Tecnologia da bateria de íon lítio aplicada em veículos elétricos para gerar alta tensão - Parte 1

Apenas para efeito de comparação, as pilhas comuns do tipo AA têm o mesmo formato das utilizadas nos carros elétricos, só é um pouco menor, 14mm de diâmetro e 50mm de altura (14500). 

O que chamamos de bateria do carro elétrico na verdade é composta por um conjunto de milhares de pilhas padrão 18650, denominadas de células, que são agrupadas em módulos e interligadas em série.

Cada célula tem uma tensão média de 3,7 volts e para movimentar um carro elétrico, são necessários de 300 a 600 volts. Apenas para se ter uma ideia da quantidade de células que alguns carros elétricos utilizam, o Tesla possui 7.400 células e o iEV40 da JAC Motors tem 4.000. 

A bateria de íon-lítio foi desenvolvida para o setor de eletrônicos e rapidamente foi utilizada em outras aplicações, se tornando padrão para equipamentos que necessitam de uma bateria recarregável pequena, substituindo as baterias com tecnologias de níquel-cádmio (NiCd) e níquel-hidreto metálico (Ni-MH).

O princípio de funcionamento da bateria de íon-lítio é fazer circular os elétrons criando uma diferença de potencial entre dois eletrodos, um negativo e outro positivo, que estão envolvidos em um líquido iônico condutor. Em uso, os elétrons acumulados no eletrodo negativo são liberados por meio de um circuito até o eletrodo positivo. Quando a bateria está recebendo carga através de um carregador, os elétrons seguem do eletrodo positivo para o negativo.

Comparando a bateria de chumbo-ácido de 12 volts utilizada em veículo com motor de combustão, esta possui um eletrólito contendo íons de chumbo e eletrodos também à base de chumbo e a bateria de íon-lítio usa íons de lítio (Li +) dando origem ao nome desta tecnologia.

A utilização em larga escala da bateria íon-lítio se deve essencialmente à densidade de armazenamento e este conceito de densidade se refere à relação entre a capacidade de armazenamento e seu volume ou peso. Comparada com uma bateria de íon-lítio que oferece uma densidade de 300 a 500 Wh / kg, corresponde a dez vezes mais do que uma bateria de chumbo-ácido.

Alguns fabricantes estão dominando o mercado de baterias de íon-lítio como a poderosa Samsung, que fornece baterias com uma capacidade de energia de cerca de 3.000 mAh para a JAC Motors, com números que atingem mais de 50 milhões de células em apenas um ano.

As baterias dos carros elétricos atuais possuem algumas limitações de funcionamento e uma das principais está na faixa ideal de temperatura de trabalho que deve ser de até 25º graus Celsius. Esta temperatura é atingida rapidamente durante o uso do veículo e também durante a recarga, isso é observado quando a bomba d’água elétrica e o ventilador do radiador funcionam de forma autônoma, mesmo com o carro desligado durante o período de recarga. 

O sistema de refrigeração da bateria é muito eficiente e com capacidade de esfriar e aquecer quando necessário.

O fluxo de energia que flui para dentro ou para fora da bateria provoca aquecimento e quanto maior for o fluxo de corrente, maior será a geração de calor.

A temperatura da bateria de íon-lítio afeta diretamente o seu desempenho e não funciona bem quando está muito fria ou muito quente, podendo gerar danos permanentes das células ou degradação acelerada. 

Além do resfriamento, o aquecimento das células também pode ser necessário em regiões de temperaturas mais baixas para evitar danos durante o carregamento rápido, isso ocorre porque a resistência interna das células aumenta quando elas estão frias. A maioria das células da bateria de íon-lítio não pode ser carregada rapidamente quando estão abaixo de 5º C e não podem ser carregadas quando estão abaixo de 0º C. As células de íon-lítio também começam a se degradar rapidamente quando sua temperatura está acima de 45º C. 

Três sistemas de gerenciamento térmico de bateria são usados nos veículos e o mais prático é o sistema de arrefecimento utilizado nos motores de combustão interna, que utiliza água com aditivo contra corrosão e redutor de condutividade elétrica.

O carro elétrico pode ter dois sistemas de arrefecimento independentes, sendo um para o motor elétrico e a PCU que geram muito calor durante o seu funcionamento e outro sistema mais especial para a bateria que pode aquecer ou esfriar. 

O aquecedor é elétrico, funciona com alta tensão, é trifásico e o que faz a água circular pelas galerias internas da bateria é outra bomba d’água elétrica, dedicada somente para a o controle térmico da bateria. Para o resfriamento é utilizado um radiador com ventilador e quando necessita de mais redução de temperatura, utiliza o sistema de ar-condicionado que é compartilhado com o ar-condicionado do habitáculo do carro.

O sistema é autônomo e pode ser ativado mesmo com o carro desligado para suprir a necessidade de controle térmico da bateria.

Para muitos reparadores especialistas em ar-condicionado, é a primeira vez que um carro utiliza o sistema compartilhado de ar-condicionado, dividindo a tubulação de alta e baixa pressão só para controlar a temperatura da bateria. 

