Aviação: Baterias

Célula Primária

A pilha seca é o tipo mais comum de bateria de célula primária e tem características semelhantes às de uma pilha eletrolítica. Este tipo de bateria é basicamente projetado com um eletrodo metálico ou haste de grafite atuando como terminal catódico (+), imerso em uma pasta eletrolítica. Este acúmulo de eletrodo⁄eletrolítico é então envolto em um recipiente de metal, geralmente feito de zinco, que atua como o terminal ânodo (-). Quando a bateria está em condição de descarga, ocorre uma reação eletroquímica resultando no consumo de um dos metais. Devido a este consumo, o processo de carregamento não é reversível. A tentativa de reverter a reação química em uma célula primária por meio de recarga geralmente é perigosa e pode levar à explosão da bateria. 

Essas baterias são comumente usadas para alimentar itens como lanternas. As células primárias mais comuns hoje são encontradas em baterias alcalinas, óxido de prata e baterias de lítio. As primeiras células de carbono-zinco, com um pino de carbono como cátodo e uma casca de zinco como ânodo, já foram predominantes, mas não são tão comuns. 

Célula Secundária 

Uma célula secundária é qualquer tipo de célula eletrolítica na qual a reação eletroquímica que libera energia é reversível. A bateria de chumbo-ácido do carro é uma bateria de célula secundária. O eletrólito é o ácido sulfúrico (ácido de bateria), o eletrodo positivo é o peróxido de chumbo e o eletrodo negativo é o chumbo. Uma bateria de chumbo-ácido típica consiste em seis células de chumbo-ácido em uma caixa. Cada célula produz 2 volts, então toda a bateria produz um total de 12 volts.  

Outros tipos de química de célula secundária comumente usados ​​são níquel cádmio (NiCd), hidreto metálico de níquel (NiMH), íon de lítio (íon de lítio) e polímero de íon de lítio (polímero de íon de lítio).

As baterias de chumbo-ácido usadas em aeronaves são semelhantes às baterias de automóveis. A bateria de chumbo-ácido é composta por uma série de células idênticas, cada uma contendo conjuntos de placas positivas e negativas. A figura ilustra que cada célula contém placas positivas de dióxido de chumbo (PbO2), placas negativas de chumbo esponjoso e eletrólito (ácido sulfúrico e água). Uma célula prática é construída com muito mais placas do que apenas duas para obter a saída de corrente necessária. Todas as placas positivas são conectadas entre si, assim como todas as negativas. Como cada placa positiva está sempre posicionada entre duas placas negativas, sempre há uma ou mais placas negativas do que placas positivas.

Entre as placas há separadores porosos que impedem que as placas positivas e negativas se toquem e causem curto-circuito na célula. Os separadores possuem nervuras verticais no lado voltado para a placa positiva. Esta construção permite que o eletrólito circule livremente ao redor das placas. Além disso, fornece um caminho para o sedimento se depositar no fundo da célula.

Cada célula está assentada em um invólucro de borracha dura em cujo topo estão os postes terminais e um orifício no qual uma tampa de ventilação anti-derramamento é aparafusada. O orifício fornece acesso para testar a força do eletrólito e adicionar água. O bujão de ventilação permite que os gases escapem da célula com um mínimo de vazamento de eletrólito, independentemente da posição que o avião possa assumir. Em vôo nivelado, o peso de chumbo permite a ventilação de gases através de um pequeno orifício. No vôo invertido, este buraco é coberto pelo peso de chumbo.   

As células individuais da bateria são conectadas em série por meio de tiras de células. O conjunto completo é encerrado em um recipiente de metal resistente a ácidos (caixa de bateria), que serve como blindagem elétrica e proteção mecânica. A caixa da bateria tem um topo removível. Ele também tem um bocal de tubo de ventilação em cada extremidade. Quando a bateria é instalada em um avião, um tubo de ventilação é conectado a cada bocal. Um tubo é o tubo de entrada e está exposto ao fluxo de deslizamento. O outro é o tubo de ventilação de exaustão e está ligado ao reservatório de drenagem da bateria, que é um frasco de vidro contendo uma almofada de feltro umedecida com uma solução concentrada de bicarbonato de sódio (bicarbonato de sódio). Com este arranjo, o fluxo de ar é direcionado através da caixa da bateria, onde os gases da bateria são recolhidos, neutralizados no reservatório e, em seguida, expelidos ao mar sem danos ao avião.

