Baterias
Autor: Perrotti | Publicado: 2013-06-12T16:05:00-03:00

A escolha das baterias 
depende essencialmente dos motores, eles é que vão exigir mais da 
bateria. Motores de passo de 12 volts são bastante comuns, então 12 
volts é um bom palpite inicial para a escolha das baterias. Mas além da 
voltagem, uma questão importante é a corrente (em miliAmperes/hora - 
mAh) que a bateria consegue fornecer. Independente da voltagem, quanto 
mais torque tiver um motor de passo, maior vai ser o consumo de 
corrente. Motores com torque suficiente para carregar o peso deles 
próprios, das baterias, do chassis e tudo o mais que for colocado nele, 
provavelmente vão gastar pelo menos 400 mAh cada um, então seria uma boa
 ideia que a bateria tivesse uma capacidade de fornecimento de corrente 
de pelo menos 3000 mAh para que não esgote muito rapidamente. Baterias de 12 volts com essa capacidade podem 
ser relativamente grandes e pesadas, mas existe a opção de combinar 
baterias com menor voltagem para conseguir a voltagem necessária. Por 
exemplo, é possível ligar em série 10 pilhas AA recarregáveis e assim 
conseguir os 12 volts. Pilhas AA recarregáveis com até 3600 mAh de 
corrente são facilmente encontradas no mercado. Mas atualmente existem 
muitas outras opções.




Células
Todas as diferentes 
tecnologias de baterias recarregáveis usam células básicas de 
armazenamento que tem uma voltagem fixa. As baterias propriamente ditas,
 são sempre combinações destas células. Por exemplo, as baterias de 
chumbo ácido tem células capazes de fornecer nominalmente 2 volts. 
Então, qualquer bateria de chumbo ácido vai fornecer uma voltagem que é 
um múltiplo de 2, já que combinará internamente células de dois volts. 
Em algumas tecnologias é possível empacotar células isoladas na forma de
 pilhas AA ou AAA, o que pode facilitar o uso e instalação no 
robô. 



Chumbo ácido
A opção mais barata são 
as baterias seladas de chumbo ácido. É uma tecnologia antiga, muito 
conhecida e confiável, são seguras, não exigem muito controle ou 
manutenção e têm uma boa vida útil: cerca de 4 anos se for bem cuidada. 
Na verdade a tecnologia é tão conhecida e relativamente simples (pelo 
menos em princípio), que é possível produzir uma de forma caseira como 
mostra este vídeo do Ponto Ciência. 

Para quem está iniciando 
seus estudos em robótica, esta é uma boa opção, porque são baratas, 
fáceis de encontrar em lojas de eletrônica e similares e não exigem 
muito conhecimento técnico para sua operação e manutenção. A desvantagem
 é que são bem volumosas e pesadas. Suas células usam chumbo, então não 
podem mesmo ser leves. Além disso são bem agressivas ao meio ambiente 
quando descartadas de forma incorreta. Não bastasse o chumbo, elas 
também contém ácido sulfúrico. Por lei, estas baterias precisam ser 
entregues em algum ponto de venda no final de sua vida útil para que 
possam ser recicladas de forma adequada.




Bateria de chumbo-ácido

As primeiras 
configurações do Robit usavam uma bateria bem parecida com essa da foto 
acima. Ela pesa um pouco mais de meio quilo e isso é um peso imenso para
 os fracos motores reaproveitados de sucata que ele usa. Mesmo assim ele
 conseguia se mover, embora não tivesse força para vencer nenhum 
obstáculo que aparecesse na frente, qualquer desnível no solo já era 
suficiente para fazer os motores perderem passos:









Hidreto metálico de níquel - NiMh
Em um nível acima estão 
as baterias de hidreto metálico de níquel (NiMh). São as sucessoras das 
baterias de Niquel-cádmio (NiCd). Conseguem mais densidade de carga com 
menos volume e peso que suas antecessoras e de quebra ainda são 
ecologicamente corretas por não conterem metais pesados (como o cádmio e
 o chumbo) que agridem o meio ambiente.

