Abertura

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Baterias Níquel-Cádmio

Constituição · funcionamento · carga · inspeção e manutenção

Baseado em: [FAA-9] Aviation Maintenance Technician Handbook · [IAC-MB8] IAC — Baterias

Prof. Fabriciu Alarcão Veiga Benini

Professor de Ensino Básico, Técnico e Tecnológico · Área Aeronáutica
Engenheiro Eletricista · Mestre em Sistemas Dinâmicos · Doutor em Telecomunicações

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO
Campus São Carlos · Técnico em Manutenção de Aeronáutica em Célula

O caminho · as perguntas

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O que este estudo responde

O que são as baterias de níquel-cádmio e como se distinguem das de chumbo-ácido.
Como elas funcionam.
Como se carregam.
O que se inspeciona e como se faz a manutenção.

Objetivos de aprendizagem

Ao final desta semana, você deve ser capaz de: (1) explicar a constituição e o funcionamento da bateria NiCd; (2) descrever o procedimento de carga correto; (3) executar a inspeção e identificar os problemas típicos; (4) aplicar as normas de segurança na manipulação de baterias.

Normas de referência

RBAC 91 — requisitos para operação aérea · FAA CFR Part 91 — requisitos de iluminação e equipamentos · Manual do fabricante da bateria — procedimentos específicos de manutenção e carga.

Vocabulário · o básico

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Vocabulário essencial

Célula: o elemento básico da bateria, formado por placas positivas e negativas, separadores e eletrólito.
Eletrodo: cada uma das placas, positiva e negativa, que troca carga com o eletrólito.
Eletrólito alcalino: a solução de hidróxido de potássio (KOH) em água que conduz a corrente entre as placas.
Separador: a faixa de plástico poroso que isola uma placa da outra sem impedir a passagem do eletrólito.
Vaso: o reservatório que envolve as placas e o eletrólito, formando o corpo da célula.
Ventilação: o sistema que deixa escapar os gases da sobrecarga e ajuda a resfriar a bateria na operação normal.

Elemento simples de bateria: eletrodos positivo e negativo imersos no eletrólito.

Vocabulário · o operacional

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Vocabulário operacional

DC: corrente contínua, o tipo de corrente que a bateria entrega ao barramento da aeronave.
Ni(OH)2: hidróxido de níquel, o material ativo depositado nas placas positivas.
Cd(OH)2: hidróxido de cádmio, o material ativo depositado nas placas negativas.
KOH: hidróxido de potássio, o eletrólito alcalino dissolvido em água destilada.
1CA e 0,1CA: correntes de carga; 1CA é igual à capacidade nominal da bateria em ampère-hora e 0,1CA é um décimo dela.
ram pressure: pressão dinâmica do ar de arrefecimento, criada pelo deslocamento da aeronave, que empurra o ar pelo sistema de ventilação.

O cenário · as funções

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Por que a aeronave precisa de bateria

As baterias de aeronave servem a várias funções.
Energia de solo.
Energia de emergência.
Melhoria da estabilidade do barramento DC.
Eliminação de falhas.

O cenário · quem usa o quê

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Quem usa chumbo-ácido, quem usa NiCd

A maioria das aeronaves pequenas e particulares usa baterias de chumbo-ácido.
A maioria das aeronaves comerciais e corporativas usa baterias de níquel-cádmio (NiCd).

Os dois tipos · a chave

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Como as baterias se identificam

As baterias de aeronave são usualmente identificadas pelo material usado nas placas.
Os dois tipos mais comuns são a de chumbo-ácido e a NiCd.

Ventilada · o que é

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A célula ventilada

As células NiCd instaladas em bateria de aeronave são típicas do tipo ventilada.
Têm uma válvula de alívio (ou de baixa pressão).

Ventilada · a válvula

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A válvula e o que a ventilada tolera

A válvula libera os gases de oxigênio e hidrogênio gerados quando a célula é sobrecarregada ou descarregada rapidamente.
Por isso a bateria não é normalmente danificada por taxas excessivas de sobrecarga, descarga ou carga.

Ventilada · operação

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Tensão nominal e água destilada

Tensão nominal de célula: 1,2 volt.
Exige adição ocasional de água destilada, para repor a perda de água pela sobrecarga no serviço normal.
Importante: usar apenas água destilada ou desmineralizada. Água da torneira contém minerais que contaminam o eletrólito e reduzem a vida útil da bateria.
Quando ajustar: após a bateria estar completamente carregada e em repouso por pelo menos 2 horas.

