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Artigo 01: Baterias para Mini-z

Olá pessoal! Eu sou Doug, piloto apaixonado de Mini-z e hobbysta como vocês. Tentarei compartilhar um pouco da minha experiência e dos conhecimentos adquiridos ao longo do tempo, com muita pesquisa, aulas de química e física da graduação além de experimentações em pista e fora dela. No artigo de hoje, vamos falar sobre o que dá vida aos Mini-z, as baterias! E como baterias armazenam energia, falaremos também dos carregadores, para que você possa escolher, de acordo com o seu orçamento, o melhor equipamento disponível.

Vamos começar com um glossário básico. Muitas coisas são conhecidas por um nome e possuem um nome técnico que pode ser utilizado para facilitar o entendimento dos conceitos:

Glossário:

Break in: É o processo de ativação da célula, feita durante a primeira carga assim que se tira as células da embalagem.

Capacidade de carga: Medida em mAh ou Mili-Ampére Hora, e expressa muito sobre a célula. Na teoria, a capacidade de carga total é medida pela corrente que ela consegue manter durante uma hora sob descarga constante. Também representada por 1C.

Células: São as Pilhas e Baterias. Pilhas não são recarregáveis, e baterias são. Chamemos todas de células para uniformizar o texto.

Corrente: Também conhecida vulgarmente como “amperagem”. É medida em Ampére ou mili-Ampére no caso de Mini-z, no ato da carga ou descarga da bateria. 1A = 1.000mA.

Life Cycle: Número de cargas que a bateria pode passar durante sua vida útil.

Pack: No Mini-z, são 4 células em série, sejam elas pilhas ou baterias.

Punch: É o termo usado para descrever a capacidade que a célula tem de suprir a corrente requerida pelo sistema que está alimentando. Veremos mais abaixo como isso influi no comportamento do Mini-z na pista.

Run Time: Tempo de duração da bateria em pista.

Tensão: É medida em Volts (V), e atualmente o dicionário já incorporou o termo Voltagem (para o terror dos professores de física!). Uma pilha alcalina, quando carregada, apresenta tensão de 1,5V. Uma bateria de NiMh apresenta entre 1,2 e 1,25V (chamam estas de HV – High Voltage – Alta Tensão). Este valor é importante para entender o desempenho do carro e do processo de carregamento.

Tipos de baterias:

Aqui começam as dúvidas de quem está iniciando, e principalmente de quem vem de outras escalas: O que é NiMh? Por que NiMh e não LiPo ou LiFe, já tão consolidadas em outras escalas e modalidades?

As restrições ao uso de baterias apenas às NiMh em campeonatos regionais que estão se desenvolvendo no Brasil é uma referência tomada dos campeonatos mundiais. Atualmente, apenas a PN Racing (fabricante americana de upgrades e peças para Mini-z) e a KO Propo (fabricante de rádios que era associada à Kyosho na tecnologia eletrônica do Z) estão promovendo campeonatos em escala mundial, portanto há uma tendência a seguir estas regras e proporcionar um campeonato mais equilibrado.

NiMh é a sigla para Níquel-Metal-Hidreto, substância básica da composição das baterias recarregáveis  que usamos no Mini-z, este tipo de baterias apresenta várias vantagens e alguma desvantagens quando comparadas às outras tecnologias disponíveis: Dificilmente explodem durante a carga (a não ser que submetidas à condições muito acima das especificações), possui média densidade de carga (menos eficientes que Lipos e Lifes), podem ser carregadas com uma variedade maior de carregadores, e possuem razoável capacidade de descarga instantânea (punch).

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LiPo é a abreviação de Lithium Phosfate, Ou fosfato de Lítio. Estas células apresentam maior tensão (3.7V nominal, trabalham na faixa de 3,0 a 3,9V, e 4.2V no pico de carga), são mais leves e mais eficientes que NiMh. Já testei Lipo 2S (duas células em série = 8.4V) no Mini-z com sucesso, mas não recomendo para evitar queima da placa (principalmente do servo) por excesso de tensão e corrente disponível. Use por sua própria conta e risco!

