Quanto tempo dura uma bateria de 12 V?

As baterias de ciclo profundo de 12V são normalmente encontradas numa variedade de aplicações, desde a alimentação de sistemas eléctricos domésticos em veículos e barcos até ao suporte de sistemas de energia renovável e funcionamento de aparelhos em instalações fora da rede. Uma das preocupações mais comuns entre os utilizadores é compreender a duração destas baterias, tanto em termos do tempo de funcionamento restante até ser necessário recarregá-las como da sua vida útil a longo prazo.

Na realidade, isto é bastante difícil de quantificar porque ambos os factores podem variar muito e são fortemente influenciados por uma série de factores, incluindo a conceção e o tipo de química da bateria, os padrões de utilização (como é descarregada), as condições ambientais e as práticas de carregamento e manutenção. Este artigo explora estes factores, oferece recomendações sobre como maximizar a vida útil da bateria e mostra-lhe como estimar o tempo de funcionamento antes de a bateria precisar de ser recarregada.

Tipos de bateria de 12 V

Em primeiro lugar, vamos analisar os diferentes tipos de baterias de 12V utilizadas em aplicações de ciclo profundo. Abaixo, listamos as mais comuns utilizadas em instalações automóveis, recreativas, marítimas e fora da rede, juntamente com uma breve descrição e um resumo das suas principais caraterísticas.

Chumbo-ácido

Tradicionalmente, têm sido o tipo mais comum de bateria de ciclo profundo baseada na tecnologia chumbo-ácido, com placas de chumbo imersas num eletrólito de ácido sulfúrico. O oxigénio e o hidrogénio produzidos durante o carregamento podem escapar, causando eventualmente a secagem da água no eletrólito se este não for periodicamente recarregado. Se o eletrólito secar, a bateria ficará danificada e o seu desempenho será reduzido.

• Eletrólito líquido: manutenção necessária
• Concebido para um consumo de energia DC moderado
• Ciclo de vida típico: 150-200 a 80 % DoD* (esperança média de vida 3-5 anos)
• Propenso à sulfatação se deixado num estado parcialmente carregado.
• Requer uma carga de manutenção de poucos em poucos meses se não for utilizado.
• Taxa de carga 0,1 – 0,2 C**
• Ampla gama de temperaturas de carga/descarga
• Deve ser instalado na posição vertical

AGM (tapete de vidro absorvente )

São baterias seladas baseadas na tecnologia chumbo-ácido, mas o eletrólito é encapsulado numa fina camada de fibra de vidro que as torna à prova de derrames e mais leves do que as baterias inundadas, com um melhor ciclo de vida e taxas de descarga mais elevadas. Fazem parte da família de baterias de chumbo-ácido reguladas por válvula (VRLA) que recombinam o hidrogénio e o oxigénio produzidos durante o carregamento em água sob pressão moderada e têm uma válvula de segurança incorporada para permitir a saída do excesso de gás.

• Eletrólito absorvido em tapetes de vidro: livre de manutenção
• Pode fornecer correntes elevadas
• Ciclo de vida típico: 300-500 com um máximo de 80 % DoD (esperança média de vida 5-7 anos)
• Menos propensas à sulfatação do que as inundadas.
• Requer uma carga de manutenção de poucos em poucos meses se não for utilizado.
• Taxa de carga 0,2C+
• Sensível a sobrecargas
• Bom desempenho a baixas temperaturas.
• Pode ser colocado de lado (à prova de derrames)

GEL

são também baterias VRLA seladas, mas o eletrólito está suspenso num gel de sílica, o que também as torna à prova de derrames. Têm um bom desempenho a altas temperaturas e o nível de desempenho mantém-se constante até perto do fim da sua vida útil, mas não são boas a fornecer correntes elevadas (ao contrário das baterias AGM).

