utilizam esse tipo de bateria. "Por ser um metal alcalino, o lítio puro é altamente inflamável e explosivo quando exposto ao ar e à água. Além disso, para o contato direto com o metal, deve haver o uso de EPIs por se tratar de um material corrosivo e ligeiramente tóxico."(ANTUNES, 2013) Pensando neste contexto, pode-se perceber a importância de buscar métodos de descarte adequado e de encontrar maneiras de diminuir o número de baterias descartadas. Uma solução para os problemas citados é analisar as baterias que foram descartadas, dar um segundo uso aquelas que possuem alguma vida útil e realizar técnicas adequadas de descarte e reciclagem aquelas que não puderem ser reutilizadas. O projeto Relife consiste em oferecer uma segunda utilização (Second Life) a células de íons de lítio 18650 que foram descartadas, mas que ainda possuem vida útil. O método aplicado para fazer o Second Life das células descartadas é realizar seleções, testes e analises das células, com o intuito de obter, ao final dessas etapas, células com um bom valor de estado de saúde (SoH) e que possam atender as necessidades do projeto em que serão aplicadas. As células obtidas após as etapas de seleções, testes e análises, passarão por um cell matching, onde elas serão testadas, em grupos de 10 células, junto ao um BMS 10s para verificar qual a melhor maneira de formar os conjuntos de células pertencentes a cada módulo desenvolvido com o projeto. Ao final do projeto, serão desenvolvidos cinco módulos de bateria que serão utilizados como fonte de energia para o veículo autoguiado (AGV) que está sendo desenvolvido na Facens. No capítulo 1 deste documento, há uma breve descrição do projeto, bem como as principais motivações e problemas abordados. No capítulo 2, há uma revisão teórica, a qual contêm os principais conceitos teóricos utilizados para o estudo e desenvolvimento do projeto Relife. No capítulo 3, é encontrado um tutorial do software utilizado para a aquisição dos dados dos testes de ciclagem realizados, o software iDCLT View. Por fim, no capítulo 4 é apresentado um descritivo das etapas de desenvolvimento do projeto

A busca por uma bateria que pudesse fornecer maior energia e capacidade alavancou em meados do século XX uma série de estudos tendo como principal alvo o Lítio, devido suas propriedades. "[...] o lítio tornou-se um alvo importante. Isso porque esse metal apresenta excelentes propriedades para aplicação como um dos eletrodos de bateria: é o mais leve dos metais [...] e seu potencial de eletrodo padrão é bastante negativo [...], o que o tornou atraente para ser empregado como anodo em baterias com altos valores de potencial de célula e energia específica. Entretanto, o lítio metálico é muito reativo, não podendo estar em contato com a água ou com o ar. Consequentemente, eletrólitos não aquosos tiveram que ser desenvolvidos."(BOCCHI; BIAGGIO; ROCHA-FILHO, 2019) As baterias de lítio são muito utilizadas como fonte de energia para eletrônicos e, segundo Heeger et al. (2017, p. 9), vem ganhando espaço por possuírem maior densidade de energia, melhor capacidade de ciclo de vida, menor taxa de auto descarga e maior capacidade de descarga de corrente. Figura 1 – Estrutura básica de uma célula 1Disponível em: https://thm-monocle-interactive.s3.amazonaws.com/. Acesso em: 10 ago. 2021 O formato das células de íons de lítio podem variar de acordo com o modelo da bateria. No caso das células 18650, o formato é semelhante ao de uma pilha, com dimensões de 18 mm de diâmetro e 65 mm de comprimento.