Para facilitar a instalação e remoção da bateria em algumas aeronaves, um conjunto de desconexão rápida é usado para conectar os cabos de alimentação à bateria. Este conjunto conecta os cabos da bateria na aeronave a um receptáculo montado na lateral da bateria. O receptáculo cobre os terminais da bateria e evita curtos acidentais durante a instalação e remoção da bateria. O plugue consiste em um soquete e um volante com uma rosca de passo de curso. Ele pode ser facilmente conectado ao receptáculo pelo volante. Outra vantagem desta montagem é que o plugue pode ser instalado em apenas uma posição, eliminando a possibilidade de inversão dos fios da bateria. 

A tensão da célula de chumbo-ácido é de aproximadamente dois volts para atingir a tensão necessária para a aplicação. Cada célula é então conectada em série com tiras de metal de calibre pesado para formar uma bateria. Em uma bateria típica, como a usada em uma aeronave para partida, a tensão necessária é de 12 ou 24 volts. Esta tensão é obtida conectando seis células ou doze células, respectivamente, em série e encerrando-as em uma caixa de plástico.

Cada célula contendo as placas é preenchida com um eletrólito composto de ácido sulfúrico e água destilada com gravidade específica de 1,270 a 60 °F. Esta solução contém íons positivos de hidrogênio e íons negativos de sulfato (SO4) que são livres para combinar com outros íons e formar um novo composto químico. Quando a célula é descarregada, os elétrons deixam a placa negativa e fluem para as placas positivas, onde fazem com que o dióxido de chumbo (PbO2) se decomponha em íons negativos de oxigênio e íons de chumbo positivos. Os íons negativos de oxigênio se unem aos íons positivos de hidrogênio do ácido sulfúrico e formam água (H2O). Os íons negativos de sulfato se unem aos íons de chumbo em ambas as placas e formam sulfato de chumbo (PbSO4). Após a descarga, a gravidade específica muda para cerca de 1.150. 

Classificações da bateria 

A tensão de uma bateria é determinada pelo número de células conectadas em série para formar a bateria. Embora a voltagem de uma célula de chumbo-ácido removida de um carregador seja de aproximadamente 2,2 volts, uma célula de chumbo-ácido é normalmente avaliada em aproximadamente 2 volts. Uma bateria de 12 volts consiste em 6 células de chumbo-ácido conectadas em série, e uma bateria de 24 volts é composta de 12 células.  

A classificação de bateria mais comum é a classificação de amp-hora. Esta é uma unidade de medida para a capacidade da bateria. É determinado pela multiplicação de um fluxo de corrente em amperes pelo tempo em horas que a bateria está sendo descarregada. 

Uma bateria com capacidade de 1 ampere-hora deve ser capaz de fornecer continuamente uma corrente de 1 ampere a uma carga por exatamente 1 hora, ou 2 amperes por 1/2 hora, ou 1/3 ampere por 3 horas, etc., antes de ser completamente descarregado. Na verdade, a saída de amperes-hora de uma bateria específica depende da taxa na qual ela é descarregada. A corrente de descarga pesada aquece a bateria e diminui sua eficiência e a saída total de amperes-hora. Para baterias de avião, um período de 5 horas foi estabelecido como o tempo de descarga na capacidade nominal da bateria. No entanto, este tempo de 5 horas é apenas uma base para classificação e não significa necessariamente o período de tempo durante o qual a bateria deve fornecer corrente. Sob condições reais de serviço, a bateria pode ser completamente descarregada em poucos minutos, 

A capacidade de amperes-hora de uma bateria depende de sua área total de placa efetiva. A conexão de baterias em paralelo aumenta a capacidade de amperes-hora. Conectar baterias em série aumenta a tensão total, mas não a capacidade de amperes-hora. 

Ciclo de vida de uma bateria 

O ciclo de vida da bateria é definido como o número de ciclos completos de carga/descarga que uma bateria pode realizar antes que sua capacidade normal de carga caia abaixo de 80% de sua capacidade nominal inicial. A vida útil da bateria pode variar de 500 a 1.300 ciclos. Vários fatores podem causar a deterioração de uma bateria e reduzir sua vida útil. A primeira é a descarga excessiva, que causa excesso de sulfatação; segundo, carregamento ou descarregamento muito rápido que resulta em superaquecimento das placas e derramamento de material ativo. O acúmulo de material derramado, por sua vez, causa curto-circuito nas placas e resulta em descarga interna. Uma bateria que permanece baixa ou descarregada por um longo período de tempo pode ser danificada permanentemente. A deterioração pode continuar a um ponto em que a capacidade da célula pode cair para 80% após 1.000 ciclos. Em muitos casos,    

Métodos de teste de bateria de chumbo-ácido 

O estado de carga de uma bateria de armazenamento depende da condição de seus materiais ativos, principalmente as placas. No entanto, o estado de carga de uma bateria é indicado pela densidade do eletrólito e é verificado por um hidrômetro, instrumento que mede a gravidade específica (peso em relação à água) dos líquidos.  