• Eletrólito suspenso em gel de sílica, sem manutenção.
• Concebida para fornecer correntes baixas a moderadas.
• Ciclo de vida típico: 500-1000 a 80 % do DoD máximo (esperança média de vida 7-10 anos)
• Menos propensas à sulfatação do que as inundadas.
• Requer uma carga de manutenção de poucos em poucos meses se não for utilizado.
• Taxa de carga 01.- 0,2C
• Sensível a sobrecargas
• Bom desempenho a altas temperaturas.
• Pode ser colocado de lado (à prova de derrames)

LiFePO4 (fosfato de lítio e ferro)

Uma tecnologia relativamente nova e um tipo de bateria de iões de lítio que é agora muito popular como escolha para aplicações de baterias de ciclo profundo devido à sua eficiência, peso leve, elevadas taxas de carga/descarga, longa duração e baixa manutenção. Por razões de segurança, requerem proteção contra sobrecarga/descarga e sobre/sub temperatura, mas a grande maioria das baterias comerciais vem com um sistema de gestão de baterias (BMS) incorporado para tratar deste assunto. Não podem ser carregadas a temperaturas inferiores a 0°C, embora muitas tenham aquecedores incorporados que aumentam a temperatura da bateria para permitir o carregamento. Muitas têm agora também um BMS com comunicação Bluetooth para que possa monitorizar o desempenho da bateria através de uma aplicação para telemóvel.

• Pode fornecer correntes elevadas
• Ciclo de vida típico: 2000-5000 com um máximo de 80% DoD (esperança média de vida 10-15 anos)
• Pode ser descarregado muito profundamente (maior capacidade útil Ah)
• Auto-descarga extremamente baixa: praticamente sem manutenção
• A taxa de carregamento é normalmente de 0,5 C+.
• Pode ser descarregado mas não carregado abaixo de 0 °C
• Metade do peso de uma bateria de chumbo-ácido inundada equivalente
• Necessita de proteção BMS para segurança
• São frequentemente fornecidos com comunicação Bluetooth para utilização com uma aplicação.

A vida útil da bateria varia significativamente consoante o padrão de utilização, pelo que os fabricantes indicam normalmente o número de ciclos de carga/descarga esperados com base numa profundidade de descarga (DoD) de 80% a uma determinada taxa de carga/descarga. Isto significa que a bateria pode ser descarregada até 80% da sua capacidade (com 20% restantes) e totalmente recarregada o número indicado de vezes antes de a bateria chegar ao fim da sua vida útil.

Os fabricantes dão as taxas de carga e descarga recomendadas como uma proporção da capacidade da bateria em Ah. Assim, uma taxa de carga/descarga de 0,2 C para uma bateria de 100 Ah seria de 20 A, e este valor é normalmente indicado juntamente com o DoD quando a vida útil é indicada (por exemplo, 500 ciclos a 80% DoD, 0,2 C). É importante ter isto em mente ao selecionar um carregador de bateria ou ao considerar a ligação de uma grande carga, como um inversor de alto desempenho, uma vez que exceder as taxas máximas recomendadas de carga/descarga pode reduzir a vida útil, particularmente com baterias de chumbo-ácido.

Factores que afectam a duração da bateria

É importante distinguir entre o tempo que uma pilha pode ser utilizada antes de ser descarregada e necessitar de ser recarregada (por vezes referido como “tempo restante”) e o tempo de vida total de uma pilha que é atingido quando a reação química reversível no interior da pilha deixa de ser possível. Ambos são importantes, mas em termos de utilização quotidiana, o tempo restante entre recargas será de muito maior interesse e relevância.

Em termos da vida útil global de uma bateria, existem vários factores-chave que a determinam. Estes estão listados abaixo, juntamente com recomendações sobre como maximizar esta vida útil.

Padrões de utilização:

• A DoD é um dos factores mais importantes que afectam a vida útil da bateria e descarregar regularmente uma bateria para níveis baixos pode encurtar rapidamente a sua vida útil. Idealmente, as baterias de chumbo-ácido não devem ser descarregadas a mais de 50% da sua capacidade, e as descargas mais superficiais podem resultar num aumento significativo da vida útil. As baterias de lítio podem suportar descargas muito mais profundas, mas ainda assim beneficiam de ciclos mais superficiais.
• A corrente de descarga também tem uma influência significativa na vida útil da bateria. Correntes de descarga mais elevadas reduzem a vida útil da bateria, enquanto correntes de descarga mais baixas prolongam a vida útil da bateria. As aplicações que requerem um consumo de corrente mais elevado durante períodos mais longos (por exemplo, inversores a funcionar durante várias horas) podem ser inevitáveis se a aplicação assim o exigir, e não há problema, desde que saiba que terá de mudar as baterias mais regularmente. Assim, em resumo, se puder, tente utilizar a bateria com descargas mais superficiais e correntes mais baixas para prolongar a vida útil da bateria.