Segundo Silva (2020), as baterias utilizam reações eletroquímicas para realizar a transformação da energia química armazenada em energia elétrica. Os elementos internos da bateria, responsáveis por gerar energia química, são o eletrólito, um separador e dois eletrodos, um eletrodo positivo e um negativo. Esses elementos são enroladas em formato cilíndrico em torno de um núcleo central de aço, o que faz a célula ser mais compacta e possuir menor volume. 2.1 Funcionamento interno O eletrólito é responsável por fazer o transporte da corrente, o eletrodo o negativo é chamado de anodo e o positivo é chamado de catodo e o separador é responsável por evitar um curtocircuito entre o catodo e o anodo. Durante a carga e a descarga, o separador permite a passagem de íons de lítio através dele e bloqueia a passagem de elétrons, fazendo com que os elétrons façam seu percurso através de um meio externo. Portanto, os quatro componentes a seguir são o mínimo necessário para o funcionamento de uma bateria de íons de lítio: (1) Eletrodo positivo, (2) Eletrodo negativo, (3) Eletrólito e (4) Separador. Durante o carregamento da bateria, em seu interior, ocorrerá uma movimentação dos íons e dos elétrons, de modo que eles irão se desprender do eletrodo positivo e migrar para o eletrodo negativo. Porém, os íons de lítio se movimentam por meio do eletrólito e os elétrons migram até o eletrodo negativo por meio da fonte de alimentação externa. A descarga ocorre de forma similar, porém no sentido oposto, ou seja, os íons e os elétrons migram do eletrodo negativo para o eletrodo positivo. Figura 2 – Funcionamento interno: carga e descarga 2Fonte: autoria própria. O movimento dos íons é causado pela diferença de potencial (diferença de energia) entre os eletrodos positivos e negativos. O contato entre o eletrodo positivo e o negativo pode causar danos irreparáveis a bateria, por isso, para evitar o contato entre os dois eletrodos, usa-se o separador, instalado entre o eletrodo positivo e o eletrodo negativo. 6 Na prática, o eletrólito é quem permite que os íons de lítio passem, através de imersão no separador, para assegurar o movimento dos íons. Portanto, o separador permite que os íons de lítio se movam dentro da célula durante a carga e a descarga. 2.1.1 Mecanismo de degradação A degradação das baterias de íons de lítio ocorre principalmente em função da redução da capacidade e do aumento da resistência interna. A capacidade é a quantidade de eletricidade armazenada na bateria e esse valor é equivalente a quantidade de íons de lítio existentes. Portanto, quando a quantidade de íons de lítio que pode ser utilizada diminui, a capacidade também diminui, causando a degradação da capacidade. Os tipos de degradação que causam a degradação da capacidade incluem: • Degradação cíclica: relacionada a ciclagem da bateria, ou seja, por repetidas cargas e descargas. • Degradação por flutuação: causada pelo uso de uma tensão de flutuação fora do limite determinado pelo fabricante. • Degradação negligenciada: causada por deixar a bateria sem vigilância, sem os cuidados necessários. • Degradação relacionada a idade: relacionada a degradação dos componentes químicos da bateria, pode ocorrer devido a vários fatores, mesmo sem o uso da bateria. Independentemente das condições de uso da bateria, o motivo por trás da degradação da capacidade é o mesmo: a grafite, utilizada como material do eletrodo negativo, reage com o eletrólito (especialmente o carbonato de etileno solvente eficaz (EC)), causando o SEI (Solid electrolyte Interphase), uma camada protetora formada na superfície do eletrodo negativo da bateria de íons de lítio. A degradação da bateria é um fator difícil de ser evitado, visto que é causada por reações laterais (reações indesejáveis), derivadas das reações químicas que ocorrem durante as cargas e descargas da bateria. Entretanto, a taxa de reação da equação de Arrhenius é dependente de reações químicas. Portanto, é possível suprimir a degradação da capacidade evitando o armazenamento a altas temperaturas. A resistência interna é resultado da degradação da bateria. Portanto, o valor da resistência interna não é fixo e tende a aumentar com o aumento do nível de degradação. A resistência interna é um fator importante para o desempenho da bateria e auxilia na indicação da quantidade de vida útil que a bateria possui. Através da figura a seguir é possível observar que existem diferentes tipos de resistência interna, tais como: resistência à difusão, resistência à transferência de cargas, resistência à transferência de íons e resistência ao chumbo. 