ESTUDO DOS SOBREPOTENCIAIS E LIMITAÇÃO DA CAPACIDADE DURANTE A DESCARGA DE CÉLULAS DE BATERIAS DE CHUMBO-ÁCIDO EMPREGANDO MODELAGEM E SIMULAÇÃO

Abstract

Este trabalho teve por objetivo empregar um modelo eletroquímico de células de baterias de chumbo-ácido (LAB do inglês Lead Acid Battery) para obter, por meio de simulações, informações que contribuam para o desenvolvimento de métodos para estimativa do estado de carga (SOC do inglês State of Charge) e estado de saúde (SOH do inglês State of Health) destas baterias. Após a validação do modelo, foi explorado o comportamento das suas variáveis durante uma descarga e o consumo do material ativo ao longo dos eletrodos positivo e negativo, que está diretamente relacionado com a capacidade e o SOC. As causas da queda de capacidade das LAB com o aumento da corrente de descarga foram investigadas e relacionadas aos sobrepotenciais que se desenvolvem nos eletrodos. Foi analisada a sensibilidade da eficiência da utilização do material ativo das células de LAB aos parâmetros empíricos e geométricos utilizados e quais desses parâmetros tem efeito mais significativo no desempenho em diferentes taxas de descarga. Estimativas de capacidade de LAB e de suas células pela equação empírica de Peukert, amplamente empregada para este propósito, e uma equação apresentada por D’Alkaine et al. foram comparadas e debatido em que condições suas aplicações são válidas. Três equações de decaimento exponencial, com o mesmo objetivo, foram propostas e seus resultados comparados com a equação empírica de Peukert. Devido a acurácia na estimativa da capacidade e baixa complexidade, as equações apresentadas podem ser facilmente empregadas em sistemas de gerenciamento de baterias (BMS do inglês Battery Management System) para monitoramento do SOC e a distinção dos parâmetros obtidos para LAB de diferentes aplicações, em duas destas equações, possibilitam a caracterização e a categorização de baterias. O estudo da quantidade de transporte de eletrólito no eletrodo positivo de células de LAB revelou dois decaimentos exponenciais de capacidade distintos entre a região adjacente ao reservatório de eletrólito e o centro do eletrodo. Esses decaimentos foram modelados para células em diferentes condições de operação e envelhecimento e correntes de fluxo iônico calculadas a partir dos parâmetros da equação de decaimento exponencial de duas fases apresentada. A análise do comportamento destas correntes de fluxo iônico possibilita determinar qual o mecanismo de envelhecimento preponderante e estimativa do SOH. Adicionalmente, um método para separar e quantificar os sobrepotenciais que ocorrem nas células de LAB durante a descarga é proposto e o resultado de três taxas de descarga é comparado.