Projeto de Subsistema de Energia
1. Introdução
O subsistema de energia é a parte do projeto responsável por fornecer, gerenciar e monitorar a energia necessária para o funcionamento de todos os componentes da bengala inteligente "Meu Norte". Este subsistema é fundamental para garantir o desempenho do dispositivo ao alimentar componentes como o microcontrolador ESP32, sensores ultrassônicos, atuadores vibratórios, buzzer e o sistema de recarga das baterias.
A escolha de componentes como as baterias Li-ion, regulador de tensão MT3608 e módulo de recarga TP4056 foi realizada com foco na eficiência energética, segurança e simplicidade no processo de recarga. Além disso, o subsistema de energia integra um sistema de monitoramento de carga com o Modulo Sensor de Corrente e Tensão INA219 que assegura que as baterias sejam sempre recarregadas corretamente e dentro de suas especificações, prevenindo danos ao sistema e oferecendo uma autonomia de operação estável.
2. Objetivos
O objetivo principal do subsistema de energia é fornecer uma fonte estável e confiável de energia para a bengala inteligente, garantindo que todos os componentes eletrônicos e atuadores recebam a energia necessária para o funcionamento contínuo. Os objetivos específicos incluem:
- Dimensionar o sistema de alimentação: Garantir que a corrente e tensão necessárias sejam fornecidas a todos os componentes da bengala.
- Fornecer a energia necessária para os motores e sensores: Assegurar que a bengala tenha autonomia suficiente para operar de forma eficaz durante o dia todo.
- Sistema de recarga prático: Facilitar a recarga da bateria através da entrada USB-C, permitindo a recarga eficiente e acessível.
- Monitoramento da carga da bateria: Garantir que a carga da bateria seja monitorada em tempo real, permitindo alertas sobre a necessidade de recarga.
3. Metodologia
3.1 Análise de Consumo
O primeiro passo foi identificar o consumo de cada componente eletrônico (ESP32, sensores, atuadores, etc.), determinando o total de potência necessária para o funcionamento contínuo. A corrente e potência de cada componente foram calculadas com base nas especificações fornecidas pelos fabricantes.
3.2 Dimensionamento da Bateria
Com base no consumo total calculado e na autonomia desejada, a bateria Li-ion 18650 foi escolhida. O cálculo da capacidade da bateria foi realizado considerando o consumo máximo, a autonomia de operação e um fator de segurança de 25%. O modelo escolhido oferece uma capacidade total de 13.600mAh, garantindo que a bengala tenha autonomia suficiente.
3.3 Escolha de Componentes
Os componentes selecionados foram: - Baterias Li-ion 18650 (6800mAh, 3.7V): Proporcionam a autonomia necessária para o dispositivo. - Regulador de Tensão DC-DC MT3608: Converte a tensão das baterias de 3.7V para 5V, necessário para alimentar o ESP32 e outros componentes. - Módulo TP4056: Controla o processo de recarga da bateria, permitindo que a bengala seja carregada via USB-C de forma segura. - Módulo INA219: Realiza o monitoramento da tensão e corrente da bateria, garantindo que o sistema de alimentação esteja funcionando corretamente e fornecendo os dados para o gerenciamento da carga. - Chave Gangorra 2T (KCD1-106-101): Interruptor basculante com dois terminais, utilizado para ligar e desligar os circuitos eletrônicos de forma direta.
3.4 Planejamento do Sistema de Recarga
O sistema de recarga foi projetado para ser simples e intuitivo, permitindo que o usuário conecte o dispositivo via USB-C para recarregar as baterias. O módulo TP4056 interrompe automaticamente o carregamento quando as baterias atingem a capacidade máxima, evitando sobrecargas.
4. Componentes do Subsistema de Energia
Os principais componentes do subsistema de energia são:
- Baterias Li-ion 18650 (6800mAh, 3.7V):
- Fontes de energia do sistema, fornecendo autonomia de até 12 horas.
- Alta densidade de energia e longa vida útil.