LiFe é a abreviação de Lithium Iron Phosfate, Ou Lítio-Ferro Fosfato. Apresentam quase as mesmas características da LiPo, mas não explodem e possui tensão ligeiramente menor (3.2V nominal, com tensão de trabalho entre 3.3V e 3.0V, pico de carga a 3.65V). Há baterias de LiFe disponíveis para uso em Mini-z, o que proporciona menor peso e mais potência, mas como efeito colateral, possuem menor run-time, e devido ao menor peso, deixam o carro muito leve e com centro de gravidade (CG) mais alto do que usando NiMh. Recomendada para pilotos experientes, pois “potência não é nada sem controle!”

Agora que entendemos os tipos de baterias, vamos focar na NiMh:

Formação do pack:

Seu Mini-z possui espaço para usar 4 células em série, duas de cada lado do chassi. Essas baterias são presas por clipes plásticos, mantendo-as no lugar durante toda a corrida. Cada célula possui tensão nominal de 1,2V, ou 1,25V. Quando ligadas em série, são somadas as tensões, então um pack carregado possui pouco mais de 5V, pois a tensão de uma bateria é maior quando totalmente carregada. A placa do Mini-z é projetada para esta tensão, portanto todos os componentes são dimensionados para isso (FETs de potência, circuitos de servo, rádio, etc) e possuem um limite inferior de tensão de cerca de 3,5V. Portanto se seu pack não tiver esta tensão, o carro não liga.

Carregando os packs!

Ok, você comprou um pack de baterias e quer carregar eles da melhor forma possível, para obter o melhor punch, ou o melhor run time, ou o melhor life cycle. O que fazer? Qual carregador usar? Como configurar?

Os melhores carregadores para Mini-z funcionam carregando as células individualmente. Os carregadores de LiPo carregam balanceando as células, mas como temos células individuais e a química é diferente, é complicado fazer um carregador que carregue em série balanceando como as LiPos, então este é o melhor sistema disponível atualmente. Citando os melhores carregadores do mercado, temos o SkyRc NC2500 (com Bluetooth para mostrar o gráfico de carga e programação dos parâmetros), o MaHa C9000, O Orion X4 e o Lacrosse (fazem tudo que o SkyRC fazem, só não têm a interface gráfica).

Qual corrente de carga e descarga eu uso? Quantos mA?

Para uso normal, depois da primeira carga, a recomendação é 1C, onde C é a capacidade nominal da bateria. Se a capacidade nominal é 900mAh, 1C = 900mA, ou 0,9A. Se é 750mA, 1C = 750mA. Algumas baterias aguentam corrente superior a 1C, mas lembre-se do cobertor curto: Quanto maior a corrente de carga, mais rápida a reação química ocorre dentro da célula, o que causa aquecimento. O aquecimento acima de 45°C danifica a bateria a longo prazo, diminuindo o Life Cycle, mas também proporciona maior punch, pois quanto mais rápida a reação de carga, mais rápida fica a reação de descarga.

Se você não liga para o Life Cycle, as boas baterias do mercado aguentam 1,5 a 2C de carga, mas em questão de meses o pack apresentará uma queda significativa de desempenho, e você terá de substituí-los com maior frequência.

Carregando os packs de forma individual:

Primeira carga (Break in): As baterias vêm descarregadas, e precisam ser ativadas. Na primeira carga, as moléculas internas do carregador são ativadas, e para uma ativação uniforme e completa, recomenda-se a menor corrente que seu tempo e paciência permitir. Para baterias entre 700 e 1.000mAh de capacidade, recomendo um ciclo composto de: Carga a 0,2A seguido de Descarga a 0,5A e na sequência uma carga de 0,7A ou 1A. Desta forma você consegue ativar a célula de maneira uniforme, maximizando seu rendimento durante todo o Life Cycle.

Existem carregadores que fazem o processo de Break in automaticamente em uma programação específica, em que você apenas insere a capacidade nominal da célula e ele se encarrega de fazer o processo de carga lenta / descarga / carga automaticamente.

Demais cargas: Se utilizar sempre o carregador individual e boas baterias, pode usar 0,7 a 1A que terá um bom punch e uma Life Time muito boa.

Carregando os packs em série (carregadores Imax e demais carregadores de Lipo)

Primeira carga: Recomenda-se fazer o mesmo processo acima, porém célula por célula. Este procedimento garante a ativação de cada célula individualmente, evitando danos às células.

Demais cargas: Carga a 0,7 a 1A, e a cada 20 ciclos uma descarga / carga individual.

Por que ter um carregador individual se o meu em série funciona bem?

