Funcionamento e detalhes da Bateria chumbo ácido automotiva


bat1As baterias são chamadas na engenharia automotiva de acumuladores de energia. No sistema elétrico automotivo cabe a bateria acumular energia para que esta seja utilizada nos consumidores de energia(Iluminação, rede de bordo e motor de partida.). A bateria também deve aceitar recarga e garantir o funcionamento do motor de partida sempre que solicitado. Ela também é comumente instalada próximo ao motor de partida, para evitar ao máximo as perdas por conta do chicote elétrico, mas existem casos em que ela está instalada no porta-malas.

Componentes:

  • Caixa;
  • Elemento acumulador;
  • Bornes;
  • Tampas.

bat2Caixa: Possui a função de alojar todos os componentes da bateria, também possui divisórias para alocar isoladamente os elementos acumuladores. A caixa também deve suportar o ataque químico do eletrólito. Plásticos simples e borracha entraram em desuso na fabricação da caixa da bateria e atualmente as caixas são fabricadas em polipropileno ou policarbonato, pois apresentam resistência contra vazamento do eletrólito. Antigamente possuíam tampas para colocação de água desmineralizada, ação essa que fazia parte da manutenção do veículo, hoje em dia a caixa é totalmente selada sem a necessidade de completar o nível de eletrólito(livre de manutenção – free maintenance).

bat3Bornes: Trata-se dos pontos de conexão da bateria com o chicote elétrico do veículo, a bateria dispõe de dois bornes, positivo(+) e negativo(-), que diferem entre si por algumas características. O borne positivo é mais grosso e possui tonalidade mais escura em relação ao borne negativo, além disso, na caixa, próximo ao borne positivo está destacado o sinal (+). Consequentemente o borne negativo é mais claro e mais fino, e também é destacado pelo sinal (-) próximo a ele. Adiante você saberá o motivo da diferença de tonalidade entre os bornes;

Bocal aberto, tampas retiradas.  Crédito foto: http://www.evilution.co.uk/

Bocal aberto, tampas retiradas.
Crédito foto: http://www.evilution.co.uk/

Tampas(apenas em baterias antigas): Nas baterias antigas, cada compartimento de elementos era dotado de um bocal com tampa. O objetivo disso era dispor de orifícios para evacuação dos gases provenientes das reações químicas, a necessidade de se completar o nível do eletrólito e a verificação da densidade de solução eletrolítica. Estas duas últimas ações eram manutenções básicas das baterias, e foram abolidas quando estas passaram a serem seladas e livres de manutenção. Por consequência, as tampas também deixaram de existir.

Crédito foto: Livro do Automóvel

Crédito foto: Livro do Automóvel

Elemento acumulador: É componente responsável pela energia da bateria, a bateria em si. O elemento acumulador transforma a energia química em energia elétrica, é constituído pelos bornes, placas e separadores.

Placas positivas: As placas positivas são formadas por grades feitas de peróxido de chumbo(PbO2) ou antimônio(PbSb), e por conta disso suas placas são mais escuras. O borne positivo liga todas as placas positivas em um só ponto, possui a mesma tonalidade das placas, sendo então mais escuro que o borne negativo;

Placas negativas: São grades formadas por chumbo puro(Pb) ou liga de chumbo-cálcio(PbCa), suas placas são mais claras em relação as placas positivas. O borne negativo liga todas as placas negativas em um só ponto, possui a mesma tonalidade das placas, sendo então mais claro que o borne positivo. Tanto o conjunto de placas negativas e positivas são apoiados sobre pontes, não tocam o fundo da caixa e liberam espaço para resíduos que se soltam das placas.

Separadores: Como a montagem das placas é feita de forma que estas fiquem dispostas de forma alternada entre positivas e negativas, faz necessário a colocação de compostos isolantes entre as placas para evitar o seu curto-circuito. Estes compostos são os separadores, que geralmente são feitos de plástico ou papel poroso.

