Testador de Carga de Bateria 18650 (ZB2L3)

Há um bom tempo, como todo DIYer que se preze, venho resgatando, de dispositivos eletrônicos quaiser, tudo o que possa ser utilizado posteriormente em algum outro projeto. Baterias 18650 não são exceção. De 10 anos para cá, resgatei algo entre 30 e 40 baterias de notebooks antigos que estragaram ou simplesmente foram substituídos por modelos melhores. Porém, como já foram usadas, com certeza, elas não possuem a capacidade original com que saíram de fábrica. Então, antes de utilizá-las em outros projetos, é sempre importante verificar quanta carga elas podem armazenar e, assim, montar conjuntos com carga semelhante, maximizando sua duração. Além disso, este testador é bastante útil para confirmar que baterias novas, recém adquiridas estão de acordo com a especificação de carga.

Baterias 18650

Antes de saltar para o projeto propriamente dito, é interessante dar uma breve descrição sobre as famosas baterias 18650.

Resumindo em uma frase, as baterias 18650 são baterias Li-Ion (lítio-íons), com medida de 18mm de diâmetro x 65mm de comprimento.

A voltagem “nominal” é de 3.7V (que é o valor aproximado fornecido durante o maior tempo) mas que, na prática, varia de aproximadamente 4.2V (totalmente carregada) a 3.0V (quando está descarregada – elas até vão abaixo disso, mas acaba reduzindo consideravelmente a sua vida útil).

A carga que podem armazenar (quando novas), varia de aproximadamente 900mAh até 3600mAh e consegue fornecer picos de até 7A de corrente (isso depende muito da marca e da qualidade).

Em geral, a durabilidade dessas baterias é de 300 a 500 ciclos, ou seja, 300 a 500 cargas e descargas completas.

É importante reconhecer que os valores acima (exceto as medidas físicas) podem variar bastante dependendo da qualidade da bateria (fabricantes) e seu tempo de vida (número de ciclos usados).

Re-uso das Baterias

Ok, tudo isso é muito interessante, mas em que essas baterias podem ser re-utilizadas?

Hoje em dia, existem inúmeros dispositivos sem fio, e isso parece ser uma tendência cada vez mais consolidada no mercado. Se você gosta de fazer consertos, montagens e tudo mais, já deve ter visto ou mesmo adquirido ferramentas sem fio, como por exemplo, as parafusadeiras, que são as mais comuns. Mas independente do tipo de produto, todos eles levam algum tipo de bateria e, hoje em dia, as 18650 são as mais comuns devido a sua densidade energética.

Então, possíveis re-usos das baterias são:

• Conserto de packs de baterias estragados (muitas vezes, apenas 1 das diversas baterias estão estragadas).
• Montagem de packs de bateria adicionais.
• Montagem de baterias para manter dispositivos (como roteadores internet ou câmeras) funcionando mesmo durante quedas de energia (pequenos “no-breaks”, por assim dizer).
• Criação de suas próprias ferramentas sem fio.

IMPORTANTE: Utilize e re-utilize baterias Li-Ion / 18650 por SUA PRÓPRIA CONTA E RISCO.
-> As baterias 18650 possuem uma alta capacidade de descarga e, portanto, se colocadas em curto-circuito podem aquecer e pegar fogo / explodirem. -> Baterias de Li-Ion, devido à sua composição química, caso sejam danificadas também podem pegar fogo e explodirem.

Circuito Testador ZB2L3

Existem, na internet, projetos para montagem de circuitos testadores de bateria sem utilizar circuitos ou dispositivos prontos (utilizando componentes eletrônicos e um Arduino p/ controlar displays e tudo mais).
Porém, como o custo deste circuito é bastante reduzido (paguei aprox. R$ 33,00 – incluindo frete), acaba sendo mais barato do que utilizar o arduino + componentes, portanto, resolvi optar por esta alternativa.

Assim, o circuito ZB2L3 se tornou o coração deste projeto. Mas porque este circuito? Existem outros?

Sim, na própria página onde adquiri este circuito, na AliExpress (ver link mais abaixo em “Materiais”), pode-se optar por vários modelos. O ZB2L3 é o mais barato e também o que me dava maior flexibilidade p/ montar o meu projeto.