Esta discussão é boa, e precisa de um pouco de teoria para entender como funciona a carga e principalmente como o carregador determina o tempo certo de carga.

Os carregadores de NiMh utilizam o ΔV (diferença de tensão em um curto espaço de tempo), para detectar quando a célula está completamente carregada. Quando analisamos um gráfico de carga, vemos um aumento gradual da tensão da célula até um pico de tensão, e depois uma leve queda. Este é o sinal que o carregador enxerga que a célula está carregada: Mantendo a corrente de carga, a tensão começa a cair ao invés de se manter em constante subida.

Gráfico de carga

Ao utilizar um carregador em série, o carregador passa a enxergar o conjunto de células como uma única célula. Então suponha que você pegue uma célula totalmente carregada e outra totalmente descarregada. Na média, você tem uma célula que teria meia carga. Então ao aplicar a corrente, como está em série, a carga será distribuída igualmente entre as duas células. O que vai acontecer? A célula cheia continuará sendo carregada além de sua capacidade, o que danifica permanentemente a célula, e este efeito é cumulativo, podendo em certos casos causar inclusive o vazamento ou explosão da célula por super-aquecimento! Em compensação, a célula que estava vazia não será totalmente carregada, sendo interrompida a carga antes do final.

Resultados práticos: O Run Time do pack vai diminuir, assim como o punch, e também terá um Life Cycle cada vez menor, pois quando tirar a bateria do carro, elas continuarão diferentes!

Este é o motivo principal de que não seja utilizado o carregador em série. Para amenizar este efeito danoso às células, pode ser utilizado um descarregador individual (ou equalizador), disponível para venda nas lojas de hobby ou mesmo soluções caseiras utilizando resistências e lâmpadas / leds. Existem vários tutoriais disponíveis na internet para a construção destes equalizadores, que devem ser utilizados antes do início de cada ciclo.

Montando packs (matching)!

Agora que você entendeu como funciona a carga e a importância que este processo tem no desempenho geral do seu carro, como montar um “pack campeão”?

São necessárias várias células e muita paciência para fazer isso. Vou dar um exemplo utilizando 4 packs. Você tem 16 células iguais (mesmo fabricante e capacidade) para reagrupa-los de acordo com a sua capacidade. É necessário um ciclo de descarga / carga, sendo que o ideal é padronizar o procedimento e repetir pelo menos duas vezes com cada célula, anotando o valor obtido no primeiro e no segundo ciclo, respeitando tempos de descanso e corrente utilizada.

Ex: Pegue o primeiro pack e coloque para descarregar as 4 células individualmente a 0,3A. Ao final deste ciclo, deixe o pack descansando no carregador por 2 horas (resfriamento e equalização). Após estas duas horas, carregue a 1C. Anote a quantidade de mAh que entrou em cada bateria. Repita este procedimento, respeitando o intervalo de 2 horas entre a descarga e a carga. É importante avaliar a consistência entre os resultados. Se for maior que 20%, repita o procedimento e descarte o menor valor.

Depois de feitos os procedimentos com todas as 16 células, basta reagrupar as células na ordem de maior para menor capacidade.

Pack 1: 780, 770, 750, 747

Pack 2: 730, 724, 720, 706

Pack 3: 690, 685, 648, 630

Pack 4: 620, 602, 595, 530

Feito isso, utilize os packs 3 e 4 com mais frequência para treino, usando os packs 1 e 2 apenas uma vez por dia em treinos e para competição.

O “matching” como é chamado este procedimento, é feito considerando também a resistência interna das células, mas a análise é mais complexa e pouquíssimos carregadores trazem medições confiáveis deste parâmetro.

Manutenção de células:

Baterias de NiMh devem ser guardadas carregadas, e é recomendável um ciclo de carga e descarga uma vez a cada 3 meses, caso fiquem paradas por muito tempo (além de um psicólogo para os efeitos da abstinência de Mini-z). Caso tenha tempo, uma vez a cada 15 dias dê uma carga a 1C para mantê-las carregadas, se utilizar carregador individual. Se utilizar em série, equalize primeiro, depois carregue.

Caso vocês tenham sugestões ou dúvidas sobre este artigo, mandem um e-mail para doug01n@gmail.com, que terei prazer em esclarecer e debater o assunto.

Abraço a todos, e ótimas corridaZ!

Doug