Ventilada · a falha

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A falha típica da ventilada

A causa de falha é usualmente curto-circuito ou enfraquecimento de uma célula.
Substituindo a célula ruim por uma boa, a vida da bateria pode ser estendida por 5 ou mais anos.
Descarga completa não é prejudicial a este tipo de bateria.

Selada · o que é

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A bateria selada

As baterias NiCd seladas são semelhantes na maioria dos aspectos às ventiladas.
Não exigem, normalmente, a adição de água.

Selada · o cuidado

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O risco da descarga total

Descarregar completamente a bateria (até zero volts) pode causar dano irreversível a uma ou mais células.
A consequência é a falha eventual da bateria por baixa capacidade.

Os dois tipos · lado a lado

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Ventilada × selada, lado a lado

Ventilada: tem válvula de alívio que libera os gases gerados na célula.
Ventilada: aceita descarga completa sem ser danificada.
Ventilada: exige água destilada ocasional, para repor a perda pela sobrecarga.
Selada: não exige, normalmente, adição de água.
Selada: descarga até zero volts causa dano irreversível às células.

Por dentro · a caixa

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A caixa da bateria NiCd

Consiste em uma caixa metálica — aço inoxidável, aço revestido de plástico, aço pintado ou titânio.
Contém um número de células individuais.
As células são ligadas em série para obter 12 volts ou 24 volts.

Bateria de níquel-cádmio (NiCd) com suas células individuais.

Por dentro · a montagem

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Ligações, divisórias e ventilação

As células são ligadas por conexões de níquel-cobre altamente condutivas.
As células são mantidas por divisórias, revestimentos, espaçadores e uma montagem de tampa.
A bateria tem um sistema de ventilação para saída dos gases na sobrecarga e resfriamento na operação normal.

Por dentro · pacote e célula

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Pacote e célula: onde estão os limites

A tensão de célula é 1,2 V; o pacote entrega 12 V ou 24 V.
Um pacote de 12 V tem 10 células em série; um de 24 V tem 20.
Os limites de tensão vistos adiante (1,55 V a 1,71 V) são por célula, não do pacote.

Constituição · a célula

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A célula e seus componentes

A célula é o elemento básico da bateria de níquel-cádmio.
Reúne placas positivas e negativas, separadores, eletrólito, tampas/válvulas de ventilação e o reservatório.

Elemento de bateria de níquel-cádmio: placas, separadores, eletrólito e reservatório.

Constituição · as placas

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As placas positivas e negativas

Placas positivas: chapa porosa com hidróxido de níquel depositado.
Placas negativas: chapa semelhante com hidróxido de cádmio depositado.

Constituição · a malha

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A chapa porosa de níquel

A chapa porosa é obtida pela fusão de pequenos grãos de níquel, formando uma fina malha.
Depositados os materiais ativos, as placas são cortadas no tamanho adequado.
Uma barra de níquel é soldada no canto de cada placa, formando conjuntos com barras em terminais.

Constituição · o separador

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O separador entre as placas

As placas são separadas uma das outras por uma faixa contínua de plástico poroso.
A norma também o chama de separador de celofane — celofane é um plástico poroso.

Constituição · o eletrólito

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O eletrólito: KOH a 30%

O eletrólito é uma solução de 30% de hidróxido de potássio (KOH) em água destilada.
Diferença importante: na bateria de chumbo-ácido, o eletrólito (ácido sulfúrico) reage quimicamente com as placas e sua densidade muda com o estado de carga. Na NiCd, o KOH não reage com as placas — a densidade praticamente não muda.
Consequência prática: o densímetro, que é útil na chumbo-ácido, não serve para a NiCd.
Manipulação: o KOH é corrosivo. Usar luvas e óculos de proteção ao manusear o eletrólito.

Constituição · densidade e nível

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Peso específico e nível do eletrólito

O peso específico do eletrólito situa-se entre 1,240 e 1,300, à temperatura ambiente.
O nível deve ser mantido logo acima da parte superior das placas.

Constituição · o que a densidade não é

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O eletrólito não mede o estado de carga

A faixa 1,240–1,300 é a especificação de concentração do eletrólito — aferida na manutenção.
É tolerância de estado do eletrólito, não medida do estado de carga.
Durante a descarga nenhuma mudança considerável ocorre no eletrólito.
Por isso o teste de peso específico não determina a carga da bateria.

Estado de carga · a pergunta

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O problema: medir o estado de carga

Como saber se a bateria NiCd está carregada?
O estado de carga não pode ser determinado medindo o peso específico do eletrólito de hidróxido de potássio.
O peso específico não muda com o estado de carga.

