Calculadora de baterias estacionárias: dimensionamento, autonomia e ensaio de capacidade

O que faz esta calculadora

Quatro cálculos sobre o mesmo banco, em quatro separadores:

1. Dimensionamento. A partir do perfil de carga, a capacidade mínima a instalar e, se indicar o número de elementos e a corrente do carregador, a energia da bateria e o tempo de recarga.
2. Autonomia. Quanto tempo aguentará um banco já instalado perante uma corrente constante.
3. Ensaio de capacidade. Que percentagem da capacidade nominal deu uma descarga real, corrigida segundo a IEEE 450-2020, a IEC 60896-21:2004 ou a IEC 61056-1:2012, e quando cabe o próximo ensaio.
4. Resistência interna. A resistência e a corrente de curto-circuito a partir de dois patamares de corrente, segundo a IEC 60896-21:2004 ou a EN 61960.

Dimensionamento segundo a IEEE 485-2020

O método completo da IEEE 485-2020 divide o perfil de carga em secções e procura, para cada uma, o tamanho de elemento que a cobre usando as curvas de capacidade do fabricante. Esta calculadora aplica a versão simplificada usada para um primeiro cálculo:

1. Somam-se os ampère-hora exigidos pelo perfil: Σ (corrente × duração).
2. Aplica-se o fator de temperatura correspondente à temperatura mínima do local. Interpola-se entre os pontos da tabela da IEEE 485-2020 — 1,00 a 25 °C; 1,04 a 21,1 °C; 1,11 a 15,6 °C; 1,19 a 10 °C; 1,30 a 4,4 °C; 1,59 a −6,7 °C — e acima de 25 °C não se toma crédito, que é o critério conservador.
3. Aplica-se o fator de envelhecimento, 1,25 por convenção.
4. Acrescenta-se a margem de projeto, tipicamente entre 10 % e 15 %.

O resultado é a capacidade mínima em ampère-hora. Não é o tamanho definitivo do elemento: para isso é preciso entrar nas curvas do fabricante com o regime de descarga real, porque uma bateria não entrega a mesma capacidade a 1 hora e a 8.

Autonomia estimada

O segundo separador usa a equação de Peukert,

t = H × (C / (H × I))^n

onde C é a capacidade nominal, H o regime a que está dada (8 ou 10 horas na maioria das estacionárias), I a corrente de descarga e n o expoente de Peukert, entre 1,1 e 1,3 em chumbo-ácido.

É uma aproximação conhecida e cómoda, mas uma aproximação: afasta-se da realidade em descargas muito rápidas e a correntes muito pequenas, e não contempla a tensão final de descarga nem o estado de carga inicial. Serve para decidir se um banco está folgado ou justo; não para certificar uma autonomia.

Ensaio de capacidade segundo a IEEE 450-2020

A única forma de saber que capacidade tem uma bateria é descarregá-la. O terceiro separador calcula

Capacidade (%) = (tempo atingido / tempo esperado) × 100

corrigida pela temperatura média dos elementos durante o ensaio com o fator da IEEE 450-2020, 1 + 0,008 × (T − 25 °C). Com os elementos a 30 °C a bateria rende mais, e sem corrigir registar-se-ia um resultado cerca de 4 % melhor do que o real.

Interpretação: 90 % ou mais, serviço normal; entre 80 % e 90 %, encurtar o intervalo entre ensaios; abaixo de 80 %, substituir.

Energia e tempo de recarga

Com o número de elementos em série e a tensão média de descarga por elemento —entre 1,9 e 2,0 V em chumbo-ácido—, a calculadora dá a energia da bateria requerida, E = N × V média × C, que é como a IEC TS 62933-3-1:2018 a exprime para os sistemas de armazenamento. Usa a capacidade já corrigida pela temperatura, envelhecimento e margem, porque essa especificação exige que os valores nominais se mantenham no fim de vida e na pior temperatura: é o mesmo raciocínio do fator 1,25.

A mesma especificação pede que se considere o tempo de recuperação: o que a bateria demora a ficar pronta para o ciclo seguinte. A calculadora estima a fase com corrente limitada como Ah descarregados × fator de recarga / corrente do carregador, com um fator de 1,10 a 1,15 em chumbo-ácido. A absorção a tensão constante acrescenta várias horas, pelo que o resultado é um mínimo.