O hidrômetro mais comumente usado consiste em um pequeno tubo de vidro selado com peso em sua extremidade inferior para que flutue na vertical. Dentro da haste estreita do tubo há uma escala de papel com um intervalo de 1.100 a 1.300. Quando um hidrômetro é usado, uma quantidade de eletrólito suficiente para flutuar o hidrômetro é puxada para dentro da seringa. A profundidade em que o hidrômetro afunda no eletrólito é determinada pela densidade do eletrólito, e o valor da escala indicado no nível do eletrólito é sua gravidade específica. Quanto mais denso o eletrólito, mais alto o hidrômetro flutua; portanto, o número mais alto na escala (1.300) está na extremidade inferior da escala do hidrômetro.

Em uma nova bateria de armazenamento de aeronave totalmente carregada, o eletrólito é aproximadamente 30% ácido e 70% água (em volume) e é 1.300 vezes mais pesado que a água pura. Durante a descarga, a solução (eletrólito) torna-se menos densa e sua gravidade específica cai abaixo de 1.300. Uma leitura de gravidade específica entre 1,300 e 1,275 indica um alto estado de carga; entre 1,275 e 1,240, um estado de carga médio; e entre 1.240 e 1.200, um baixo estado de carga. As baterias de aeronaves são geralmente de pequena capacidade, mas estão sujeitas a cargas pesadas. Os valores especificados para o estado de carga são, portanto, bastante altos. Testes de hidrômetros são feitos periodicamente em todas as baterias de armazenamento instaladas nas aeronaves. Uma bateria de aeronave em baixo estado de carga pode ter talvez 50% de carga restante, mas mesmo assim é considerado baixo diante de grandes demandas que logo o esgotariam. Considera-se que uma bateria em tal estado de carga necessita de recarga imediata.

Quando uma bateria é testada usando um hidrômetro, a temperatura do eletrólito deve ser levada em consideração. As leituras de gravidade específica no hidrômetro variam da gravidade específica real à medida que a temperatura muda. Nenhuma correção é necessária quando a temperatura está entre 70 °F e 90 °F, pois a variação não é grande o suficiente para ser considerada. Quando as temperaturas são superiores a 90 °F ou inferiores a 70 °F, é necessário aplicar um fator de correção. Alguns hidrômetros estão equipados com uma escala de correção dentro do tubo. Com outros hidrômetros, é necessário consultar uma tabela fornecida pelo fabricante. Em ambos os casos, as correções devem ser somadas ou subtraídas da leitura mostrada no hidrômetro. 

A gravidade específica de uma célula é confiável apenas se nada foi adicionado ao eletrólito, exceto pequenas quantidades ocasionais de água destilada para substituir aquela perdida como resultado da evaporação normal. Sempre faça as leituras do hidrômetro antes de adicionar água destilada, nunca depois. Isso é necessário para dar tempo para que a água se misture completamente com o eletrólito e para evitar que seja aspirada na seringa do densímetro uma amostra que não represente a verdadeira força da solução.

Tenha extremo cuidado ao fazer o teste de hidrômetro de uma célula de chumbo-ácido. Manuseie o eletrólito com cuidado porque o ácido sulfúrico queima a roupa e a pele. Se o ácido entrar em contato com a pele, lave bem a área com água e aplique bicarbonato de sódio. 

Métodos de carregamento de baterias de chumbo-ácido 

A passagem de corrente contínua pela bateria na direção oposta à da corrente de descarga pode carregar uma bateria de armazenamento. Por causa da resistência interna (IR) na bateria, a tensão da fonte de carregamento externa deve ser maior que a tensão do circuito aberto. Por exemplo, a tensão de circuito aberto de uma bateria de chumbo-ácido de 12 células totalmente carregada é de aproximadamente 26,4 volts (12 × 2,2 volts), mas são necessários aproximadamente 28 volts para carregá-la. Essa tensão maior é necessária para carregar por causa da queda de tensão na bateria causada pela resistência interna. Portanto, a tensão de carga de uma bateria de chumbo-ácido deve ser igual à tensão de circuito aberto mais a queda de IR dentro da bateria (produto da corrente de carga e da resistência interna).    

