Gerenciamento térmico da bateria

A temperatura da bateria afeta o carregamento, a potência, a frenagem regenerativa, a eficiência e a durabilidade porque as células não conseguem aceitar ou fornecer energia com a mesma eficiência em todas as temperaturas.

Por isso, um sistema de gerenciamento térmico da bateria (BTMS) aquece, resfria e uniformiza a temperatura da bateria de acordo com a química, o estado de carga, a potência necessária e a estratégia de controle do fabricante.

Por que a temperatura da bateria importa

As células da bateria são dispositivos eletroquímicos. Sua resistência, velocidade de reação, energia disponível e comportamento de envelhecimento mudam com a temperatura.

O sistema de gerenciamento térmico precisa equilibrar várias prioridades:

• Disponibilizar potência suficiente para a condução
• Permitir alta potência de carregamento e frenagem regenerativa
• Limitar as perdas elétricas
• Manter as células dentro de limites seguros
• Reduzir a degradação a longo prazo
• Manter temperaturas semelhantes em toda a bateria
• Usar o mínimo de energia possível para aquecimento e resfriamento

Uma bateria pode estar dentro de sua faixa segura de temperatura sem estar na melhor temperatura para todas as tarefas.

Não existe uma única temperatura ideal para a bateria. Uma temperatura adequada para condução eficiente ainda pode ser baixa demais para a potência máxima de carregamento rápido, enquanto uma bateria preparada para o carregamento de alta potência pode estar mais quente do que o necessário para estacionamento ou armazenamento prolongado. A Audi, por exemplo, descreve uma faixa preferencial de 30–35 °C para a bateria do e-tron GT em condições exigentes de operação e carregamento, mas esse não é um objetivo universal para todos os veículos elétricos. (Audi)

O que acontece quando a bateria está fria

A baixa temperatura desacelera o movimento dos íons pelo eletrólito e pelos materiais dos eletrodos. A resistência interna aumenta, causando maior queda de tensão e mais geração de calor para determinada corrente.

O motorista pode perceber:

• Menor aceleração
• Menor potência de pico e contínua
• Frenagem regenerativa limitada
• Carregamento CC mais lento
• Menos energia imediatamente disponível
• Maior consumo em viagens curtas no inverno

A baixa temperatura, por si só, normalmente não danifica a bateria. O risco maior surge quando uma célula fria é carregada com alta corrente.

Nas células convencionais de íons de lítio com eletrodos negativos à base de grafite, os íons de lítio podem chegar à superfície do eletrodo mais rapidamente do que conseguem ser inseridos na grafite. O lítio metálico pode então se formar na superfície por um processo conhecido como deposição de lítio.

A deposição de lítio pode:

• Consumir lítio que, de outra forma, continuaria disponível para os ciclos
• Aumentar a perda de capacidade
• Elevar a resistência interna
• Formar depósitos irregulares
• Aumentar os riscos de segurança em casos graves

Por isso, o BMS restringe o carregamento e a frenagem regenerativa até que as células estejam quentes o suficiente para aceitar mais corrente. O carregamento rápido sem deposição de lítio continua sendo um dos principais desafios de engenharia para carregamento no frio ou em altas taxas. (Departamento de Energia dos Estados Unidos)

O que acontece quando a bateria está quente

Uma bateria mais quente inicialmente apresenta menor resistência e, muitas vezes, consegue fornecer ou aceitar mais potência. Isso não significa que quanto mais quente, melhor.

Temperaturas altas aceleram reações indesejadas entre os eletrodos e o eletrólito. A exposição prolongada pode contribuir para:

• Envelhecimento de calendário mais rápido
• Perda de lítio ativo
• Crescimento de camadas superficiais como a SEI
• Decomposição do eletrólito
• Geração de gases
• Aumento da resistência interna
• Menor vida útil em ciclos

A temperatura e o estado de carga interagem. Estacionar uma bateria por muito tempo com temperatura e SOC elevados geralmente é mais estressante do que aquecê-la brevemente antes de uma sessão de carregamento.

Temperaturas altas durante o carregamento extremamente rápido também são difíceis de controlar. Pesquisas do Departamento de Energia dos Estados Unidos identificam a geração de calor na bateria e temperaturas acima de aproximadamente 45 °C como obstáculos importantes ao desempenho sustentado do carregamento extremamente rápido e à vida útil da bateria. O limite exato depende da química e do projeto. (Departamento de Energia dos Estados Unidos)

De onde vem o calor da bateria

Uma bateria gera calor sempre que há passagem de corrente.