- Regulador de Tensão DC-DC MT3608:
- Converte a tensão de 3.7V das baterias para 5V, necessária para o ESP32 e sensores.
- Módulo TP4056:
- Controla a recarga das baterias, garantindo segurança no processo de carregamento.
- Módulo INA219:
- Monitora a tensão e corrente da bateria, fornecendo dados de desempenho e detectando falhas.
- Chave Gangorra 2T (KCD1-106-101):
- Permite desligar o sistema de alimentação quando necessário.
5. Análise de Consumo
Tabela de Potência dos Componentes
| Componente | Quantidade | Tensão (V) | Corrente (A) | Potência (W) |
|---|---|---|---|---|
| Buzzer | 1 | 3,3 | 0,03 | 0,099 |
| Sensores HC-SR04 | 6 | 5,0 | 0,09 | 0,45 |
| Motores de Vibração 1027 | 4 | 3,7 | 0,36 | 1,332 |
| ESP32 | 1 | 5,0 | 0,24 | 1,2 |
| Regulador de Tensão MT3608 | 1 | 5,0 | 1 | 5 * 15% |
Consumo Total: 3,831 W
Consumo Ajustado (20% de margem): 4,60W
Cálculo de Autonomia
Capacidade Total das Baterias:
$$ 13.600 \, \text{mAh} \times 3,7 \, \text{V} = 50,32 \, \text{Wh} $$
Autonomia:
$$ \frac{50,32 \, \text{Wh}}{4,60 \, \text{W}} \approx 10 \, \text{horas} \, \text{e} \, 56 \, \text{minutos} $$
6. Dimensionamento da Bateria
A escolha da bateria para um projeto como a bengala inteligente envolve avaliar diversos tipos de tecnologias disponíveis no mercado. Entre as opções mais comuns para dispositivos portáteis, podemos destacar as baterias de Lítio-Ion (Li-ion), Lítio-Polímero (Li-Po) e Níquel-Metal Hidreto (NiMH). Cada uma dessas tecnologias possui características que devem ser ponderadas de acordo com as necessidades do dispositivo.
As baterias Li-ion são amplamente utilizadas em dispositivos portáteis devido à sua alta densidade de energia, o que permite um armazenamento significativo de energia em um espaço compacto. Além disso, possuem uma vida útil longa, com cerca de 1.200 ciclos de carga, e uma baixa taxa de autodescarga, o que as torna ideais para equipamentos que não estão sempre em uso. No entanto, as baterias Li-ion requerem um sistema de proteção, como um BMS (Battery Management System), para evitar riscos como sobrecarga e curto-circuito. A sua segurança, com o uso do BMS, torna a Li-ion uma excelente opção para a bengala inteligente.
Por outro lado, as baterias Li-Po também são uma boa alternativa, pois são mais flexíveis em termos de formato, permitindo designs mais compactos e personalizados. Elas têm características semelhantes às Li-ion, com alta densidade de energia e boa performance, mas, em geral, apresentam uma vida útil um pouco mais curta, com menos ciclos de carga, e são mais suscetíveis a danos físicos. Além disso, também exigem um circuito de proteção para garantir a segurança do usuário, o que torna a Li-ion uma escolha mais robusta para o projeto da bengala.
Já as baterias NiMH, apesar de serem uma opção de menor custo, não atendem tão bem às exigências do projeto. Elas têm uma menor densidade de energia e são mais pesadas, o que prejudica a portabilidade do dispositivo. Além disso, têm uma vida útil mais curta, com cerca de 500 ciclos de carga, e uma taxa de autodescarga mais alta, o que significa que perdem carga rapidamente quando não estão em uso. Esses fatores tornam as baterias NiMH menos ideais para o uso contínuo e de longa duração esperado para a bengala inteligente.