7 Figura 3 – Diagrama simplificado de resistência interna 3Fonte: https://kenkou888.com/category18/rekka.html. Acesso em: 10 ago. 2021. O mecanismo (causa) da degradação da resistência interna, deve-se ao fato de várias reações se tornarem mais lentas. Além do crescimento do SEI, que foi explicado no mecanismo de degradação da capacidade, existe uma causa para que cada reação se torne mais lenta e a principal causa da degradação da resistência interna é a carga e descarga repetidas ou a expansão e contração do eletrodo, devido à ciclagem. Os íons de lítio entram e saem do material catódico e do material anódico (intercalação) durante a carga e descarga, o que provoca a expansão e contração do próprio material ativo. Quando isto acontece, o próprio material ativo se expande e se contrai. Materiais de eletrodos, como material catódico e material anódico, são basicamente ligados à folha de base por aglutinantes, mas à medida que o material do eletrodo se expande e se contrai, essas ligações tornam-se mais fracas. Portanto, todos os tipos de ligações entre material ativo e material ativo, e entre material ativo e material base são enfraquecidos, e a reação torna-se mais lenta, o que leva à deterioração da resistência interna. 2.1.2 Capacidade Segundo Michelini (2020, p. 20), a capacidade pode ser definida como a corrente que se pode tirar de uma bateria num determinado período de tempo, geralmente o valor é dado em ampèrehora [Ah]. A capacidade de uma bateria é especificada pelo seu fabricante, porém com o passar do tempo e com o uso esse valor nominal tende a diminuir. 8 Diminuir a capacidade significa dizer que a capacidade de armazenamento de energia está menor, o que faz com que o desempenho da bateria também diminua. A seguir podemos observar uma equação simplificada para cálculo da capacidade. Capacidade [Ah] = Corrente [A] · T empo [h] (1) O cálculo aproximado da capacidade restante da bateria, pode ser aplicado através a equação matemática relacionada a área da forma geométrica gerada com o gráfico da corrente em relação ao tempo de descarga da bateria, conforme pode ser observado na Figura 4. Figura 4 – Capacidade restante 4Fonte: autoria própria. Vale lembrar que, segundo Heeger et al. (2017, p. 11), as baterias de íons de lítio têm um perfil de descarga muito mais plano do que outras baterias, pois enquanto a capacidade diminui, a tensão também diminui, porém em menor quantidade. Além disso, a tensão de uma célula é uma função da quantidade de carga na bateria devido a perdas ôhmicas de polarização. Portanto, não se deve utilizar somente a tensão como um indicador para medir a capacidade de uma bateria de íons de lítio, pois isso resultaria em medições imprecisas. 2.1.3 Profundidade de descarga Também conhecido como DOD (Depth of Discharge), esse parâmetro se refere a quantidade de carga que pode ser consumida de uma bateria num ciclo normal de funcionamento. Baterias não devem ser descarregadas totalmente, existe um valor limite para a descarga. Para baterias de íons de lítio do modelo 18650, geralmente, a tensão limite é de 2.8 V, o que representa uma profundidade de descarga de cerca de 30% (PD = 0.3). 9 2.2 Métodos para estimar vida útil Estimar a vida útil de uma bateria é um ponto crucial na realização do processo de Second Life, pois esse dado indica se a bateria poderá ou não ser reutilizada. Existem diversos métodos para estimar a vida útil de uma bateria, abaixo veremos alguns exemplos. 2.2.1 Estado de carga (SOC) O estado de carga estima a quantidade atual de energia na bateria, funcionando de maneira similar a um medidor de combustível, presente em veículos que utilizam gasolina. A equação que reflete esse parâmetro, de forma simplificada, é dada pela relação entre capacidade que resta na bateria e a capacidade total no instante da medição (t0) da bateria. SOC [%] = Capacidade restante [Ah] Capacidade total[Ah] · 100 (2) Esse parâmetro reflete a performance da bateria e é um fator importante para protege-la contra descarga excessiva, porém estima-ló não é tão simples, há muitos fatores que podem influenciar na estimação do SOC. Devido a isso, existem várias técnicas de estimar o SoC, onde cada uma pode ser adequada a um cenário. • Coulomb counting: é um método que consiste em fazer a leitura constante da corrente e integra-lá ao longo do tempo, a equação emprega nesse método leva em consideração o SOC inicial (SOC0), a capacidade nominal (Cr), a corrente da bateria (Ib) e a corrente consumida (Ic). SOC = SOC0 − R t 0 Ib dt Cr (3) As desvantagens de utilizar esse método são a necessidade de ter que conhecer o SOC do estado inicial (t0), antes da contagem das cargas, o acumulo de erro causado por leituras com ruídos e a necessidade de um longo período de monitorização. 