Por que razão a tensão de carregamento mais elevada possível nem sempre é a melhor opção — e como a tensão, o BMS, a temperatura e a estratégia de carregamento atuam em conjunto para maximizar o desempenho das baterias de LiFePO₄

As baterias de fosfato de ferro e lítio (LiFePO₄) têm-se tornado cada vez mais populares em sistemas de armazenamento de energia, carrinhos de golfe elétricos, autocaravanas, veículos elétricos de baixa velocidade, equipamento industrial, sistemas de alimentação de emergência e outras aplicações exigentes. Em comparação com as baterias tradicionais de chumbo-ácido, a tecnologia LiFePO₄ oferece uma combinação de longa vida útil, elevada capacidade útil, desempenho estável e requisitos de manutenção relativamente reduzidos.

No entanto, a tensão de carga continua a ser um dos aspetos mais mal compreendidos de Bateria LiFePO4 operação.

Uma ideia comum é que uma bateria deve ser sempre carregada à tensão mais elevada possível para atingir a capacidade máxima. Na realidade, a tensão de carregamento deve ser selecionada de acordo com a configuração das células, o sistema de gestão da bateria (BMS), a corrente de carregamento, a temperatura de funcionamento e os requisitos da aplicação.

Compreender estes fatores é essencial para alcançar o equilíbrio certo entre a velocidade de carregamento, a capacidade útil, a segurança e a vida útil da bateria a longo prazo.

Compreender a tensão das células de LiFePO₄

Uma célula LiFePO₄ típica tem uma tensão nominal de 3,2 V. Este valor nominal descreve a tensão de funcionamento típica da célula e não deve ser confundido com a sua tensão máxima de carga.

Durante o funcionamento normal, a tensão da célula varia de acordo com o estado de carga (SOC), a corrente de carga ou de descarga, a temperatura e o estado da célula.

Para criar sistemas de baterias de tensão mais elevada, as células individuais são ligadas em série. É por isso que os conjuntos de baterias LiFePO₄ comuns estão disponíveis em configurações de 12 V, 24 V, 48 V e tensões superiores.

Sistema de baterias	Configuração típica de uma célula	Tensão nominal	Tensão máxima de carga comum
Célula única	1S	3,2 V	3,65 V
12 V LiFePO₄	4S	12.8V	14.6V
24 V LiFePO₄	8S	25.6V	29.2V
LiFePO4 de 48 V	16S	51,2 V	58,4 V

Estes valores representam configurações comuns e não requisitos universais. A tensão de carga exata deve ser sempre determinada de acordo com as especificações das células da bateria e do sistema completo da bateria.

Por que razão se utiliza habitualmente 3,65 V como limite superior de tensão?

No caso de muitas células de LiFePO₄, 3,65 V por célula é especificada como a tensão máxima de carga.

À medida que uma célula de LiFePO₄ se aproxima desta tensão, já se encontra próxima de um estado de carga total. Aumentar a tensão para além do limite especificado pelo fabricante não traz qualquer vantagem significativa e pode aumentar o stress eletroquímico na célula.

Por exemplo, uma bateria LiFePO₄ 4S convencional pode ter uma tensão máxima de carga de:

3,65 V × 4 = 14,6 V

Uma bateria 8S corresponderia a:

3,65 V × 8 = 29,2 V

E uma bateria 16S corresponderia a:

3,65 V × 16 = 58,4 V

É importante compreender que isto é um tensão máxima de carga, e não uma tensão na qual a bateria deva permanecer continuamente.

Em muitas aplicações, levar repetidamente a bateria até ao limite superior absoluto de tensão pode proporcionar apenas um aumento relativamente pequeno da capacidade útil, ao mesmo tempo que pode acelerar o envelhecimento a longo prazo.

Como funciona a carga CC/CV com baterias de LiFePO₄

A maioria dos sistemas de carregamento de LiFePO4 utiliza um corrente constante/tensão constante (CC/CV) processo de carregamento.

Durante a primeira fase, o carregador fornece uma corrente relativamente estável, enquanto a tensão da bateria aumenta gradualmente.

Assim que a bateria atingir o limite de tensão configurado, o carregador passa para a fase de tensão constante. O carregador mantém a tensão pretendida enquanto a corrente de carregamento diminui gradualmente.

Quando a corrente desce para o nível de terminação especificado, o ciclo de carregamento é concluído ou o carregador passa para um estado de espera ou de manutenção, dependendo da conceção do sistema.

Esta estratégia de carregamento é importante porque a bateria não precisa de receber a corrente máxima durante todo o ciclo de carregamento. À medida que a bateria se aproxima da carga completa, a redução da corrente ajuda a evitar tensões elétricas e químicas desnecessárias.

Por conseguinte, a avaliação de um sistema de carregamento de LiFePO4 exige mais do que simplesmente verificar se o carregador está identificado como 12 V, 24 V ou 48 V. A corrente de carregamento, os limites de tensão, as condições de interrupção do carregamento e as definições do BMS têm de ser considerados em conjunto.