Práticas de carga e descarga

• A sobrecarga ou a subcarga podem danificar as baterias, pelo que a utilização do carregador correto e o cumprimento das práticas de carregamento recomendadas ajudam a prolongar a vida útil da bateria. Os carregadores inteligentes que correspondem às necessidades da bateria podem ser especialmente benéficos. Certifique-se de que o carregador tem várias fases, a corrente nominal correta para o tipo e capacidade da bateria e pode ser programado com as tensões de carga corretas para o tipo/química específicos da bateria. Em caso de dúvida, consulte a folha de dados do fabricante ou o manual do utilizador para obter as taxas e tensões de carregamento recomendadas. Os carregadores topo de gama, como a gama Blue Smart da Victron Energy, têm processos de carregamento adaptativos que monitorizam o padrão de utilização da bateria e ajustam as fases de carregamento em conformidade para otimizar a vida útil da bateria.

• A forma como as fontes de carregamento são ligadas às baterias também é importante. Os cabos devem ser suficientemente longos para evitar uma queda de tensão excessiva e os cabos positivo e negativo devem ter o mesmo comprimento. Quando as baterias estão ligadas em paralelo, as fontes de carga devem ser ligadas ao longo do banco para garantir que todas as baterias recebem tensões de carga iguais. Com isto queremos dizer que o cabo de carga positivo deve ser ligado ao terminal positivo da primeira bateria e o cabo de carga negativo deve ser ligado ao terminal negativo da última bateria. Este padrão de ligação “across the bank” aplica-se tanto às cargas como às fontes de carga, assegurando que todas as baterias são descarregadas ao mesmo ritmo.

Condições ambientais

Os extremos de temperatura podem afetar negativamente a vida útil da bateria. As temperaturas elevadas aceleram as reacções químicas no interior da bateria, conduzindo a uma degradação mais rápida, enquanto as temperaturas baixas podem reduzir a capacidade efectiva da bateria, dificultando o seu carregamento. Idealmente, as baterias devem ser armazenadas e utilizadas em condições moderadas. Ao comprar um carregador de bateria, tente obter um que tenha compensação de temperatura através de um sensor incorporado ou, de preferência, um sensor externo que possa ser ligado diretamente à bateria. Isto irá otimizar as tensões de carga em relação à temperatura da bateria e prolongar a sua vida útil.

Armazenamento e manutenção

A manutenção regular das baterias armazenadas pode ajudar a prolongar significativamente a sua vida útil. Para as baterias de chumbo-ácido, carregue-as completamente antes de as armazenar e efectue uma carga de manutenção de dois em dois meses (verifique os níveis de eletrólito nas baterias inundadas e recarregue-as se necessário). Idealmente, mantenha-as ligadas a um carregador que as teste e faça a sua manutenção (todos os bons carregadores modernos o fazem). No caso das baterias de lítio, guarde-as a cerca de 50% do estado de carga (SoC) e recarregue-as para um nível semelhante de 6 em 6 meses, aproximadamente. Todas as baterias devem ser armazenadas em condições limpas e secas a temperaturas moderadas e os terminais devem ser mantidos cobertos para evitar curto-circuitos acidentais.

Qualidade da bateria

As baterias de fabricantes conceituados que utilizam componentes de alta qualidade e rastreáveis tendem a ter uma vida útil mais longa. Investir numa boa bateria de uma marca estabelecida, como
Victron Energy, pode poupar dinheiro a longo prazo, reduzindo a frequência das substituições.

Tempo de funcionamento restante estimado entre cargas
(tempo restante)

Para calcular o tempo que uma determinada bateria de 12V pode descarregar antes de ser recarregada, é necessário ter em conta a sua capacidade de armazenamento de energia (medida em amperes-hora, Ah) e o consumo total de corrente da carga que irá alimentar (medida em amperes, A). A fórmula para calcular o tempo de funcionamento é a seguinte

• Tempo de funcionamento (horas) = Capacidade da bateria (Ah) / Carga (A)

No entanto, trata-se de um cálculo teórico e pressupõe:

• A bateria tem inicialmente 100% de SoC
• A pilha está em bom estado e a sua capacidade não se degrada com o tempo ou com a utilização incorrecta.
• Um DoD de 100% não causa danos (o que não é o caso na realidade).
• A carga é constante (muito improvável na realidade).
• Não há corte de energia quando a bateria atinge um SoC muito baixo (isto varia consoante o tipo de bateria).
• Esta capacidade permanece a mesma para todas as dimensões de carga (o que não é o caso na realidade; ver “Eficiência Peukert” abaixo).