O funcionamento do circuito é bem simples (considerando ele já montado):

• Uma bateria 18650, previamente carregada, deve ser conectada ao circuito.
• Liga-se o dispositivo na USB.
• Seleciona-se a voltagem de corte – Sugiro 3V: pressionar o botão (-) e ajustar para P3.0.
• Inicia-se o processo pressionando o botão (OK).
• Durante o processo, o circuito irá alternar entre os indicadores
  • Capacidade medida (Ah)
  • Corrente passante no momento (A)
  • Voltagem medida (V) no momento

Após estes passos, o dispositivo vai começar a consumir aproximadamente 1.1A a 1.2A, que acaba diminuindo ao longo do teste para aproximadamente 0.8A, momento em que a bateria atingir a voltagem de corte definida (3V) – quando a bateria estiver em boas condições.

Ao final do processo, o valor da capacidade medida fica piscando no display numérico.

Usando um circuito com 2 x resistores de 7.5ohm (impedância resultante de 3.75ohm), o consumo se inicia com uma corrente de aproximadamente 1A, e o tempo de descarga para uma bateria de 2000mAh deve ser de aproximadamente 2 horas. Caso use-se apenas 1 x resistor de 7.5ohm, a corrente cai pela metade e o tempo do teste dobra.

Protótipo e Testes

Antes de trabalhar na modelagem de um gabinete que resulte em um dispositivo agradável e confiável de se utilizar, precisava testar se tudo funcionava corretamente.

O primeiro detalhe a se prestar atenção foi que, durante a utilização do circuito, a corrente proveniente da bateria vai ser transformada em calor pelos 2 resistores. Apesar deles serem resistores cerâmicos de alta potência, iriam ficar bem quentes. Assim, para evitar que queimassem com o calor, os coloquei entre 2 dissipadores (recuperados de fontes ATX antigas), utilizando pasta térmica e amarrando tudo com arame fino para ficar bem firme. Soldei um fio em cada ponta e adicionei um conector tubular p/ ficar com um acabamento melhor.

Então, peguei um soquete de bateria 18650 e soldei fios preto e vermelho adicionando, em cada ponta, conectores tubulares, novamente para um bom acabamento.

Conectei tudo. Coloquei uma bateria previamente carregada (isto é muito importante, do contrário, apenas será medida uma capacidade parcial). E iniciei o teste.

Depois de alguns minutos, percebi que, mesmo com os dissipadores, o conjunto esquentava bastante (a ponto de quase queimar os dedos ao tocá-los), então, coloquei um cooler p/ jogar ar e resfriar tudo.

Após vários testes, descobri que esse circuito não é 100% confiável. O motivo pode ser a velocidade de descarga, ou mesmo, problemas de qualidade do circuito. De qualquer forma, recomendo fazer uma segunda / terceira descargas com, pelo menos 1-2 horas de intervalo e sem recarregar a bateria entre elas. Então, considerar como capacidade da bateria a soma de todas as descargas realizadas. Quando o teste resultar em aproximadamente 70mAh, dá p/ considerar que a bateria já chegou próximo do mínimo.

Veja o resultado dos meus testes, utilizando 10 baterias novas, recentemente adquiridas, da Samsung, com capacidade nominal de 2200mAh:

Bateria #	1o. Teste	2o. Teste	3o. Teste	Capacidade Total
1	2411mAh	77mAh		2478mAh
2	2316mAh	73mAh		2389mAh
3	2291mAh	70mAh		2361mAh
4	2256mAh	51mAh		2307mAh
5	2048mAh	131mAh	18mAh	2197mAh
6	1725mAh	403mAh	27mAh	2155mAh
7	1722mAh	299mAh	27mAh	1880mAh
8	1675mAh	420mAh	34mAh	2129mAh
9	1641mAh	329mAh	46mAh	2016mAh
10	1505mAh	626mAh	73mAh	2204mAh

Modelagem

Para evitar ficar utilizando os componentes e placas diretamente, resolvi fazer uma caixa / gabinete para o projeto. Estabeleci, então, alguns requisitos:

• Deveria ser o mais compacto possível.
• Deveria ser desmontável, o que significa prender as partes usando parafusos (sem cola).
• Deveria poder ser guardado junto com outros itens sem risco de danificar os componentes.

Assim, passei para a modelagem propriamente dita, usando o modelador TinkerCAD.