As baterias são carregadas pelo método de tensão constante ou corrente constante. No método de tensão constante, um grupo gerador de motor com uma tensão constante e regulada força a corrente através da bateria. Nesse método, a corrente no início do processo é alta, mas diminui automaticamente, atingindo um valor de aproximadamente 1 ampere quando a bateria está totalmente carregada. O método de tensão constante requer menos tempo e supervisão do que o método de corrente constante.

No método de corrente constante, a corrente permanece quase constante durante todo o processo de carregamento. Este método requer mais tempo para carregar totalmente uma bateria e, no final do processo, apresenta o perigo de sobrecarga, se não for tomado cuidado. 

Na aeronave, a bateria de armazenamento é carregada por corrente contínua do sistema gerador da aeronave. Este método de carregamento é o método de tensão constante, uma vez que a tensão do gerador é mantida constante pelo uso de um regulador de tensão.

Quando uma bateria de armazenamento está sendo carregada, ela gera uma certa quantidade de hidrogênio e oxigênio. Uma vez que esta é uma mistura explosiva, é importante tomar medidas para evitar a ignição da mistura gasosa. Solte as tampas de ventilação e deixe no lugar. Não permita chamas abertas, faíscas ou outras fontes de ignição nas proximidades. Antes de desconectar ou conectar uma bateria à carga, sempre desligue a energia por meio de um interruptor remoto. A figura mostra o equipamento de carregamento da bateria.  

Baterias de níquel-cádmio 

Química e Construção 

Os materiais ativos nas células de níquel-cádmio (Ni-Cad) são hidrato de níquel (NiOOH) na placa positiva carregada (ânodo) e cádmio esponja (Cd) na placa negativa carregada (cátodo). O eletrólito é uma solução de hidróxido de potássio (KOH) na concentração de 20-34 por cento em peso de KOH puro em água destilada.

As células de níquel-cádmio sinterizado têm matrizes de níquel sinterizado relativamente finas formando uma estrutura de grade de placas. A estrutura da grade é altamente porosa e está impregnada com o material ativo positivo (hidróxido de níquel) e o material negativo (hidróxido de cádmio). As placas são então formadas por sinterização de pó de níquel em tela de arame de malha fina. Em outras variações do processo, o material ativo na matriz sinterizada é convertido quimicamente, ou termicamente, a um estado ativo e então formado. Em geral, há muitas etapas para esses ciclos de impregnação e formação. As células de placas sinterizadas finas são ideais para serviço de carga e descarga de taxa muito alta. As células de níquel-cádmio de placa de bolso têm o material ativo positivo ou negativo, pressionado em bolsas de placas de aço niqueladas perfuradas ou em tubos. O material ativo é preso de forma segura em contato com um coletor de corrente de metal, de modo que o derramamento de material ativo é amplamente eliminado. Os designs das placas variam em espessura dependendo dos requisitos de serviço de ciclismo. A tensão típica da célula de circuito aberto de uma bateria de níquel-cádmio é de cerca de 1,25 volts.

Operação de células de níquel-cádmio 

Quando uma corrente de carga é aplicada a uma bateria de níquel-cádmio, as placas negativas perdem oxigênio e começam a formar cádmio metálico. O material ativo das placas positivas, hidróxido de níquel, torna-se mais altamente oxidado. Este processo continua enquanto a corrente de carga é aplicada ou até que todo o oxigênio seja removido das placas negativas e apenas o cádmio permaneça.  

Perto do final do ciclo de carregamento, as células emitem gás. Isso também ocorre se as células estiverem sobrecarregadas. Este gás é causado pela decomposição da água no eletrólito em hidrogênio nas placas negativas e oxigênio nas placas positivas. A voltagem usada durante o carregamento, bem como a temperatura, determina quando ocorre a gaseificação. Para carregar completamente uma bateria de níquel-cádmio, algum gás, mesmo que leve, deve ocorrer; assim, alguma água é usada.

A ação química é revertida durante a descarga. As placas positivas liberam lentamente o oxigênio, que é recuperado pelas placas negativas. Este processo resulta na conversão da energia química em energia elétrica. Durante a descarga, as placas absorvem uma quantidade do eletrólito. Na recarga, o nível do eletrólito aumenta e, com carga total, o eletrólito está em seu nível mais alto. Portanto, a água deve ser adicionada somente quando a bateria estiver totalmente carregada.