Na prática, deve basear este cálculo no DoD máximo com que se sente satisfeito para o seu tipo de bateria. Assim, se tiver uma bateria de chumbo-ácido inundada de 100 Ah e quiser manter uma DoD “segura” de 50%, deve incluir a sua capacidade utilizável de 50 Ah no cálculo acima, o que significa que na realidade só tem 5 horas de autonomia.

Como pode ver, existem muitos pressupostos aqui, pelo que este método apenas lhe dá uma estimativa muito aproximada.

Monitorização da bateria

O cálculo acima é uma estimativa muito grosseira e parte de muitos pressupostos, incluindo o de que o consumo de corrente é constante durante todo o tempo de funcionamento e que a bateria está totalmente carregada para começar. Na realidade, as baterias raramente são utilizadas desta forma, uma vez que as cargas variam consoante a hora do dia/noite e a estação do ano, e a carga e a descarga ocorrem muitas vezes em simultâneo (por exemplo, carregar com a bateria ligada à corrente mas utilizando sistemas de 12V). Se acrescentarmos a isto o facto de as baterias raramente serem descarregadas ao mesmo nível de cada vez antes de serem recarregadas, e muitas vezes receberem apenas uma carga parcial antes de serem descarregadas novamente, o cálculo do SoC de uma bateria num determinado momento começa a parecer uma tarefa quase impossível!

Felizmente, existe uma solução na forma de monitores de bateria que são fáceis de instalar e eliminam dúvidas sobre o estado do sistema de carregamento da bateria. Os monitores de bateria utilizam um shunt, que é uma resistência de alta precisão, para medir o fluxo de corrente para dentro e para fora da bateria, pelo que o monitor pode calcular a carga líquida da bateria em qualquer altura, mesmo durante a carga e descarga simultâneas.

O software destes monitores é bastante sofisticado e tem em conta uma série de outros factores complicadores. Um deles é a eficiência Peukert, um efeito pelo qual quanto mais rapidamente uma bateria é descarregada, menor é a sua capacidade efectiva. Assim, uma bateria de 100 Ah totalmente descarregada com uma carga de 1 A terá uma capacidade efectiva mais elevada do que quando descarregada com uma carga de 10 A. Este fenómeno também pode ser observado com as alterações de temperatura, mas os efeitos são muito menores. Além disso, devido à ineficiência do carregamento, a quantidade de energia de carregamento que pode ser descarregada de uma bateria é inferior à energia de carregamento fornecida por uma fonte de carregamento. O software do monitor de bateria tem em conta todos estes factores ao calcular o SoC, permitindo-lhe acompanhar com precisão o estado da sua bateria.

Vale a pena notar que muitas das baterias de lítio mais recentes têm um BMS ativado por Bluetooth. Isto permite-lhe ligar-se ao BMS através de uma aplicação no seu telemóvel e ver muitas informações sobre a bateria, incluindo SoC, fluxo de corrente de entrada/saída, Ah cumulativo carregado/descarregado, etc., o que torna questionável a necessidade de um monitor de bateria separado. No entanto, deve dizer-se que os monitores de bateria tendem a ter muitas outras caraterísticas úteis, como saídas para acionar dispositivos externos como um relé ou um alarme sonoro em condições programáveis pelo utilizador (como atingir um limiar de baixa tensão) e têm muitas vezes mais opções de configuração do que as que encontraria numa aplicação BMS, pelo que vale a pena considerá-los.

Conclusão final:

A vida útil de uma bateria de 12V varia muito consoante o tipo, o padrão de utilização e os cuidados a ter. Ao compreender as necessidades específicas da sua bateria e ao seguir as melhores práticas, pode maximizar a sua vida útil e garantir um desempenho fiável durante muitos anos. Ao compreender o que esperar da sua bateria em termos de vida útil, pode também planear quando é altura de a substituir.