Estado de carga · os dois enganos

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O densímetro não mede a NiCd

O eletrólito (KOH) não reage quimicamente com as placas.
Por isso, seu peso específico não muda com o estado de carga.
O densímetro dá a mesma leitura com a bateria cheia ou vazia.

Estado de carga · o método do voltímetro

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E o voltímetro?

O estado de carga também não pode ser determinado por teste de voltagem.
A voltagem permanece constante durante 90% do ciclo de descarga.
Só nos 10% finais do ciclo ela começa a cair.

Estado de carga · a única forma

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A única forma: descarga medida

A única forma precisa é uma descarga medida com um carregador de bateria NiCd.
Faz-se seguindo as instruções do fabricante — é ele que define o ponto de corte.

Carregador de baterias NiCd empregado na descarga medida.

Estado de carga · em voo

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Quem repõe a carga em voo

O estado de carga é o efeito cumulativo de carregar e descarregar a bateria.
Em um sistema elétrico normal, o gerador ou alternador restaura a bateria à carga total num voo de 1 hora a 90 minutos.

Estado de carga · o veredito

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Resumo: como saber se está carregada

Não use densímetro: o eletrólito não muda.
Não use voltímetro: a tensão é constante em 90% da descarga.
Use descarga medida com carregador NiCd, seguindo o fabricante.
Em voo, o gerador ou alternador recarrega em 1 a 1,5 hora.

Funcionamento · a carga

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A carga: o que acontece nas placas

Aplicada uma corrente de carga, as placas negativas perdem oxigênio e começa a formação de cádmio metálico.
O material ativo das placas positivas se torna mais oxidado.
O processo persiste até todo o oxigênio sair da placa negativa e restar só o cádmio.

Funcionamento · o gás

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A emissão de gás no fim do ciclo

Próximo do final do ciclo de carga as células emitem gás — o mesmo ocorre com a célula sobrecarregada.
O gás surge da decomposição da água: hidrogênio na placa negativa e oxigênio na placa positiva.

Funcionamento · o gatilho

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O que governa a emissão de gás

A voltagem e a temperatura determinam quando ocorrerá a emissão de gás.
Um pouco da água é consumida — por menor que seja a emissão — até a bateria estar completamente carregada.
A ação química é revertida durante a descarga.

Funcionamento · a descarga

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A descarga: energia química em elétrica

As placas positivas liberam oxigênio, que é reabsorvido pelas placas negativas.
O processo resulta na conversão de energia química em energia elétrica.

Manutenção da água · o nível

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O nível sobe na recarga

Durante a descarga as placas absorvem certa quantidade de eletrólito.
Durante a recarga o nível aumenta; quando completamente recarregada, está no seu mais alto nível.
Por isso só se adiciona água quando a bateria estiver totalmente carregada.

Carga · método preferido

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Corrente constante: o método preferido

O método de corrente constante é o preferido para carregar baterias NiCd.
Tipicamente, a bateria é carregada a uma taxa de 1CA até todas as células atingirem pelo menos 1,55 V.

Carga · os dois ciclos

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Os dois ciclos: 1CA e 0,1CA

Primeiro ciclo: 1CA até todas as células chegarem a 1,55 V.
Segundo ciclo: 0,1CA, novamente até 1,55 V.
1CA é a corrente numericamente igual à capacidade nominal em ampère-hora; 0,1CA é um décimo dela.

Carga · a complementação

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A sobrecarga de 4 horas (top-up)

A carga é terminada com uma sobrecarga (ou carga de complementação).
Tipicamente por não menos de 4 horas a uma taxa de 0,1CA.

Carga · o objetivo

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Por que a sobrecarga: expelir os gases

A sobrecarga expelir os gases coletados nos eletrodos: hidrogênio na placa negativa e oxigênio na placa positiva.
Parte desses gases se recombina para formar água, elevando o nível ao seu mais alto nível.
Depois disso é seguro ajustar os níveis do eletrólito.
Fixamos por polaridade, que não muda (H₂ na placa negativa, O₂ na positiva).

Carga · os limites

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As tensões limite da célula

Na sobrecarga as tensões vão além de 1,6 V e então começam a cair lentamente.
Nenhuma célula deve subir acima de 1,71 V (célula seca).
Nenhuma célula deve cair abaixo de 1,55 V (barreira de gás rompida).
São limites por célula — num pacote de 24 V há 20 células em série.

Carga · as tampas

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Tampas de ventilação: abertas na carga

A carga é feita com as tampas de ventilação afrouxadas ou abertas.
Uma válvula travada pode aumentar a pressão na célula.
As tampas abertas permitem reabastecer água antes do fim da carga, com a corrente ligada.
É uma carga de bancada, com a bateria fora da aeronave.