2.2.2 Estado de saúde (SOH) O estado de saúde de uma bateria determina, em porcentagem, o estado atual da bateria com relação a sua condição nominal. O SOH é um importante indicador do desempenho atual da bateria, pois conforme a bateria é usada sua capacidade de armazenar energia tende a diminuir, o que faz com que seu desempenho também diminua. Portanto, esse parâmetro é usado para 10 determinar o quanto de vida útil resta na bateria e o momento em que será necessário substituila. O SOH pode ser calculado a partir da relação entre a capacidade atual da bateria e sua capacidade nominal. SOH [%] = Capacidade atual [Ah] Capacidade nominal [Ah] · 100 (4) 2.3 Balanceamento celular (Cell Matching) Baterias como as utilizadas para aplicações em veículos elétricos (EV), são compostas de grandes combinações de células para atingir os requisitos necessários para o bom funcionamento da aplicação. Porém, quanto mais células forem utilizadas na formação da bateria, maior deve ser o cuidado para manter as células em equilíbrio, pois caso isso não ocorra, maiores serão as possibilidades de falhas, colocando em risco a segurança e a confiabilidade da bateria. As células de bateria não são fabricadas iguais, devido a diversos fatores como as tolerâncias de produção, distribuição desigual de temperatura e diferenças nas características de envelhecimento de cada célula. Porém, para o desenvolvimento de um módulo de bateria, é necessário uma seleção das células por semelhança de tensão, corrente e resistência interna, de forma que garanta o equilíbrio entre as células utilizadas. Durante o carregamento, uma vez que uma célula degradada, ou seja, uma célula com a capacidade menor do que as demais células do módulo, tenha atingido sua carga total, ela ficará sujeita a uma sobrecarga até que o resto das células do módulo atinjam sua carga total. O resultado dessa falha é o aumento da temperatura, que causará possíveis danos à célula e à bateria. Existem duas formas de balanceamento celular, o balanceamento passivo e o balanceamento ativo. • Balanceamento passivo: método que consiste em utilizar um resistor para realizar uma descarga parcial, conforme o nível de tensão da célula e conforme os parâmetros adotados no BMS. • Balanceamento ativo: método que consistem em armazenar a tensão da célula com maior tensão e transferi-lá para a célula com menor tensão. É um método mais demorado, porém mais recomendado do que o método passivo. 2.4 Sistema de Gerenciamento de Baterias (BMS) O principal objetivo do BMS é proteger as células de operar em condições inseguras. Além disso, o BMS também pode ser usado para relatar o status atual da bateria, para o usuário ou dispositivo alimentado, enquanto monitora quaisquer anomalias presentes. Um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) inclui: • Circuito de proteção primária - Característica crítica do BMS; 11 - Protege contra condições inseguras como, por exemplo, sobrecarga de corrente, sobretensão/subtensão e sobretemperatura/subtemperatura; - Realizando por meio de IC de monitoramento analógico que pode monitorar temperaturas, correntes e níveis de tensão de células. • Circuito de proteção secundária - Proteção principalmente de sobretensão, pode ser adicionado para sobrecorrente e sobretemperatura; - Normalmente feito por meio de fusível químico, irá desativar permanentemente a bateria. • Medidor de carga - IC de monitoramento digital que pode fornecer feedback sobre a capacidade da bateria; - Três técnicas comuns para determinar a capacidade restante das células,incluem: sensor de tensão, contagem de Coulomb, medidor de impedância. • Balanceamento celular - O desequilíbrio da célula pode encurtar a vida útil da bateria; - Causado por consumos de correntes não uniformes, carregamento de calor desigual, combinação inadequada de células; - O circuito de balanceamento de células tenta equalizar a carga da célula para manter todas as células conectadas em série no mesmo nível. As placas BMS permitem que um carregador simples seja usado