As fontes incluem:

• Resistência elétrica dentro das células
• Transporte de íons pelo eletrólito e pelos eletrodos
• Reações eletroquímicas
• Abas das células e coletores de corrente
• Barramentos e conexões elétricas
• Contatores e junções da bateria
• Ineficiência no carregamento e na descarga
• Calor transferido por componentes próximos da eletrônica de potência

O calor resistivo aumenta aproximadamente com o quadrado da corrente:

Calor resistivo ∝ Corrente² × Resistência

Portanto, duplicar a corrente pode gerar cerca de quatro vezes mais calor resistivo se a resistência permanecer inalterada.

Isso ajuda a explicar por que condições exigentes geram grandes cargas térmicas:

• Carregamento CC de alta potência
• Acelerações fortes e repetidas
• Condução sustentada em alta velocidade
• Subidas longas
• Reboque
• Uso em pista
• Frenagem regenerativa intensa

O calor nem sempre é gerado de maneira uniforme. O centro de uma célula grande pode estar mais quente do que sua superfície externa, enquanto as células próximas às saídas do líquido de resfriamento ou às bordas da bateria podem operar em temperaturas diferentes das células em outras regiões. Pesquisas do NREL relacionaram a falta de uniformidade da temperatura a diferenças locais no estado de carga, deposição de lítio, crescimento da SEI e degradação. (Departamento de Energia dos Estados Unidos)

Não existe uma única temperatura ideal

A temperatura preferencial da bateria depende do que o veículo está se preparando para fazer.

Condução normal

Na condução moderada, o sistema pode priorizar o baixo consumo dos sistemas auxiliares, em vez de aquecer ou resfriar a bateria até o objetivo do carregamento rápido.

Condução de alta potência

Acelerações repetidas, reboque, subidas ou condução em alta velocidade podem exigir resfriamento adicional para manter a potência disponível.

Carregamento rápido CC

Muitas vezes, a bateria precisa estar mais quente do que estaria durante uma condução normal no inverno. A resistência das células deve ser baixa o suficiente para aceitar alta corrente sem aumento excessivo da tensão nem deposição de lítio.

Estacionamento

Em geral, o carro não mantém a bateria na temperatura de carregamento rápido enquanto está estacionado. Isso desperdiçaria energia. Normalmente, a bateria pode variar dentro de uma faixa protetora mais ampla de temperatura.

Armazenamento prolongado

Temperatura e SOC elevados são indesejáveis para armazenamento prolongado, embora uma bateria temporariamente quente possa carregar ou fornecer potência com mais eficiência.

Portanto, o gerenciamento térmico é um compromisso contínuo entre desempenho imediato, uso de energia e envelhecimento.

Arquiteturas do sistema de gerenciamento térmico

Os fabricantes de veículos elétricos usam vários métodos para transferir calor para dentro e para fora da bateria.

As principais abordagens são:

• Gerenciamento térmico passivo
• Resfriamento a ar
• Resfriamento indireto por líquido
• Resfriamento direto por refrigerante
• Sistemas integrados de líquido de resfriamento e bomba de calor

A maioria dos veículos elétricos modernos projetados para alta potência de carregamento usa resfriamento ativo por líquido, geralmente conectado ao circuito de refrigerante do veículo por meio de um trocador de calor ou chiller.

Gerenciamento térmico passivo

Uma bateria com gerenciamento passivo depende principalmente da transferência de calor através de:

• Invólucros das células
• Estruturas dos módulos
• Invólucro da bateria
• Parte inferior do veículo
• Ar ao redor

Essa abordagem tem poucos componentes e consome pouca energia.

Vantagens

• Baixo custo
• Baixo peso
• Ausência de bombas ou líquido de resfriamento
• Poucos pontos de manutenção
• Baixo consumo em espera

Limitações

• Capacidade limitada de remover calor
• Forte dependência da temperatura ambiente
• Aquecimento e resfriamento lentos
• Dificuldade para manter temperaturas uniformes nas células
• Pouca adequação a carregamentos repetidos de alta potência

O gerenciamento térmico passivo pode ser suficiente para um veículo elétrico urbano de baixa potência, mas se torna cada vez mais limitante à medida que aumentam a velocidade de carregamento, o tamanho da bateria e a potência sustentada.