Ensaio segundo a IEC 60896-21:2004 e a IEC 61056-1:2012

Na Europa, os ensaios de baterias VRLA estacionárias são reportados segundo a IEC 60896-21:2004. A capacidade medida, corrente × tempo, é corrigida para a temperatura de referência escolhida —20 °C ou 25 °C— com a temperatura da unidade imediatamente antes da descarga, que deve estar entre 18 °C e 27 °C:

Ca = C / [1 + λ × (θ − 20)] (ou θ − 25)

Num ensaio de colocação em serviço a descarga termina quando a cadeia chega a N × U final ou quando o primeiro bloco chega a n × U final − 0,2 × √n, o que acontecer primeiro. Numa cadeia de oito monoblocos de 12 V descarregada a C3, isso dá 81,6 V para a cadeia ou 9,71 V para o primeiro bloco. A calculadora dá os dois valores se indicar a tensão do bloco.

As baterias VRLA pequenas —UPS, iluminação de emergência, equipamentos portáteis— seguem a IEC 61056-1:2012. Aí a referência é a C20: descarga a I20 = C20 / 20 até 1,75 V/elemento, a 20 ± 2 °C ou 25 ± 2 °C, sem correção pela temperatura. A capacidade real é Ca = t × I20 e deve atingir C20; numa bateria nova a norma admite até cinco descargas. Exige ainda que a 20 × I20 a bateria aguente pelo menos 20 minutos até 1,6 V/elemento.

Vida esperada e próximo ensaio

A vida de uma bateria de chumbo depende sobretudo da temperatura: a IEC 60896-21:2004 (nota de 3.36) e o guia VRLA da Eurobat reduzem-na para metade por cada 10 °C de temperatura média acima de 20 °C. Uma bateria com 10 anos de vida de projeto a trabalhar a 30 °C dura cerca de 5. Com a vida assim corrigida, a calculadora aplica os intervalos da IEEE 450-2020:

• Abaixo de 80 %: substituir.
• 90 % ou menos, queda de mais de 10 pontos desde o ensaio anterior ou 85 % da vida consumida: ensaio anual (de dois em dois anos se, mesmo no fim da vida, a bateria ainda der 100 %).
• Caso contrário: a cada 25 % da vida esperada ou a cada 5 anos, o que chegar primeiro. O primeiro ensaio, nos dois primeiros anos de serviço.

Resistência interna

O quarto separador aplica o método de dois patamares de corrente. Em chumbo, o da IEC 60896-21:2004, com a unidade carregada e entre 20 °C e 25 °C: 4 × I10, leitura aos 20 s e corte antes dos 25 s; cinco minutos em circuito aberto sem recarregar; 20 × I10, leitura aos 5 s. Em lítio, o da EN 61960: 0,2 It durante 10 s e, sem interromper, 1,0 It durante 1 s. Em ambos os casos

R = (U1 − U2) / (I2 − I1)

e prolongando a reta até tensão zero obtém-se a corrente de curto-circuito, Icc = (U1 × I2 − U2 × I1) / (U1 − U2), o dado para dimensionar fusíveis e disjuntores. A IEC 60896-21:2004 atribui ao método uma exatidão de ±10 %, pelo que diferenças menores em relação ao valor do fabricante não são significativas. Com a bateria descarregada, a corrente de curto-circuito desce para cerca de 60 %. A resistência interna serve para acompanhar a evolução de um banco, não para conhecer a sua capacidade: só o ensaio de descarga a dá.

Exemplo resolvido

Sistema de 125 V c.c. numa subestação cujo local desce a 10 °C no inverno. Perfil: 120 A durante o primeiro minuto, 25 A durante 179 minutos e 80 A no último minuto.

• Consumo do perfil: 120×(1/60) + 25×(179/60) + 80×(1/60) = 77,9 Ah
• Fator de temperatura a 10 °C: 1,19
• Com envelhecimento 1,25 e margem de 10 %: 77,9 × 1,19 × 1,25 × 1,10 = 127 Ah

Um elemento de 150 Ah ao regime de 8 horas cobre o perfil com folga; um de 125 Ah ficaria no limite e teria de ser verificado na curva do fabricante antes de comprar.

O que esta calculadora não faz

Não substitui o método por secções da IEEE 485-2020 nem as curvas do fabricante, que são as que mandam no dimensionamento final. Não dimensiona o carregador: o tempo de recarga é uma estimativa da fase com corrente limitada. E não diz nada sobre a capacidade de um banco instalado sem um ensaio de descarga: a resistência interna ajuda a acompanhar a sua evolução, mas o ensaio é a única medida que nenhum cálculo substitui.

Com que se mede

O ensaio de capacidade faz-se com um descarregador de baterias capaz de manter a corrente constante e registar a tensão de cada elemento durante toda a descarga. O resto do ciclo de manutenção — carga, verificação de elementos e monitorização — está coberto pela mesma gama.

Se preferir não escolher o equipamento à mão, o seletor de carregadores e descarregadores propõe o modelo concreto a partir da tensão do banco, da corrente e do tipo de ensaio.