Medidor de Resistência Interna para Baterias de Íons de Lítio

Por que medir a resistência interna?

Medir somente a tensão de uma bateria não é suficiente para determinar seu estado real. Uma célula carregada pode apresentar aproximadamente 4,2 V sem carga, mas sofrer uma queda acentuada de tensão quando alimenta um circuito.
Essa queda ocorre porque toda bateria real possui uma pequena resistência interna. Conforme a célula envelhece, sofre ciclos de carga e descarga ou é submetida a temperaturas elevadas, essa resistência tende a aumentar.
Uma bateria com resistência interna elevada pode:
- Apresentar grande queda de tensão durante o uso.
- Aquecer mais ao fornecer corrente.
- Desligar equipamentos antes do esperado.
- Ter dificuldade para alimentar motores e outros dispositivos de maior potência.
- Apresentar capacidade aparente menor, mesmo estando carregada.
Por isso, a resistência interna é um parâmetro importante para comparar células, identificar baterias desgastadas e selecionar unidades que serão utilizadas juntas em um conjunto.

Como funciona

Primeiramente, o ESP32-C3 mede a tensão da bateria sem carga. Em seguida, ele aciona o MOSFET por um curto período, conectando o resistor de 4,7 Ω à bateria e fazendo uma corrente controlada circular pelo circuito.
Durante esse intervalo, o ESP32-C3 realiza duas medições:
- A nova tensão da bateria sob carga.
- A tensão sobre o resistor shunt de 0,05 Ω.
A corrente é calculada pela tensão medida no shunt:

A queda de tensão da bateria é obtida pela diferença entre a tensão sem carga e a tensão com carga:

Com esses valores, calculamos a resistência interna:

Como essa resistência normalmente é muito pequena, o resultado é apresentado em miliohms:

Por exemplo, uma resistência de 0,083 Ω corresponde a 83 mΩ.
O acionamento é realizado em pulsos curtos para reduzir o aquecimento do resistor de carga e evitar uma descarga desnecessária da bateria.

A circuitaria

O circuito utiliza um ESP32-C3 como unidade de controle e processamento.
A tensão da bateria é medida por um divisor formado por dois resistores de 10 kΩ. O ponto central do divisor é conectado ao GPIO 0 pelo fio branco. Como os dois resistores possuem o mesmo valor, a tensão aplicada à entrada analógica corresponde à metade da tensão da bateria.
Assim, quando a bateria estiver completamente carregada com 4,2 V, o GPIO 0 receberá aproximadamente 2,1 V, permanecendo dentro da faixa de medição do ESP32-C3.
O resistor de carga de 4,7 Ω é conectado entre o positivo da bateria e o dreno do MOSFET A06N03. O MOSFET funciona como uma chave eletrônica, permitindo que o ESP32-C3 aplique ou retire a carga da bateria.
O source do MOSFET é conectado ao resistor shunt de 0,05 Ω, que retorna ao GND. O fio amarelo liga o ponto entre o source e o shunt ao GPIO 1. A tensão medida nesse ponto permite calcular a corrente que circula pela carga.
O gate do MOSFET recebe o sinal do GPIO 2 através de um resistor de 100 Ω. Também existe um resistor de 10 kΩ entre o gate e o GND, mantendo o MOSFET desligado enquanto o ESP32-C3 está iniciando ou quando o pino estiver sem controle.
O display OLED utiliza comunicação I²C e está conectado da seguinte maneira:
- VCC → 3,3 V do ESP32-C3
- GND → GND
- SDA → GPIO 8
- SCL → GPIO 9
Todos os pontos de GND — ESP32-C3, bateria, divisor de tensão, shunt, MOSFET e OLED — precisam estar interligados.
O resistor de 4,7 Ω pode dissipar vários watts e aquecer rapidamente. Por isso, deve ser um resistor de potência adequado, preferencialmente de pelo menos 5 W, e o teste deve utilizar pulsos curtos. Não teste células danificadas, estufadas, aquecidas ou com sinais de vazamento.

Conclusão

O protótipo desenvolvido no Circuitaria LAB demonstrou que é possível medir a resistência interna de células de íons de lítio utilizando um ESP32-C3 e componentes relativamente simples.
Durante o teste, nosso medidor apresentou um resultado de 84 mΩ. A mesma célula foi medida com o equipamento comercial FNIRSI HRM-10, que indicou 84,52 mΩ. A diferença entre os dois resultados foi de apenas 0,52 mΩ, aproximadamente 0,6%, mostrando uma excelente concordância entre o protótipo e o instrumento de referência.
Fatores como resistência dos fios, qualidade dos contatos, temperatura da célula e tolerância dos componentes podem influenciar o resultado. Mesmo assim, o protótipo mostrou-se adequado para comparar baterias, identificar células desgastadas e acompanhar o aumento da resistência interna ao longo do tempo.
Com melhorias na calibração, na montagem e nas conexões, o instrumento poderá alcançar resultados ainda mais consistentes. O projeto também demonstra como conceitos de eletrônica, instrumentação e programação podem ser reunidos para desenvolver uma ferramenta útil e de baixo custo.