Resfriamento a ar

Os sistemas resfriados a ar movimentam o ar ambiente ou da cabine através da bateria ou ao seu redor.

O fluxo de ar pode ser impulsionado por ventiladores ou pelo movimento do veículo.

Vantagens

• Mais simples do que o resfriamento por líquido
• Menor massa
• Ausência de circuito de líquido de resfriamento da bateria
• Menor risco de vazamento de líquido de resfriamento

Limitações

• O ar transporta muito menos calor do que um líquido de resfriamento
• O resfriamento depende muito da temperatura do ar
• Dutos de ar ocupam espaço
• Pode ser difícil manter a uniformidade da temperatura
• O ruído dos ventiladores e o consumo de energia aumentam sob carga elevada

Uma bateria resfriada a ar pode concluir com sucesso uma sessão de carregamento rápido, mas ter dificuldade para remover calor suficiente em carregamentos repetidos. A Nissan documentou uma queda da potência a partir da segunda sessão de carregamento rápido em testes da bateria do LEAF e+ com gerenciamento a ar. (Nissan)

Resfriamento indireto por líquido

O resfriamento indireto por líquido é a arquitetura mais comum nos atuais veículos elétricos de alta potência.

Uma mistura de água e glicol circula por:

• Placas de resfriamento sob as células
• Canais ao lado das fileiras de células
• Seções extrudadas no assoalho da bateria
• Placas em contato com as faces largas das células
• Estruturas de resfriamento integradas aos módulos

Normalmente, o líquido de resfriamento não circula dentro das células. O calor precisa atravessar várias camadas:

1. Interior da célula
2. Invólucro da célula
3. Material de interface térmica
4. Placa de resfriamento
5. Líquido de resfriamento

O material de interface térmica pode ser uma almofada, pasta, adesivo, gel ou outra camada condutora usada para preencher pequenos espaços entre a célula ou o módulo e a placa de resfriamento.

O Audi Q4 e-tron usa um circuito dedicado de baixa temperatura para a bateria, no qual uma mistura de água e glicol circula por canais planos sob os compartimentos das células. Uma pasta térmica conecta as células à estrutura de resfriamento, enquanto um aquecedor de alta tensão aquece o líquido de resfriamento em condições frias. (Audi)

Vantagens

• Grande capacidade de transferência de calor
• Melhor uniformidade de temperatura do que o resfriamento passivo ou a ar
• Aquecimento e resfriamento eficazes pelas mesmas placas
• Adequação à condução e ao carregamento de alta potência
• Possibilidade de conexão a um radiador, chiller ou bomba de calor

Contrapartidas

• Acrescenta líquido de resfriamento, bombas, válvulas, mangueiras e trocadores de calor
• Aumenta peso e custo
• Cria possíveis pontos de vazamento e manutenção
• Exige vedação cuidadosa e controle da corrosão
• O desempenho do resfriamento depende do contato entre as células e as placas

Resfriamento por radiador

Quando o ar ambiente está frio o suficiente, o líquido de resfriamento da bateria pode liberar calor por um radiador.

Esse costuma ser o modo de resfriamento com maior eficiência energética porque o sistema pode precisar apenas de:

• Uma bomba para o líquido de resfriamento
• Fluxo de ar pelo radiador
• Um ventilador de resfriamento quando a velocidade do veículo é insuficiente

O resfriamento por radiador não consegue reduzir a temperatura da bateria abaixo da temperatura do ar ambiente. Também pode ser insuficiente em clima quente ou durante carregamento de alta potência.

Resfriamento com chiller de refrigerante

Quando o radiador não consegue remover calor suficiente, o líquido de resfriamento pode passar por um chiller conectado ao circuito de refrigerante do ar-condicionado do veículo.

O chiller transfere calor do líquido de resfriamento da bateria para o refrigerante. Em seguida, o compressor elétrico movimenta esse calor pelo sistema de ar-condicionado e o libera para fora do veículo.

Um caminho simplificado do calor é:

Células da bateria
    ↓
Placa de resfriamento
    ↓
Líquido de resfriamento à base de água e glicol
    ↓
Chiller de refrigerante
    ↓
Refrigerante do ar-condicionado
    ↓
Condensador e ar externo

Isso permite ao veículo resfriar a bateria abaixo da temperatura ambiente ou mantê-la sob carga térmica sustentada.