A bateria de níquel-cádmio é geralmente intercambiável com o tipo chumbo-ácido. Ao substituir uma bateria de chumbo-ácido por uma bateria de níquel-cádmio, o compartimento da bateria deve estar limpo, seco e livre de qualquer vestígio de ácido da bateria antiga. O compartimento deve ser lavado e neutralizado com solução de amônia ou ácido bórico, deixado secar bem e depois pintado com verniz resistente a álcalis.

A almofada na jarra do reservatório da bateria deve ser saturada com uma solução de três por cento (em peso) de ácido bórico e água antes de conectar o sistema de ventilação da bateria. 

Baterias de chumbo-ácido (SLA) seladas 

Em muitas aplicações, as baterias de chumbo-ácido seladas (SLA) estão ganhando uso em relação às baterias de chumbo-ácido inundadas e baterias de Ni-Cad. Uma característica principal das baterias Ni-Cad é que elas funcionam bem em aplicações de baixa tensão, descarga total e alto ciclo. No entanto, eles não funcionam tão bem em aplicações de espera estendida, como baterias auxiliares ou de emergência usadas para alimentar unidades de referência inerciais ou equipamentos de espera (giroscópio de atitude).   

É típico durante a manutenção de uma bateria Ni-Cad combinar até vinte células individuais para evitar o desequilíbrio e, portanto, a reversão da célula durante o final da descarga. Quando um Ni-Cad inverte, pode resultar em pressão e calor muito altos. O resultado é muitas vezes a ruptura do selo de pressão e, no pior dos casos, uma explosão da célula. Com baterias SLA, a correspondência de células é inerente a cada bateria. Ni-Cads também possuem uma característica indesejável causada por sobrecargas constantes e descargas infrequentes, como em aplicações de standby. É tecnicamente conhecido como “depressão de tensão” e comumente, mas erroneamente, chamado de “efeito de memória”. Esta característica só é detectável quando se tenta uma descarga completa. Assim, é possível acreditar que existe uma carga completa, quando na verdade não existe.

A bateria de emergência Ni-Cad requer equipamentos de teste relativamente complicados devido às características complexas do Ni-Cad. As baterias de chumbo-ácido seladas não possuem essas características temperamentais e, portanto, não é necessário adquirir equipamentos especiais de manutenção de baterias. Alguns fabricantes de baterias SLA incluíram nas baterias um meio pelo qual a bateria pode ser testada enquanto ainda está instalada na aeronave. Os Ni-Cads devem ter um teste de energia programado realizado na bancada devido à incapacidade de medir seu nível de energia na aeronave e por causa de sua notável deficiência de “memória”. 

A bateria SLA pode ser projetada para alertar o técnico se uma bateria estiver falhando. Além disso, pode ser possível testar os circuitos de detecção de falhas ativando um botão Built in Test (BITE). Essa prática reduz significativamente a papelada da FAA e a carga de trabalho de manutenção.

Baterias de íon de lítio 

As baterias de íon de lítio são o principal tipo de bateria para muitos tipos de equipamentos de consumo, como telefones celulares, ferramentas alimentadas por bateria e computadores, mas agora também estão sendo usadas em aeronaves comerciais e militares. A FAA certificou baterias de íon de lítio para serem usadas em aeronaves e uma das primeiras aeronaves a utilizar a bateria de íon de lítio é o Boeing 787. Os três principais componentes funcionais de uma bateria de íon de lítio são os eletrodos positivos e negativos e o eletrólito. Geralmente, o eletrodo negativo de uma célula de íons de lítio convencional é feito de carbono. O eletrodo positivo é um óxido metálico e o eletrólito é um sal de lítio em um solvente orgânico. Os papéis eletroquímicos dos eletrodos se invertem entre ânodo e cátodo, dependendo da direção do fluxo de corrente através da célula. As baterias de íons de lítio podem ser perigosas sob algumas condições e podem representar um risco à segurança, pois contêm, ao contrário de outras baterias recarregáveis, um eletrólito inflamável e também são mantidas pressurizadas. Sob certas condições, eles podem superaquecer e pode ocorrer um incêndio. A aeronave Boeing 787 utiliza duas grandes baterias de íon de lítio de 32V e 8 células. Essas baterias são muito mais leves e poderosas do que as baterias Ni-Cad usadas em aeronaves de tamanho semelhante. Essas baterias podem produzir 150 A para ligar o avião. Essas baterias são muito mais leves e poderosas do que as baterias Ni-Cad usadas em aeronaves de tamanho semelhante. Essas baterias podem produzir 150 A para ligar o avião. Essas baterias são muito mais leves e poderosas do que as baterias Ni-Cad usadas em aeronaves de tamanho semelhante. Essas baterias podem produzir 150 A para ligar o avião.