Características:

Crédito foto: Exide Battery

Crédito foto: Exide Battery

Estado de Carga(State of charge – %): A quantidade de energia elétrica armazenada pela bateria e um determinado tempo em relação a sua condição 100%. Essa medida depende de sua taxa de descarga;

Tensão de circuito aberto(Open circuit voltage – V): É a medição convencional de tensão da bateria livre de ligações com os circuitos.

Capacidade: Trata-se da corrente máxima que a bateria fornece em Ah(ampere hora), esse valor é reduzido a medida que a bateria se descarrega;

Capacidade nominal: É uma característica dependente dos componentes internos da bateria, estes influenciam na quantidade de carga que a bateria pode fornecer dentro de 20h, e até que a tensão de descarga seja 10,5V, e com corrente de descarga constante, além de temperatura ambiente de 25ºC. 

Corrente de teste a frio(Cold Cranking Amps): A redução da temperatura afeta a capacidade desta de fornecer uma tensão e corrente adequadas para partida. A corrente de teste a frio mede a capacidade de fornecimento de corrente pela a bateria à baixas temperaturas, no caso 18ºC. Neste caso a tensão da bateira deve ser de pelo menos 7,5V 30s após a descarga. Os fatores influentes dessa corrente são a quantidade de placas, sua área de superfície, a distância entre as placas, o material de fabricação dos separadores e a resistência interna. Quanto melhor a corrente de teste a frio, mais rápida será a força de partida da bateria;

Capacidade de reserva(Reserve Capacity): Na ausência do alternador, a bateria terá que suprir a demanda de energia elétrica do veículo. A capacidade reserva mede o quão a bateria poderá sustentar o funcionamento do sistema elétrico a uma temperatura de 26ºC, corrente de descarga de 25A até que a tensão da bateria atinja 10,5V;

Eletrólito: É uma solução eletrolítica composta de 34% de ácido sulfúrico e 66% de água destilada, com densidade ρ igual a 1,20 g/cm3 à 26ºC;

Funcionamento:

Crédito foto: http://www.propertiesofmatter.si.edu/

Crédito foto: http://www.propertiesofmatter.si.edu/

Basicamente o funcionamento da bateria é o funcionamento do seu elemento acumulador, este fica em imerso na caixa da bateria, e esta abastecida com solução eletrolítica. Uma bateria automotiva convencional dispõe de seis elementos ao todo, cada elemento desempenha uma tensão de 2,2V(volts) quando totalmente carregado, ou seja, quando o material ativo da placa positiva é PbO2 ou PbSb e o material ativo da placa negativa é o chumbo esponjoso. Assim a solução será água e ácido sulfúrico.

Para que a bateria disponha de 12V os elementos acumuladores devem estar ligados entre si, sendo possível três formas de serem ligados. Em série, paralelo e com uma combinação das duas formas, mistas. Cada tipo de ligação objetiva incrementar a tensão ou a capacidade em A·h da bateria, ou ainda as duas propriedades.

Quando os acumuladores estão ligados em série, o borne negativo do primeiro acumulador se liga ao borne positivo do segundo, e assim sucessivamente até o sexto acumulador. Desta forma ficam livres os bornes positivo do primeiro acumulador e negativo do sexto acumulador, e estes dois bornes são os que se projetam para fora da bateria. Nas ligações em série, o objetivo é aumentar a tensão total. Se cada acumulador possui 2,2V, então os seis ligados em série produziram 13,2V sem que a bateria esteja ligada circuito algum. Por outro lado, a capacidade em A·h dos acumuladores não se somam.

No caso de uma ligação em paralelo entre acumuladores temos que os bornes positivo e negativo de cada acumulador se ligam aos seus respectivos bornes do acumulador seguinte. O objetivo neste tipo de ligação é aumentar a capacidade em A·h da bateria. Sendo assim, se cada acumulador desempenha 6A/h, os seis acumuladores em paralelo produzirão 36A/h. Contudo, os valores de tensão não se somam, e a tensão é igual a tensão nominal de 2,2V de cada elemento acumulador.