para carregar um módulo de baterias. A placa BMS situa-se entre o carregador simples e as células da bateria e regula as células, permitindo que a tensão do módulo de baterias, fornecida pelo carregador simples, chegue as células de maneira adequada. Figura 5 – Pack de bateria com BMS 5Figura adaptada de https://diswesolar.net. De forma geral, a placa BMS faz o trabalho de um carregador de balanceamento, mas em vez de residir no carregador, geralmente é instalada no interior da bateria, sob a forma de uma 5 Link completo da figura: https://diswesolar.net/wp-content/uploads/2021/02/12V-16-8V-25-2V-29-4V-Battery-18650- Power-Bank-3S-4S-6S-7S-Ebike-2-768x768.jpg. Acesso em: 10 ago. 2021. 12 placa de circuito separada. Por outro lado, placas BMS maiores muitas vezes têm seus próprios compartimentos separados, para ajudar a dispensar o calor causado pelo processo de balanceamento. Sempre que a primeira célula atinge a tensão mínima de corte, a placa BMS corta o circuito de descarga e interrompe a descarga da bateria. Isso protege as células da bateria de serem descarregadas além do mínimo, o que causaria danos irreparáveis. 2.5 Conexão de células Uma célula possui tensão e corrente pré-determinada pelo seu fabricante, mas quando uma única célula não fornece as quantidades necessárias para determinado projeto, pode-se utilizar a combinação de várias células em série e/ou paralelo para atender os requisitos desejados. A combinação de células traz novos valores de tensão e corrente para o conjunto, que então será visto como uma única bateria. • Conexão em paralelo: Ligação feita ao conectar entre si os terminais positivos das células e também conectar entre si os terminas negativos das células. Desta forma, a corrente e a capacidade aumentam, enquanto a tensão permanece igual ao valor individual de uma célula. Para calcular a corrente ou a capacidade do conjunto, basta multiplicar seu valor unitário pelo número de células que estão conectados em paralelo. • Conexão em série: Ligação feita ao conectar o terminal positivo de uma célula ao polo negativo de outra célula, com o intuito de aumentar a tensão, enquanto a corrente e a capacidade permanecerão com o valor individual de uma célula. Para calcular a tensão de um conjunto de células ligadas em série, basta multiplicar a tensão de uma célula pelo número de células que estão conectadas em série. Figura 6 – Conexão de células em paralelo e em série

DESENVOLVIMENTO DOS MÓDULOS DE BATERIA O processo realizado para o desenvolvimento dos módulos de bateria, a partir de células de segunda vida, foi dividido em quatro etapas principais: definição do projeto, seleção de células, teste de ciclagem, teste das células junto ao BMS 10s e montagem dos módulos da bateria. A descrição do que foi realizado em cada uma das etapas pode ser visto com mais detalhes a partir dos tópicos dessa seção. 4.1 Etapa I: definição do projeto Nessa etapa forão definidos os principais parâmetros para o desenvolvimento do projeto. Para dimensionar a bateria, foi necessário considerar os requisitos do projeto em que ela será aplicada, nesse caso, o projeto será usado como fonte de energia para o AGV. Portanto, foi necessário considerar a tensão e a corrente necessárias para o bom funcionamento do AGV. A figura 20, mostra uma vista inferior do AGV, onde os módulos serão instalados. Figura 20 – Vista inferior do AGV 20Fonte: autoria própria. Para se adequar ao AGV, serão necessários pelo menos cinco módulos 10s2p, ligados em paralelo, para alcançar a tensão de 42V e a corrente de 15A necessárias para o bom funcionamento do AGV. 22 4.2 Etapa II: seleção de células Nessa etapa, foi necessário retirar as células de seus módulos originais e separá-las de forma individual. O trabalho foi realizado manualmente, com auxilio apenas de materiais simples como alicates e estiletes, para remoção de embalagens e fios. Após remover as células de seus módulos originais, mediu-se a tensão de cada célula, com auxílio de um multímetro e dividiu-as em grupos, de acordo com suas tensões. As células foram divididas em três grupos, o primeiro continha, aproximadamente, 515 células com tensão de 3.6V a 4.2V, o segundo grupo cerca de 178 células de tensão de 3.5V a 3V e o terceiro com 80 células de tensão de 3V a 2V, as células com tensões menores foram separadas para descarte. Figura 21 – Seleção inicial das células 21Fonte: autoria própria. Ainda nessa etapa, mediu-se a resistência interna das células e somente as células com tensão maior que 3.6V e resistência interna menor que 150 mOhms foram selecionadas para etapa de teste. As células selecionadas foram numeradas, para que fosse possível identifica-las na etapa de teste. Inicialmente, haviam mais de 700 células disponíveis, mas, após a seleção, restaram, aproximadamente, 515 células para a etapa de testes. 