Você pode acessar o modelo diretamente no painel abaixo:

Se você não quer modificar os objetos, mas apenas imprimí-los, por favor acesso o endereço:
https://www.printables.com/model/1283705-zb2l3-capacity-tester-case

Impressão 3D

O primeiro passo é o de fatiar os objetos. Sem muito mistério aqui:

• Camadas de 0.3mm
• Suportes nas aberturas para os coolers.

Fiz a impressão com PLA. O tempo total foi de 6 horas.

Montagem

A montagem é relativamente simples, mas trabalhosa (demorou umas 2 a 3 horas no total, incluídos os tempos de soldagem e teste)., A sequência resumida pode ser verificada abaixo:

Detalhes a serem notados na montagem:

• Após testar os coolers conectados ao circuito, cortei a placa dos sockets para ficar o menor possível.
• Parafusar os coolers de forma que um deles seja parafusado com a entrada virada para fora e outro com a saída virada para fora (olhando de cima, ambos devem estar iguais, apontando para o mesmo lado). Colocar os parafusos nos furos mais internos requer um pouco de paciência, pois as porcas ficam caindo do dedo que tenta segurá-las no lugar.
• É necessário passar um pouco de cola CA (super-cola) nos recessos do dissipador, pois do contrário ele acaba se movendo ao tentar posicionar os cabos dos resistores.
• É necessário passar um pouco de cola CA (super-cola) na base do suporte para a bateria, pois ele não pode ser parafusado.

Conjunto Finalizado

O conjunto finalizado é para ser utilizado como está, sem nenhuma tampa superior para tapar os fios e parte da placa. Tomei essa decisão para reduzir a complexidade do projeto.

Utilização

Para utilizar o dispositivo, basta seguir os passos descritos na sessão Circuito Testador ZB2L3, repetidos no slideshow abaixo:

Durante o processo de medição, será observado o seguinte:

• Logo que o processo inicia, a voltagem inicial da bateria cai instantaneamente 0.2V a 0.3V. Isso é normal, pois sob carga, voltagem de uma fonte de energia diminui.
• A corrente consumida cai gradualmente
• A voltagem, após a queda inicial, passa a diminuir gradualmente, porém, nas baterias em boas condições, a tendência é que ela permaneça por mais tempo entre 3.8V e 3.4V, até que passa a reduzir mais rapidamente em direção à voltagem de corte.

Conclusão

Utilizando o testador, consegui estabelecer, de forma aproximada, a capacidade das de todas baterias baterias abaixo, extraídas de outros dispositivos, e que ainda são capazes de manter uma carga muito boa. Adicionalmente, testei 10 baterias novas que adquiri para outro projeto.

Aproximadamente metade das baterias retiradas de dispositivos antigos estavam em condições ruins, e não valia a pena serem reutilizadas, mas a outra metade, pode, tranquilamente, ser reutilizada em projetos que não necessitem de muita corrente (alguns projetos serão apresentados aqui no futuro).

Lista de Materiais

Módulo ZB2L3 – 1 unidade Existem diferentes módulos de teste neste link, porém o ZB2L3 é o mais barato e mais simples.
Case para baterias 18650 – 1 unidade
Coolers 30x30x10 – 2 unidades Para esse projeto (no TinkerCAD), apenas estes coolers vão encaixar corretamente. Mas se você fizer seu próprio projeto, pode ser de qualquer tamanho. O ideal, para poder usar a alimentação USB, é que sejam de 5V.
Dissipadores para Transístores – 2 unidades
Parafusos de Madeira M3 Xmm – 8 unidades Usei parafusos pretos, pois imprimi a caixa na cor preta.
Parafusos M3 Allen 5mm – 4 unidades Utilizados para fixar a circuito à tampa superior
Fios de 1 a 1,5 mm – para suportar 1A a 1,5A, que é carga imposta pelo circuito. Eu usei vermelho (+) e preto (-) para conectar a bateria e amarelo para conectar os resistores.
Terminais tubulares – 4 unidades (3 cores diferentes) Totalmente opcional. Uso pois deixa o acabamento muito melhor e diminui o risco de desconexão / mal-contato
Pasta Térmica Não é extremamente necessário, mas aconselhável. Além disso, quantidade necessária é muito pequena, então, se for comprar, compre o menor frasco que puder.
Arame fino (0.7mm ) Usado para firmar os dissipadores nos resistores. Também pode ser usado arame de outra bitola, desde que não muito espessa, pois dificulta para dobrá-lo.

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