Além das duas ligações explicadas acima, também existem ligações mistas entre elementos acumuladores. Trata-se de ligações aonde ambas ligações em série e paralelo são utilizadas, ou seja, temos as placas dispostas em paralelo, mas com seus elementos ligados em série. Isso garante que a bateria tenha sua capacidade A·h adequada as necessidades do sistema elétrico automotivo e também a tensão com valor de 12V.

Depois de feitas as associações de elementos e placas, estes são colocados na caixa que é abastecida com solução eletrolítica e finalmente a bateria está pronta para ser instalada no automóvel. Depois de ligados os chicotes positivo e negativo do sistema elétrico do veículo aos bornes da bateria, os consumidores passam a descarregar a bateria. Dentro da bateria a solução eletrolítica reage com o PbO2 e com o chumbo esponjoso, das placas positivas e negativas respectivamente. A reação gera uma corrente elétrica do borne positivo para o negativo, neste momento a energia química foi transformada em energia elétrica. Em contrapartida solução eletrolítica perde parte de seu conteúdo de ácido sulfúrico, e passa a ter mais água. Além disso ocorre o acumulo de sulfato de chumbo sobre as placas a medida que a bateria se descarrega.

Uma vez que o motor está em funcionamento, o alternador se encarrega recarregar a bateria, aplicando uma corrente elétrica contínua do borne negativo para o positivo. Ao circular pelas placas, a corrente elétrica causa uma reação contrária a descarga, o sulfato de chumbo volta a sua forma de PbO2 e chumbo esponjoso, além do aumento da concentração de ácido sulfúrico, ou seja, a bateria está sendo recarregada.

Manutenção:

bat8Com as baterias free maintenance – livres de manutenção, não existe mais manutenções periódicas de sua solução eletrolítica. Contudo, é sempre bem vindo a verificação da tensão da bateria com o multímetro(leia mais aqui), do estado de carga(olho da bateria – batery eye), do aperto dos conectores dos bornes e da incrustação de zinabre nos bornes das baterias.

As baterias possuem o chamado “olho da bateria”, que é basicamente uma lente aonde pode ser observado o estado de carga da bateria. Geralmente, quando o olho indica coloração preta significa que o estado de carga da bateria é 0%, logo quando o olho indica uma coloração verde significa dizer que o estado de carga da bateria está acima de 70%.

Crédito foto: Wikihow

Crédito foto: Wikihow

A conferência do aperto dos conetores da bateria é importante pois o mau contato entre borne e conector pode levar ao não funcionamento do veículo, além disso quando folgados, os conectores, levam a formação de uma pasta de coloração azul chamada zinabre. O zinabre impede o fluxo de corrente da bateria para o chicote elétrico, consequentemente seu acumulo exagerado pode levar a um maior índice de fuga de corrente e então a descarga da bateria.

Em baterias antigas, de veículos antigos, é comum a verificação do nível de solução eletrolítica com um aparelho chamado densímetro. Este mede a densidade da solução, e o valor medido é verificado em uma tabela do fabricante que indica as densidades para cada estado de carga da bateria. Quando é verificado uma densidade correspondente a um estado de carga muito baixo, faz-se necessária o complemento do nível de solução eletrolítica da bateria com água desmineralizada. A medição da densidade da solução é realizada em cada placa da bateria, sendo por este motivo que bateria antigas possuem quantidade de tampas de acesso igual a quantidade de placas.

Manuseio:

bat10Embora aparentemente seguras, as baterias são componentes que comumente apresentam vazamentos de sua solução eletrolítica. Por ser uma solução ácida seu vazamento pode levar a sérias queimaduras, podendo cegar caso atinjam os olhos. Portanto as baterias devem ser manuseadas com as mão protegidas por luvas, óculos de proteção e de forma alguma devem ser colocadas próximas a cabeça e ou desniveladas. O ideal é que sejam carregadas com auxílio de algum carrinho de ferramentas.