Apesar de serem mais 
caras que as baterias de chumbo ácido, o preço delas é bastante 
acessível e também são facilmente encontradas no comércio em geral. A 
relação entre densidade energética e peso é muito mais favorável do que 
nas baterias de chumbo ácido. Para se ter uma ideia, para obter a mesma 
quantidade de energia armazenada em uma bateria NiMh que pesa um quilo, 
seria preciso uma bateria de chumbo-ácido que pesasse quase 3 quilos. 

Uma outra vantagem deste 
tipo de bateria é que pode ser encontrada no formato de pilhas AA ou 
AAA. Isso permite muita flexibilidade na combinação de células. Por 
exemplo, as baterias da foto abaixo têm uma tensão nominal de 1,2 volts e
 fornecem 2300 mAh. Combinadas em série, forneceriam 4,8 volts e 2300 
mAh, ou poderiam ser combinadas em série e paralelo para fornecer 2,4 
volts e 4600 mAh, ou ainda todas em paralelo fornecendo 1,2 volts e 9200
 mAh. 






Baterias de hidreto metálico de níquel







Li-Po - Polímero de lítio
A opção top do momento são as baterias Li-Po (Polímero de Lítio),
 favoritas dos modelistas, são as que conseguem mais densidade de carga 
com menor peso e volume. Por exemplo, em relação às baterias NiMh, elas 
podem armazenar quase o dobro da carga por unidade de peso. Mas são bem 
mais caras que as outras opções e exigem acessórios e cuidados 
especiais. O carregador tem que ser próprio, especial para baterias Li-Po, não serve qualquer um e quase sempre têm um preço bem salgado, já que o carregador precisa de algum nível de inteligência para fazer a carga com segurança. Além
 disso é extremamente importante monitorar constantemente o nível de 
carga delas, mesmo quando não estão sendo usadas. Uma bateria Li-Po não pode ser completamente descarregada nunca, se a carga baixar além de um limite mínimo a bateria perde a capacidade de ser regarregada. E atenção:&nbsp;estas baterias são tão poderosas e potencialmente perigosas que devem ser tratadas como combustível, não como simples baterias.
 O uso descuidado destas baterias pode provocar incêndios e até 
explosões. Esta não é uma opção para iniciantes, alguma experiência é 
necessária para usar este tipo de bateria, além é claro, de verba para 
gastar.




Bateria LiPo




LiFe - Litio Ferro Fosfato

Esta é uma tecnologia um
 pouco mais antiga do que as baterias Li-Po, mas só nos últimos anos é 
que se tornou mais acessível para os usuários. Em quase todos os 
aspectos baterias LiFe são melhores&nbsp;do que as baterias Li-Po,&nbsp;menos no quesito peso. Elas são cerca de 30 a 40% mais 
pesadas do que baterias Li-Po com a mesma capacidade de energia. Mas as 
vantagens são muitas. Não explodem nem incendeiam, não 
sobrecarregam, não perdem carga por falta de uso, não são tóxicas, podem
 ser recarregadas cerca de 1000 vezes (contra 200 vezes nas Li-Po), não 
se danificam quando a carga é zerada e finalmente tem um preço mais 
acessível especialmente por conta dos acessórios que a Li-Po exige e que
 para a LiFe não são necessários, ou são bem mais baratos.

Considerando que a única 
desvantagem é o peso, se o robô não tiver que voar, esta é uma opção 
muito boa para a alimentação dele.


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Célula de bateria LiFe








Pack que internamente combina várias células



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Li-Ion - Íon Lítio
Esta é uma tecnologia 
bem parecida com a das baterias Li-Po, ambas usam o lítio como matéria
 prima, mas existem algumas diferenças importantes. Em relação ao peso, as 
Li-Po continuam imbatíveis, conseguem uma densidade de carga maior por 
unidade de peso. As Li-Po usam um polímero flexível em sua composição, 
isso permite que as células tenham formatos variados, já nas baterias 
Li-Ion as células são sempre cilíndricas e um tanto avantajadas. Embora 
pareçam pilhas AA, as baterias da foto abaixo são bem maiores. Pilhas AA
 medem 5cm de altura, estas medem 7cm. Também no preço, a diferença é 
grande, o custo das baterias Li-Ion é muito inferior ao das Li-Po e tem 
um desempenho bem parecido. No mais são bem parecidas, os mesmos 
cuidados de manuseio precisam ser tomados com ambas.