Escolha da tensão de carregamento para baterias LiFePO4 de 12 V, 24 V e 48 V

A tensão de carga necessária pode, geralmente, ser estimada a partir do número de células ligadas em série.

Baterias LiFePO4 de 12 V

Uma classe típica de 12 V Bateria LiFePO4 utiliza quatro células em série e tem uma tensão nominal de 12,8 V.

Uma tensão máxima de carga frequentemente utilizada é:

14.6V

Estas baterias são amplamente utilizadas em autocaravanas, aplicações náuticas, armazenamento de energia solar, sistemas de alimentação de emergência e vários dispositivos elétricos de baixa tensão.

Baterias LiFePO4 de 24 V

Uma bateria típica da classe de 24 V utiliza oito células em série e tem uma tensão nominal de 25,6 V.

Uma tensão máxima de carga frequentemente utilizada é:

29.2V

Esta classe de tensão é frequentemente encontrada em equipamento industrial, sistemas de armazenamento de energia, equipamento de serviços públicos de eletricidade e em determinados veículos elétricos de baixa velocidade.

Baterias LiFePO4 de 48 V

Uma bateria LiFePO4 típica da classe de 48 V utiliza 16 células em série, produzindo uma tensão nominal de 51,2 V.

Uma tensão máxima de carga frequentemente utilizada é:

58,4 V

Os sistemas LiFePO4 da classe 48 V são cada vez mais utilizados no armazenamento de energia, em carrinhos de golfe, em veículos utilitários elétricos, em equipamento industrial, em sistemas de backup de comunicações e noutras aplicações de maior potência.

À medida que a tensão do sistema aumenta, o isolamento adequado, a instalação elétrica, os conectores, os fusíveis, a conceção do BMS e a proteção elétrica global tornam-se cada vez mais importantes.

Por que é que o BMS é tão importante?

O sistema de gestão da bateria é um dos componentes mais importantes de um conjunto de baterias de LiFePO₄.

Um BMS devidamente concebido pode monitorizar parâmetros como a tensão de cada célula, a tensão total do conjunto de baterias, a corrente e a temperatura. Dependendo do sistema, também pode oferecer proteção contra sobretensão, subtensão, sobrecorrente, curto-circuitos e condições de temperatura anormais.

A monitorização ao nível das células é particularmente importante em conjuntos de baterias ligados em série.

Por exemplo, uma bateria 16S pode apresentar uma tensão total aparentemente normal, enquanto uma célula específica já se aproxima do seu limite superior de tensão. Se o sistema monitorizar apenas a tensão total do conjunto de baterias, este desequilíbrio poderá não ser detetado com a devida antecedência.

Por este motivo, um sistema de baterias LiFePO4 fiável requer mais do que a simples seleção de uma tensão total de carga adequada. A proteção individual das células, o comportamento de equilíbrio, a monitorização da temperatura e o controlo da carga contribuem, todos eles, para a segurança e o desempenho globais da bateria.

Para RICHYE Os sistemas de baterias LiFePO4, que combinam as células, o BMS, o carregador e a aplicação pretendida, são, por isso, muito mais importantes do que a simples seleção de um carregador com base na tensão nominal da bateria.

A temperatura pode alterar a equação do carregamento

A tensão é apenas uma das variáveis na equação do carregamento. A temperatura é igualmente importante.

As baterias LiFePO4 não devem ser carregadas fora do intervalo de temperatura especificado pelo fabricante da célula ou da bateria.

O carregamento a baixas temperaturas merece uma atenção especial. Em condições de frio suficiente, as células de iões de lítio podem sofrer um processo indesejável de deposição de lítio durante o carregamento. A exposição repetida a condições inadequadas de carregamento a baixas temperaturas pode resultar numa perda permanente de capacidade e num aumento da resistência interna.

No caso das baterias concebidas para climas frios, os fabricantes podem incorporar proteções contra o carregamento a baixas temperaturas, sensores de temperatura, aquecedores de bateria ou outras soluções de gestão térmica.

As temperaturas elevadas também merecem atenção. As temperaturas elevadas podem acelerar o envelhecimento da bateria e aumentar o desgaste associado ao carregamento com corrente elevada.

Isto é especialmente relevante para sistemas de armazenamento de energia ao ar livre, veículos elétricos, equipamento para relvados e jardins, maquinaria industrial e outras aplicações que possam estar sujeitas a grandes variações de temperatura.

Uma bateria de LiFePO₄ necessita de carregamento de manutenção contínuo?

As baterias de LiFePO₄ não requerem necessariamente a mesma estratégia de carregamento de manutenção contínuo que é habitualmente utilizada com as baterias de chumbo-ácido.

Se um sistema exigir que a bateria se mantenha totalmente carregada e imediatamente disponível, pode ser adequado manter um estado de carga adequado. No entanto, nem sempre é necessário manter uma bateria de LiFePO4 continuamente à sua tensão máxima.

Em aplicações como autocaravanas, armazenamento de energia solar e energia de reserva, a bateria pode permanecer durante períodos significativos com um nível de carga (SOC) elevado sem estar a ser utilizada ativamente.