Deve-se sempre seguir o procedimento de instalação e desinstalação dos conectores da bateria. No ato de instalação coloca-se primeiramente o conector do borne negativo, para então proceder a colocação do borne positivo. Contrariamente, na desmontagem é retirado primeiramente o conector do borne positivo, e em seguida o conector do borne negativo. Este procedimento deve ser rigorosamente seguido pois as baterias expulsam o vapor da solução eletrolítica contida através de um pequeno suspiro. Este vapor é inflamável e faíscas se propagando próximo a bateria podem desencadear uma combustão dos vapores, e por consequência uma explosão. Então, ao se retirar os conectores de forma errada, pequenas faísca ocorrerão, e estas podem resultar em um acidente.

O estoque de baterias também deve ser realizado com alguns cuidados, além do manuseio dito acima, as baterias necessitam de um rigoroso controle de seus lotes, pois possuem prazo de validade até serem instaladas no veículo. Por isso, as grandes empresas planejam seus lotes de baterias para serem utilizados dentro de um tempo determinado tempo evitando problemas por descarregamento. Os fornecedores de baterias também exigem das montadoras controles dos lotes de baterias(Fifo – First in first out) enviados ou do contrário terão a garantia negada. Além disso, o local aonde as baterias serão estocadas também possuem algumas particularidades, dentre elas as baterias não podem ser estocadas no chão, geralmente permanecem estocadas nos pallets ou em estruturas próprias para esse fim. Isso se deve ao fato da bateria não estar diretamente em contato com o calor do solo, o que a faria perder carga dependendo do quão quente o solo estará. Em baterias antigas também eram frequentes os vazamentos de solução eletrolítica devido a pouca estanqueidade de suas caixas, problema atualmente resolvido.

Principais problemas:

bat11O maior problema das baterias automotivas chama-se sulfatação. Que nada mais é do que o acumulo de sulfato de chumbo sobre as placas dos elementos acumuladores. A sulfatação ocorre quando a bateria é submetida a um período de descarga muito logo, e sem a devida recarga para realizar a reação inversa e dissolver o sulfato de chumbo. O resultado é a inutilização do elemento acumulador, e logo da bateria, pois a camada de sulfato de chumbo não permite a passagem da corrente elétrica proveniente do alternador, o que impede que a reação de carga ocorra e o sulfato inscrutrado reaja voltando a sua forma de PbO2 e chumbo esponjoso. Muitas vezes é possível fazer a bateria voltar a permitir recarga, contudo em muitos caso o período de descarga foi tão grande que a bateria até admite recarga, mas torna-se incapaz de efetuar o acionamento do motor de partida.

Problemas de sulfatação são geralmente atribuídos a alternadores com mau funcionamento, veículos parados por um longo período de tempo sem manutenção, lotes de bateria mau programados, esquecimento de componentes elétricos ligados após o uso do veículo e problemas de fuga de corrente no sistema elétrico do automóvel.

Crédito foto: Photobucket

Crédito foto: Photobucket

O superaquecimento da bateria e a liberação de fumaça em excesso pelo respiro da bateria são dois problemas causados pela sobrecarga da mesma. As baterias automotivas são desenvolvidas para atingir uma tensão máxima de 13-14V quando em funcionamento no veículo, se por algum motivo a tensão da bateria começar a ultrapassar esse valor, a quantidade de vapor proveniente da solução eletrolítica também irá aumentar, mas devido ao pequeno orifício de respiro, esse vapor não conseguirá ser expulso de forma eficiente, então a bateria aumenta consideravelmente de temperatura, incha e em casos extremos pode explodir.

Os problemas de superaquecimento são causados por falhas no alternador e negligência na utilização de recarregadores de bateria.


Acadêmico de Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Ceará (UFC), Técnico em mecânica automotiva pelo Senai-CE e IFCE, certificado Six Sigma Green Belt. Profissional dedicado a área automobilística, com 8 anos de experiência no mercado automotivo, do setor de peças a qualidade em montadoras. Atualmente participa do projeto de extensão Siara Baja da Universidade Federal do Ceará.

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