Baterias Li-Ion



Muito importante:&nbsp;Células de baterias&nbsp;Li-Ion têm uma vida útil curta e isso não depende do uso que é feito dela. A liga de lítio usada é ainda um tanto&nbsp;instável&nbsp;e começa a se deteriorar assim que sai da fábrica. A duração média é de dois anos, depois disso precisam ser trocadas não importa se foram usadas ou não, se resolver comprar este tipo de baterias, tenha certeza que não é de um estoque antigo.



 Li-Ion com PCB
Talvez por conta de suas
 células avantajadas, tem sido produzidas pilhas de Li-Ion com uma 
pequena placa de circuitos em um dos polos da bateria. Isso dá alguma 
inteligência para a bateria. 

É chamado de Protection 
Circuit Board - PCB, como ele fica em um dos polos, toda carga e 
descarga precisa passar por ele, o que lhe dá condições de interferir no 
processo de carga ou descarga. Isso faz uma enorme diferença na 
segurança do usuário da bateria. Quando a bateria está sendo carregada, 
esse circuito monitora o nível de carga e interrompe o carregamento 
quando a célula chega na sua carga máxima. Isso torna a bateria muito 
mais segura porque evita incêndios e explosões decorrentes de excesso de
 carga. Também permite que os carregadores sejam muito mais simples e 
baratos.




Célula Li-Ion com circuito de proteção interno



Tanto as baterias Li-Po 
quanto as Li-Ion não podem nunca ser completamente descarregadas, existe
 um limite mínimo de voltagem para cada célula, se a voltagem cair 
abaixo desse limite, a célula não pode mais ser recarregada.
 Durante o uso da bateria (descarga) esse circuito também fica 
monitorando o nível de carga para impedir que baixe além do valor 
mínimo, cortando o fornecimento de energia quando o limite é atingido. 
Além disso o PCB também é capaz de perceber um curto-circuito e cortar a
 energia imediatamente.

As baterias Li-Po também 
têm circuitos de proteção equivalentes, a diferença é que em geral 
existe um circuito para toda a bateria (que envolve várias células), ou 
um para cada série de células. Nas baterias Li-Ion esse circuito pode 
ser embutido em cada célula da bateria, proporcionando um nível de 
proteção muito maior e simplificando bastante a montagem de "packs" com 
várias células.



Packs de Li-Ion
Nos sites de compra 
chineses não é difícil encontrar "packs inteligentes" de várias células 
com um circuito embutido que facilita muito o uso da bateria. Inclusive 
estes circuitos podem conter reguladores de tensão e assim fornecer 
qualquer voltagem desejada, sem ficar limitado a múltiplos da voltagem 
das células. Estes packs vem com um carregador bem simples, já que todo o
 controle de carga é feito internamente, na verdade praticamente 
qualquer carregador que forneça a voltagem e amperagem apropriadas serve para 
carregar a bateria. Além disso contam com um interruptor que 
liga/desliga a bateria que pode perfeitamente ser a "chave geral" do robô. A bateria da foto abaixo consegue fornecer 
(nominalmente) 12 volts e 6800 mAh e pesa cerca de 200g. 




Pack de bateria Li-Ion com circuito de carregamento interno.



Também é fácil de 
encontrar "cases" ou "boxes" para células Li-Ion. Estes cases são 
exatamente a mesma coisa que o pack acima, mas vêm vazios, sem as 
células. O usuário deve comprar as células à parte. A vantagem é que é 
fácil de substituir as células sempre que necessário, sem perder o 
"case".






Abaixo uma tabela comparando a quantidade de energia (em Watts/hora) que pode ser armazenada em uma bateria pesando 1 quilo:






         Tipo
         Potência/Kg 
    

        LiPo
        180-200 Wh (?)
    

         Li-Ion
         150 Wh
    

         NiMh
         60-100 Wh
    

         Chumbo ácido
         25 Wh