23 4.3 Etapa III: teste de ciclagem Essa etapa consiste em testar o desempenho das células, com o intuito de verificar se as células estão realmente adequadas para o uso. O teste de ciclagem é a etapa que necessita de mais tempo para ser realizada, porém é fundamental para a coleta de informações e dados, que possibilitarão fazer a análise das células e estimar o estado de saúde de cada célula. A etapa de teste de ciclagem é demorada, pois o circuito do equipamento possibilita o teste de apenas duas células por vez, conforme ilustrado na Figura 22. Outro fator que contribui para o consumo de tempo são as etapas do teste em si, pois o tempo de carga de uma célula pode durar até 1 hora e o tempo de descarga pode levar cerca de 2 horas, considerando células de 2000 mAh. Sendo assim, um teste de ciclagem pode durar cerca de 3 horas. Para realizar os testes de ciclagem, foi utilizado um equipamento próprio para essa finalidade, o teste cíclico de baterias da iDCLT. Esse equipamento possui um software, o iDCLT-View, que permite a configuração das etapas do teste e a visualização dos resultados de forma gráfica, o que facilita na coleta dos dados de cada teste realizado. Figura 22 – Equipamento para teste cíclico de baterias 22Fonte: autoria própria. No software iDCLT-View foi desenvolvido um programa utilizando seis passos, onde cada passo representa uma etapa realizada durante o teste (carga, descarga ou repouso). As etapas do teste seguem a sequência: carga, repouso, descarga, repouso e, por fim, carga novamente. Os detalhes da configuração de cada passo podem ser observados abaixo: • Passos 1 e 5: definiu-se o modo como "Carga", o limite do passo é a corrente chegar a 0.2 A e os dados serão coletados a cada 5 segundos. Porém, no passo 1 a célula será carregada até 4.2 V e no passo 5, ela será carregada apenas até 3.6 V, para evitar a degradação da célula.

A carga inicial faz com que as células sejam carregadas até 100% (4.2V), para que seja possível coletar o tempo de uma descarga completa da célula, até o seu limite de 2.8V. O repouso se refere ao tempo que a célula levará para se estabilizar após o período de carga e descarga. Através dessa sequência de etapas foi possível coletar o tempo de carga e descarga das células, bem como a tensão e corrente das células durante o período de tempo em que o teste ocorreu. Para auxiliar na organização, no controle e para realizar os cálculos necessários, foram desenvolvidas planilhas utilizando o Excel. O cálculo da capacidade das células foi feito considerando o conceito de Coulomb Counting, onde é calculada a relação entre o tempo de descarga e a corrente inicial e final da célula testada. As células do teste possuíam capacidade nominal em torno de 2000mAh, por isso, a fim de simplificar o cálculo da capacidade e do estado de saúde das células (SOH), foi considerada a relação de que uma célula nova, com capacidade de 2000mAh, demora 2h para descarregar. Baseado nessa relação, foram feitos os cálculos de capacidade e do SOH das células. Nos exemplos de testes mostrados na Figura 26, o tempo de descarga da "Bateria 01" foi de 16 minutos e o da "Bateria 02", foi de 45 segundos. Portanto, ambas as baterias, mesmo possuindo um bom valor de tensão, não conseguiram suportar a descarga por muito tempo, então não estão boas para uma segunda utilização. Na etapa de teste de ciclagem, foram testadas 378 células, das quais 253 estavam com capacidade maior que 1000 mAh. 26 Figura 26 – Gráfico do teste de ciclagem de duas células 26Fonte: adaptada do software iDCLT View. Com as informações obtidas através dos testes e cálculos, foi possível estimar a relação de células testadas com a quantidade de células boas. Para estimar essa relação as células foram divididas em 3 grupos, cada grupo possuía 100 células, baseado na ordem em que ocorreram os testes. Observou-se que o primeiro grupo possuía 66 células boas, o segundo grupo possuía 49 células boas e o terceiro grupo possuía 63 células boas. Com a análise dos dados obtidos, conclui-se que a cada 100 células testadas aproximadamente 60% das células estavam em bom estado, com um erro de 10% células. Essa porcentagem pode variar bastante, mas como foi utilizada uma grande quantidade de dados, esses resultados podem ser aplicados. Calcular essa relação é importante para ajudar a estimar a quantidade de células que serão necessárias testar, para conseguir determinada quantidade de células boas, em testes futuros. 