Na busca por soluções eficientes e de baixo custo, os fabricantes utilizam sistemas de resfriamento denominados passivos, que aproveitam o deslocamento do carro, direcionando o fluxo do ar para remover o calor gerado na bateria sem uso de sistemas adicionais como ventiladores.

O sistema de resfriamento passivo tem baixo custo e eficiência energética, pois não requer energia do carro, porém, ele não é capaz de manter uma bateria dentro das temperaturas de resfriamento ideais para uso de alto desempenho e viagens de longa distância com várias recargas rápidas. 

Já no sistema de resfriamento ativo, a estratégia é usar um ventilador com ar forçado passando pelas baterias para remover o calor. Este sistema prolonga a vida útil da bateria em comparação com o resfriamento passivo, pois mantém as baterias em uma temperatura operacional mais controlada.

É mais barato e mais leve do que o resfriamento a líquido e não precisa estar integrado com outros sistemas de resfriamento do veículo. A dificuldade está no controle do fluxo do ar dentro das galerias na parte interna da bateria, através das incontáveis células agrupadas em módulos para manter a temperatura uniforme em todo os conjuntos de células.

Mesmo que o resfriamento a ar ativo seja melhor do que o resfriamento passivo para manter as temperaturas operacionais ideais, a maneira mais eficaz de manter uma temperatura uniforme dentro de um pacote e atender aos requisitos de garantia é o resfriamento a líquido. 

O resfriamento por líquido é a maneira mais eficaz de remover o calor da bateria. Também é melhor do que o resfriamento a ar ativo para manter a bateria dentro de temperaturas operacionais ideais. Projetar um sistema que resfria todas as baterias uniformemente leva a um melhor desempenho e vida útil da bateria. O resfriamento por líquido também permite que a bateria seja operada com cargas de pico de energia mais altas, pois dissipa mais calor do que outros métodos de resfriamento.

Existem três abordagens principais para o resfriamento a líquido.

Tubos de resfriamento agrupados na forma de fita em serpentina, placas de resfriamento com canais de resfriamento dentro deles e resfriamento direto / imersivo. 

A utilização do tubo de resfriamento é a mais eficaz na manutenção de temperaturas uniformes das células, mas é mais difícil de fabricar e pode resultar em quedas de pressão maiores. O uso da placa de resfriamento é razoavelmente simples de implementar, mas pode levar a grandes variações de temperatura em baterias individuais. O sistema de resfriamento direto pode apresentar o meio mais eficaz de remoção de calor, mas é relativamente novo e requer refrigerantes dielétricos caros em vez de fluidos de resfriamento convencionais.

Pode ser mais desafiador projetar um sistema com refrigeração a líquido porque ele precisa ser integrado a outros sistemas elétricos e de fluido do veículo. O potencial de vazamento de fluido também deve ser considerado porque pode causar um curto-circuito. Os sistemas de refrigeração líquida são geralmente mais pesados, mais caros e mais complicados de reparar.

No entanto, as compensações podem valer a pena porque os sistemas de resfriamento a líquido fornecem vida útil prolongada e desempenho superior em comparação com pacotes resfriados a ar e resfriados passivamente do mesmo tamanho.

No Tesla modelo S, o sistema de resfriamento da bateria consiste em um tubo de resfriamento em serpentina patenteado que passa pelo pacote de bateria e carrega um fluxo de refrigerante a base de água e etileno glicol e o contato térmico com as células é feito por meio de material de transferência térmica.

Depois que o fluido refrigerante passa pelo pacote de bateria, ele é então circulado por um trocador de calor, onde o calor é transferido para o fluxo de ar ambiente que está sendo soprado por um ventilador, às vezes o sistema de ar- condicionado será usado para atingir um resfriamento mais baixo, isso é importante se o veículo se destina a ser usado globalmente, onde a temperatura ambiente pode chegar perto da temperatura máxima aceitável para a bateria.

O resfriamento de duas fases é necessário para permitir que a bateria seja mantida em uma temperatura ideal independente da temperatura ambiente. 

Trocadores de calor são necessários embora a quantidade de calor emitida por um veículo elétrico seja 90% menor do que um veículo de combustão interna, isso significa que o consumo de energia do sistema de resfriamento da bateria pode ser um dos maiores consumos de energia parasita nos veículos elétricos e está intimamente ligado ao desempenho e autonomia do veículo.

Os veículos elétricos utilizados em climas mais quentes podem perder a capacidade da bateria um pouco mais rápido do que os que circulam em regiões de clima temperado. O calor extremo é inimigo da química de íons de lítio, razão pela qual muitos carros elétricos vêm com baterias refrigeradas a líquido.

O uso excessivo de estações públicas de carregamento rápido DC Nível 3, que podem recarregar as baterias de um carro elétrico em até 80% de sua capacidade em apenas 30 minutos, também pode prejudicar o desempenho da bateria a longo prazo, isso porque, quanto mais rápido um carro elétrico é carregado, mais quente fica e novamente, isso não é saudável para a bateria. 

Continua na próxima edição.