Baterias

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: 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 do que as baterias Li-Po, 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.


.

Célula de bateria LiFe

Pack que internamente combina várias células

.

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

Baterias Li-Ion

Muito importante: Células de baterias 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 instável 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