4.4 Etapa IV: teste das células junto ao BMS 10s O BMS utilizado para o projeto, Figura 27, não possui balanceamento celular, sua forma de mostrar que o conjunto de células não está adequado é desarmando. Portanto, foi necessário realizar o cell matching, onde as células foram testadas junto a um BMS 10s, para poder selecionar um conjunto correto de células para cada módulo. 27 Figura 27 – Modelo de BMS utilizado no projeto 27Fonte: autoria própria O suporte para teste das células com o BMS 10s, foi desenvolvido utilizando duas unidades de suporte para 4 células 18650 e uma unidade de suporte de 2 células 18650. Foi feita a junção destes componentes, para que o suporte possa acomodar 10 células ligadas em série, conforme a figura abaixo, Figura 28. Figura 28 – Suporte 10 células conectado ao BMS 10S 28Fonte: autoria própria 28 A conexão do BMS ao suporte desenvolvido, foi feita de acordo com as conexões mostradas na Figura 29. Figura 29 – Esquemático de conexões do BMS 10S 29Fonte: autoria própria Para selecionar as células que irão trabalhar em conjunto com o BMS que não possui balanceamento, é necessário que haja uma seleção de acordo com algumas características, tais como semelhança de: tensão, capacidade e resistência interna. Após selecionar as células, elas foram colocadas no suporte para teste e, utilizando equipamento específico, foi feita uma carga de 42v até 0.2A e foi medida a tensão individual das células, com o auxilio de um multímetro. O ideal é não haver diferença maior que 0.1V entre as células e caso isso ocorra é necessário a substituição da célula por outra já carregada e com características semelhantes. Em seguida, o conjunto foi colocado em um equipamento específico para descarga, onde descarregou até 30V, mediu-se novamente a tensão das células para verificar se o conjunto está balanceado e, por fim, o conjunto foi carregado novamente. 4.5 Etapa V: Montagem dos módulos da bateria Com as células de cada um dos cinco módulos já separadas e após realizar o cell matching, iniciou-se a montagem dos módulos. Os passos para a montagem de um módulo foram descritas a seguir. 29 • Alocar as células nos suportes para células 18650: em cada módulo foram necessário 40 suportes para células 18650 (20 suportes para polo positivo e 20 suportes para polo negativo) e 20 células, já pré-selecionadas através do teste de validação no BMS. Figura 30 – Células alocadas no suporte para células 18650 30Fonte: autoria própria • Solda da conexão das células: foram feitas soldas (solda ponto) em fitas de níquel para formar a conexão das células no formato 10s2p. Figura 31 – Solda da conexão das células 31Fonte: autoria própria 30 • Instalação dos cabos de alimentação e do BMS: foi utilizada a solda eletrônica com castanho para fazer as ligações dos cabos de alimentação e do BMS ao módulo. Figura 32 – Instalação dos cabos de alimentação e do BMS 32Fonte: autoria própria • Primeira carga do módulo: após finalizar as conexões necessárias para o funcionamento do módulo, ele foi submetido a uma carga inicial de 42V, para ser possível testá-lo no protótipo do AGV. Figura 33 – Primeira carga do módulo 33Fonte: autoria própria 31 • Teste no protótipo do AGV: o primeiro módulo desenvolvido foi anexado a parte inferior do protótipo do AGV, para verificar se o módulo estava funcionando de forma adequada. Figura 34 – Primeira carga 34Fonte: autoria própria • Finalização dos módulos: utilizou-se fita kapton e capa termo-retrátil para isolar e proteger todos os módulo. Também foi utilizado um soprador térmico para fazer com que a capa termo-retrátil se aderisse ao módulo desenvolvido. Figura 35 – Finalização dos módulos 35Fonte: autoria própria Após finalizar o desenvolvimento dos cinco módulos de bateria, eles foram validados através do protótipo do AGV. O projeto Relife recebeu ótimos feedbacks e, através dos módulos desenvolvidos, foi possível alimentar o AGV de forma eficaz. O período de duração da utilização da bateria foi similar a duração de uma bateria nova, portanto o projeto cumpriu com os objetivos propostos e foi finalizado com sucesso.