Carga · o CO₂

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Fechar as células depois: o CO₂

As células devem ser fechadas novamente assim que as válvulas tenham sido limpas e verificadas.
Motivo: o dióxido de carbono dissolvido do ar externo carbonata as células e envelhece a bateria.

Carga · o outro método

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Carga por tensão constante

A carga pode ser feita por corrente constante ou por tensão constante.
Na tensão constante: manter a voltagem constante até a corrente cair para 3 ampères ou menos.
Assegurar que a temperatura da célula não ultrapasse 37,7 °C.

Carga · o critério de parada

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Corrente constante: os 4 A e o corte

Na corrente constante: começar e continuar até a voltagem atingir o potencial desejado.
Então reduzir a corrente até 4 ampères, continuando a carga até a voltagem necessária.
Ou até a bateria atingir 37,7 °C e a voltagem começar a declinar.

Circuito e indicador típico de monitor de temperatura da bateria.

Inspeção · o rol

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A inspeção: os quatro itens

A inspeção da bateria de aeronave consiste em quatro itens.
1. Sump jar e linhas: condição e segurança.
2. Terminais, plugues e pinos: corrosão, pitting, arco elétrico e queimaduras.
3. Linhas de dreno e ventilação: restrição, deterioração e segurança.
4. Pré-voo e pós-voo: dano físico, conexões frouxas e perda de eletrólito.

Inspeção · jarro e terminais

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Itens 1 e 2: sump jar e terminais

1. Inspecionar o sump jar e as linhas quanto a condição e segurança.
2. Inspecionar terminais, plugues de desconexão rápida e pinos quanto a corrosão, pitting (corrosão puntiforme), arco elétrico e queimaduras. Limpar conforme necessário.

Inspeção · linhas e rotina

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Itens 3 e 4: linhas e rotina

3. Inspecionar as linhas de dreno e ventilação quanto a restrição, deterioração e segurança.
4. A rotina pré-voo e pós-voo deve observar dano físico, conexões frouxas e perda de eletrólito.

Inspeção · a regra

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A regra de ouro: o fabricante

Os procedimentos de inspeção e manutenção variam com o tipo de tecnologia química e o tipo de construção física.
O que vale para uma tecnologia pode não valer para outra.

Inspeção · o mecânico

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Integridade mecânica

A integridade mecânica adequada envolve a ausência de qualquer dano físico.
E a garantia de que o hardware está corretamente instalado e a bateria está propriamente ligada.

Ventilação · para que serve

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O sistema de ventilação

As aeronaves modernas são equipadas com sistemas de ventilação de bateria.
O sistema remove gases e vapores ácidos da bateria.
Objetivo: reduzir riscos de incêndio e eliminar danos às peças da estrutura.

Ventilação · o trajeto

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O caminho do ar

O ar é conduzido de uma tomada de ar fora da aeronave, por um tubo de ventilação, até o interior da caixa da bateria.
Depois de passar sobre o topo da bateria, ar, gases e vapores ácidos seguem por outro tubo até o sump.

Ventilação · o filtro químico

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O sump jar e o bicarbonato

O sump é um jarro de vidro ou plástico com pelo menos 1 litro de capacidade.
No jarro há um feltro de ~2,5 cm saturado com solução de 5% de bicarbonato de sódio e água.
O tubo que conduz os vapores entra no jarro até ~0,6 cm do feltro.

Ventilação · a sucção

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O tubo de descarga e a pressão negativa

Um tubo de descarga sai do topo do sump jar até fora da aeronave.
A saída é projetada para haver pressão negativa sempre que a aeronave está em voo.
Isso garante um fluxo contínuo de ar sobre a bateria, pelo sump, até fora da aeronave.

Ventilação · a química

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Por que neutralizar os vapores

Os vapores ácidos que entram no sump são neutralizados pela solução de bicarbonato.
Isso evita a corrosão da pele metálica e danos a superfícies de tecido.

Ventilação · o que o manual exige

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O que o manual exige da ventilação

Vapores e gases podem causar mistura explosiva ou compartimentos contaminados — exigem ventilação adequada.
Os sistemas usam pressão de impacto (ram pressure) para forçar ar fresco a um ponto seguro de descarga.
O diferencial de pressão deve ser sempre positivo, entre os valores mínimo e máximo recomendados.
As linhas não devem reter fluidos nem condensação, travando o fluxo de ar.

Ventilação · o jarro no projeto

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O que o manual exige do sump jar

Uma instalação de sump jar pode ser incorporada ao sistema para descartar o transbordamento de eletrólito.
O sump jar deve ser de projeto adequado e usar o agente neutralizante correto.