Escolha Final
Analisando as opções disponíveis, a bateria Li-ion foi escolhida para este projeto. Ela oferece o melhor equilíbrio entre autonomia, segurança e durabilidade, com uma densidade de energia elevada, permitindo que a bengala seja compacta e leve, atendendo às necessidades de portabilidade e conforto. Sua longa vida útil e a baixa taxa de autodescarga garantem que o dispositivo tenha uma boa performance ao longo do tempo, sem exigir recargas frequentes. Além disso, como as baterias Li-ion são amplamente utilizadas em dispositivos móveis, há uma vasta disponibilidade de componentes e tecnologia de suporte, o que facilita a implementação e manutenção do sistema.
As baterias Li-ion 18650 de 6800mAh 3.7V da Energy Power foram escolhidas devido à sua alta densidade de energia, longa vida útil e capacidade de suportar recargas eficientes, atendendo aos requisitos de autonomia e segurança da bengala inteligente. Com 6800mAh por célula, as duas baterias em paralelo fornecem 13.600mAh de capacidade total, garantindo autonomia suficiente para o funcionamento diário do dispositivo.
Para fornecer uma tensão estável de 5V aos componentes da bengala, foi escolhido um regulador de tensão DC-DC, como o MT3608, que aumenta a tensão de saída de 3.7V para 5V. Esse regulador é adequado para dispositivos de baixo consumo e comumente utilizado em projetos de eletrônica para garantir que a tensão fornecida aos circuitos seja constante e segura. O MT3608 é eficiente, compacto e pode fornecer até 2A, o que é mais do que suficiente para os componentes da bengala inteligente.
7. Sistema de Recarga
O sistema de recarga da bengala inteligente "Meu Norte" foi projetado com foco na acessibilidade, segurança e eficiência. A recarga das baterias será realizada através de uma entrada USB-C, uma interface padronizada e reversível, que oferece grande facilidade de uso, especialmente para usuários com deficiência visual. A conectividade USB-C elimina a necessidade de verificar a orientação do conector, tornando o processo de recarga mais intuitivo e acessível.
Para garantir um carregamento eficiente e seguro das baterias Li-ion, será utilizado o módulo TP4056, que regula a corrente e a tensão durante o processo de recarga. Este módulo é responsável por interromper automaticamente o carregamento assim que as baterias atingem sua capacidade máxima, prevenindo sobrecarga e possíveis danos às células, além de prolongar sua vida útil.
Como medidas de segurança adicionais, fusíveis de 1,5A serão implementados nas baterias e nas saídas de carga, interrompendo o circuito em caso de sobrecorrente, protegendo assim os componentes do sistema. Um interruptor de segurança será instalado antes das baterias, permitindo ao usuário desligar o sistema de alimentação conforme necessário, seja para manutenção ou em situações de emergência.
Para monitoramento contínuo do estado das baterias durante o carregamento, o módulo INA219 será utilizado para medir a tensão e corrente em tempo real. Este módulo oferece dados valiosos sobre o desempenho do sistema, permitindo detectar falhas precoces antes que possam causar problemas significativos.
Tempo de Recarga:
Considerando que as baterias Li-ion 18650 estão em paralelo, a capacidade total do sistema de baterias é de 13.600mAh e o módulo TP4056 fornece uma corrente de carregamento de até 1A. Para calcular o tempo de recarga:
$$ \text{Tempo de recarga (h)} = \frac{13.600 \, \text{mAh}}{1 \, \text{A}} = 13,6 \, \text{horas} $$
Portanto, o tempo estimado de recarga para as baterias em paralelo é de aproximadamente 13,6 horas para uma carga completa.
8. Testes de Carregamento e Componentes
Todos os componentes do sistema foram integrados e testados com sucesso, incluindo o processo de carregamento das baterias. A tensão de carregamento foi configurada para 4,2V, que é o valor ideal para as baterias Li-ion 18650, garantindo sua segurança e eficiência. Durante os testes, não foi necessário adicionar capacitores para melhorar a estabilização da tensão de saída, uma vez que o regulador de tensão MT3608 manteve um desempenho estável.
A imagem abaixo ilustra o processo de carregamento em andamento, demonstrando a funcionalidade do sistema.