Quando a aplicação não requer a capacidade máxima em todos os momentos, uma estratégia de carregamento que evite a exposição desnecessariamente prolongada ao intervalo de SOC mais elevado pode ser benéfica para o envelhecimento da bateria a longo prazo.

A abordagem correta depende, portanto, da aplicação, em vez de se seguir uma única regra de carregamento para todas as baterias de LiFePO₄.

A tensão de carregamento não é o único fator que determina a vida útil da bateria

A durabilidade da bateria depende de uma combinação de condições de funcionamento.

Entre os fatores importantes contam-se:

• Tensão de carga
• Corrente de carga
• Profundidade de descarga
• Tempo passado com um SOC elevado
• Temperatura de funcionamento
• Temperatura de carregamento
• Consistência celular
• Configuração do BMS
• Frequência de carregamento
• Qualidade geral da bateria

Por exemplo, o simples facto de reduzir a tensão de carregamento não garante automaticamente uma maior duração da bateria.

Se a tensão for definida num valor demasiado baixo, a bateria poderá nunca atingir o estado de carga pretendido. Em alguns modelos de bateria, um carregamento insuficiente também pode impedir que o BMS desempenhe eficazmente a sua função de equilíbrio prevista.

O objetivo deve, portanto, ser estabelecer um perfil de carregamento que satisfaça as necessidades energéticas da aplicação sem sobrecarregar desnecessariamente as células.

Erros comuns no carregamento de baterias LiFePO4

Vários erros de carregamento ocorrem repetidamente em aplicações reais.

Utilização de um carregador incompatível é uma das mais comuns. Embora o LiFePO₄ pertença à família mais ampla das baterias de iões de lítio, as diferentes composições químicas das baterias de lítio têm requisitos de tensão distintos. Não se deve partir automaticamente do princípio de que um carregador concebido para outra composição química seja compatível.

Considerando apenas a tensão total da bateria é outro erro. Numa bateria ligada em série, a tensão de cada célula e o equilíbrio entre as células são tão importantes quanto a tensão total do conjunto.

Carregamento em condições de frio extremo também pode causar problemas. A proteção contra baixas temperaturas deve ser considerada uma parte importante do sistema da bateria, em vez de algo que possa ser resolvido simplesmente reduzindo a corrente de carregamento.

Outro erro comum é manter a bateria continuamente no nível máximo de SOC quando isso não é necessário.

Por fim, os utilizadores não devem considerar o BMS como um substituto de um carregador devidamente configurado. A proteção do BMS é, acima de tudo, um mecanismo de segurança e controlo; o carregamento normal deve continuar a ser realizado com equipamento concebido de acordo com as especificações da bateria.

Como escolher a estratégia de carregamento adequada para baterias LiFePO4

Para um cálculo rápido, a tensão máxima teórica de carga pode ser estimada utilizando:

Tensão máxima de carga ≈ Tensão máxima de carga da célula × Número de células em série

Utilizando 3,65 V por célula como referência comum:

• 4S = 14,6 V
• 8S = 29,2 V
• 16S = 58,4 V

No entanto, este cálculo deve ser considerado um ponto de partida e não uma regra universal para a tarifação.

Antes de escolher um carregador ou configurar um sistema de carregamento, os utilizadores devem verificar as especificações do fabricante relativas à célula, ao conjunto de baterias, ao BMS, à corrente de carregamento admissível, ao intervalo de temperatura e à aplicação pretendida.

No caso de um sistema LiFePO4 concebido por profissionais, como os desenvolvidos pela RICHYE, o objetivo não é simplesmente maximizar a tensão de carga. O objetivo é criar um sistema coordenado no qual o as células, o BMS, o carregador, as condições térmicas e a carga elétrica funcionam dentro de parâmetros compatíveis.

Esta abordagem reveste-se de particular importância para aplicações de elevado número de ciclos, tais como veículos elétricos, equipamento industrial, sistemas de armazenamento de energia, carrinhos de golfe e sistemas de energia de reserva para uso comercial.

Considerações finais

A tensão de carga do LiFePO4 pode parecer uma especificação simples, mas, na realidade, faz parte de um conjunto muito mais vasto de fatores relacionados com a gestão da bateria.

Um valor de 3,65 V por célula é habitualmente utilizado como limite superior de carga para as células de LiFePO₄, o que corresponde a aproximadamente 14,6 V para uma bateria de 4S, 29,2 V para uma bateria de 8S e 58,4 V para uma bateria de 16S.

No entanto, atingir sempre a tensão máxima não é necessariamente a melhor estratégia para todas as aplicações.

A abordagem mais fiável consiste em seguir as especificações das células e do conjunto de baterias em questão, tendo em conta a corrente de carregamento, o SOC, a temperatura, a proteção do BMS, os requisitos de equilíbrio e o ambiente de funcionamento.

Quando o carregador, o BMS, as células, o sistema de gestão térmica e a carga elétrica estão devidamente combinados, a tecnologia LiFePO4 consegue oferecer uma combinação de longa vida útil, desempenho fiável e elevada energia utilizável, o que a tem tornado cada vez mais valiosa em aplicações modernas de energia e energia elétrica.