Problemas · não segura carga

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Perda de capacidade

Sintoma: a bateria não segura carga (perda aparente de capacidade).
Causa: comum ao recarregar em barramento de potencial constante — geralmente células desequilibradas ou defeituosas.
Solução: descarregar, curto-circuitar as células individualmente por 8 horas, carregar por corrente constante e verificar a capacidade; se OK, recarregar.
O curto é feito célula a célula, com as ligações removidas, até irem a zero volts.

Problemas · não sobe a 1,55 V

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Falha completa

Sintoma: uma ou mais células não sobem aos 1,55 V exigidos no fim da carga.
Causa: eletrodo negativo não totalmente carregado ou dano no separador de celofane.
Solução: descarregar e recarregar; se a célula ainda falhar, remover e substituir.
Após a substituição, a vida da bateria pode ser estendida por 5 anos ou mais.

Problemas · o excesso

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Spewage: causa e efeitos

Causa: encher demais a bateria.
Efeito: spewage de eletrólito durante a carga.
Consequências: efeitos corrosivos nas conexões, autodescarga, diluição da densidade, possível bloqueio das válvulas e ruptura eventual da célula.

Problemas · a prevenção

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Spewage: como evitar

Depois de totalmente carregada e em repouso por pelo menos 2 horas, o nível pode ser ajustado, se necessário, com água destilada ou desmineralizada.
Como o nível varia com o estado de carga, a água nunca deve ser adicionada com a bateria instalada na aeronave.

Fechamento · o que difere

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Os três pontos que fazem a NiCd diferente

O eletrólito não muda — por isso o densímetro não serve.
A tensão fica constante em 90% da descarga — por isso o voltímetro não serve.
O estado de carga só se mede por descarga medida.

Fechamento · o que cuidar

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A manutenção e os problemas típicos

A manutenção exige atenção à ventilação, ao sump jar, aos terminais e ao nível do eletrólito.
Os problemas típicos — perda de capacidade, falha completa e spewage — têm causa e solução conhecidas.

Fechamento · o veredito final

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Bateria robusta, mas exige respeito

A bateria NiCd é robusta, mas exige respeito.
Bem cuidada, dura 5 anos ou mais após a substituição de uma célula.

Verificação de aprendizado

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Exercícios de verificação

Pergunta 1

Por que o densímetro não serve para medir o estado de carga de uma bateria NiCd?

Resposta: Porque o eletrólito (KOH) não reage quimicamente com as placas. A densidade permanece entre 1,240 e 1,300 independentemente do estado de carga.

Pergunta 2

Qual é a única forma precisa de determinar o estado de carga de uma bateria NiCd?

Resposta: A descarga medida com um carregador de bateria NiCd, seguindo as instruções do fabricante.

Pergunta 3

O que acontece se uma bateria NiCd for descarregada completamente (a zero volts)?

Resposta: Pode causar dano irreversível a uma ou mais células, resultando em falha eventual da bateria.

Pergunta 4

Por que as tampas de ventilação devem estar abertas durante a carga?

Resposta: Para liberar os gases gerados. Uma válvula travada pode aumentar a pressão na célula e causar ruptura.

Pergunta 5

O que é spewage e qual é a sua causa?

Resposta: Spewage é o derrame de eletrólito durante a carga. A causa é o excesso de água/eletrólito na bateria.

Glossário

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Glossário

Célula: o elemento básico da bateria, formado por placas positivas e negativas, separadores e eletrólito.
Barramento: o circuito elétrico principal da aeronave que distribui a energia para todos os sistemas.
Densímetro: instrumento que mede a densidade relativa de um líquido. Serve para baterias de chumbo-ácido, mas não para NiCd.
Eletrólito: a solução química que permite a condução de íons entre as placas. Na NiCd, é KOH a 30% em água destilada.
Ram pressure: pressão dinâmica do ar de arrefecimento, criada pelo deslocamento da aeronave, que empurra o ar pelo sistema de ventilação.

Spewage: derrame de eletrólito durante a carga, causado por excesso de líquido na bateria.
Sump jar: jarro de vidro ou plástico (mínimo 1 litro) que recolhe o eletrólito e os resíduos que escorrem da bateria. Contém feltro saturado com solução de bicarbonato de sódio.
Sulfatação: formação de cristais de sulfato de chumbo nas placas de baterias de chumbo-ácido, reduzindo a capacidade.
Voltímetro: instrumento que mede a diferença de potencial elétrico entre dois pontos.
Watt: unidade de potência elétrica. 1 watt = 1 volt × 1 ampère.