O único componente ainda não integrado foi o módulo INA219, que permitirá monitorar a corrente, a tensão e os níveis de carga das baterias.
9. Conclusão
O subsistema de energia foi projetado para garantir uma operação eficiente, segura e prática para a bengala inteligente. A escolha dos componentes, como as baterias Li-ion, o regulador de tensão MT3608 e o sistema de recarga via USB-C, assegura que a bengala tenha autonomia para operar durante todo o dia, com a possibilidade de ser recarregada facilmente. O uso do módulo INA219 permite o monitoramento da carga, garantindo que a bateria esteja sempre carregada e pronta para uso. A implementação de fusíveis e interruptores garante que o sistema seja seguro para o usuário.
10. Referências
MAKER HERO. Módulo carregador de bateria de lítio TP4056. Disponível em: https://www.makerhero.com/produto/modulo-carregador-de-bateria-de-litio-tp4056/.
MAKER HERO. Bateria 18650 recarregável Li-ion. Disponível em: https://www.makerhero.com/produto/bateria-18650-recarregavel-li-ion/.
MAKER HERO. Chave push button mini switch SPST. Disponível em: https://www.makerhero.com/produto/chave-push-button-mini-switch-spst/.
CASA DA ROBÓTICA. Módulo regulador de tensão ajustável MT3608 step-up. Disponível em: https://www.casadarobotica.com/fontes-conversores/conversores-dc-dc/step-up/modulo-regulador-de-tensao-ajustavel-mt3608-step-up-2-5v-a-28v.
ELETROGATE. Entendendo um diagrama esquemático. Disponível em: https://blog.eletrogate.com/entendendo-um-diagrama-esquematico/.
FOGLAÇA, Jennifer Rocha Vargas. Tipos de pilhas e baterias primárias mais comuns. Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/tipos-pilhas-baterias-primarias-mais-comuns.htm.
PORZIO, J.; SCOWN, C. D. Life-Cycle Assessment Considerations for Batteries and Battery Materials. Advanced Energy Materials, 2021.
FICHTNER, M. et al. Rechargeable Batteries of the Future — The State of the Art from a BATTERY 2030+ Perspective. Advanced Energy Materials, 2022.
GONÇALVES, Jhonilson Pereira. Pilhas e baterias. Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/pilhas-baterias.htm.
SOUZA, Líria Alves de. Durabilidade de pilhas. Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/durabilidade-pilhas.htm.
REPSOL. Diagrama de cargas: o que é. Disponível em: https://www.repsol.pt/particulares/assessoramento/diagrama-de-cargas-o-que-e/.
MAKER HERO. Medindo corrente e tensão com o módulo INA219. Disponível em: https://www.makerhero.com/blog/medindo-corrente-e-tensao-modulo-ina219/.
MACNICA DHW. Eficiência energética em projetos eletrônicos. Disponível em: https://blog.macnicadhw.com.br/semicondutores/eficiencia-energetica-projetos-eletronicos/.
HELERBROCK, Rafael. Fusíveis. Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/fusiveis.htm.
CM BATTERIES. Bateria de lítio: cálculo e orientação. Disponível em: https://cmbatteries.com/pt/bateria-de-l%C3%ADtio-calcular-orienta%C3%A7%C3%A3o/.
CAMPOS, Gustavo. Curto-circuito. Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/curtocircuito.htm.
EMBARCADOS. Baterias de lítio-íon: um guia completo. Disponível em: https://embarcados.com.br/baterias-de-litio-ion-um-guia-completo/.
Versionamento
| Versão | Data | Modificação | Autor |
|---|---|---|---|
| 1.0 | 24/11/2024 | Criação do documento | José Luís |
| 1.1 | 02/12/2024 | Adiciona Subsistema de Energia | Alexsander Fontenele |
| 1.2 | 20/01/2025 | Atualização do Subsistema de Energia | Alexsander Fontenele |
| 1.3 | 19/02/2025 | Atualização do Subsistema de Energia | Alexsander Fontenele |