O Audi e-tron GT usa quatro circuitos interconectados de líquido de resfriamento. Sob alta carga de propulsão ou carregamento, válvulas conectam o circuito da bateria ao circuito de refrigerante do ar-condicionado para proporcionar resfriamento mais intenso. (Audi)

Resfriamento direto por refrigerante

Alguns projetos colocam canais de refrigerante ou superfícies evaporadoras diretamente contra a estrutura de resfriamento da bateria, em vez de primeiro usar um circuito separado de água e glicol.

Isso pode reduzir o número de etapas de transferência de calor e proporcionar grande capacidade de resfriamento.

As contrapartidas incluem:

• Distribuição mais difícil do refrigerante
• Maior sensibilidade à pressão e à vedação
• Procedimentos de manutenção mais complexos
• Risco de resfriamento desigual se o fluxo de refrigerante não for bem controlado
• Integração mais estreita entre a bateria e o sistema HVAC

O resfriamento indireto por líquido continua comum porque separa o circuito de líquido de resfriamento da bateria do circuito de refrigerante de alta pressão.

Gerenciamento térmico integrado

Os sistemas térmicos dos veículos elétricos modernos conectam cada vez mais a bateria, os motores, a eletrônica de potência, o equipamento de carregamento e a cabine.

Dependendo das condições atuais, o calor pode ser:

• Removido da bateria
• Reutilizado para aquecer a cabine
• Transferido do sistema de propulsão para a bateria
• Liberado por um radiador
• Transferido pelo circuito de refrigerante
• Extraído do ar externo por uma bomba de calor

O Audi Q6 e-tron usa trocadores de calor para o líquido de resfriamento e o refrigerante, enquanto seu sistema de controle preditivo coordena o aquecimento e o resfriamento da bateria. A Nissan também descreve um sistema integrado que reutiliza, na bateria e na cabine, o calor gerado durante a condução e o carregamento. (Audi)

Métodos de aquecimento da bateria

Aquecer uma bateria fria exige energia. Os fabricantes diferem na forma de fornecê-la.

Aquecedor de alta tensão do líquido de resfriamento

Um aquecedor elétrico dedicado pode aquecer o líquido que circula pelas placas de resfriamento da bateria.

Aquecedores de coeficiente de temperatura positivo, ou PTC, são usados com frequência porque sua resistência elétrica aumenta à medida que ficam mais quentes, ajudando a limitar o aquecimento excessivo.

Vantagens

• Funciona em quase todas as condições ambientais
• Fornece potência de aquecimento previsível
• Pode aquecer a bateria sem conduzir
• Controle relativamente simples

Contrapartidas

• A energia elétrica é convertida diretamente em calor
• Uma alta potência de aquecimento pode reduzir a autonomia disponível
• Acrescenta equipamentos, peso e custo

A Audi usa aquecedores de alta tensão em vários sistemas térmicos de seus veículos elétricos, incluindo o circuito de líquido de resfriamento do Q4 e-tron. (Audi)

Aquecimento com bomba de calor

Uma bomba de calor transfere calor, em vez de produzir todo ele por resistência elétrica.

As possíveis fontes de calor incluem:

• Ar externo
• Líquido de resfriamento do motor e do inversor
• Equipamento de carregamento
• Ar de exaustão da cabine
• Circuito de refrigerante

Em condições adequadas, uma bomba de calor pode transferir mais energia térmica do que a energia elétrica consumida por seu compressor.

Seu desempenho diminui à medida que aumenta a diferença de temperatura. Por isso, muitos veículos combinam uma bomba de calor com aquecedores resistivos para aquecimento rápido ou condições de muito frio.

Recuperação de calor residual

Motores, inversores, carregadores de bordo e conversores CC-CC geram calor durante a operação.

Um sistema térmico integrado pode redirecionar parte desse calor para:

• A bateria
• A cabine
• Outro circuito de líquido de resfriamento

A recuperação do calor residual é útil durante a condução e o carregamento, mas nem sempre consegue fornecer calor suficiente após uma partida a frio. A Nissan descreve a reutilização do calor do sistema de propulsão e do carregamento como parte de sua estratégia integrada de condicionamento térmico. (Nissan)

Calor gerado durante a condução

A própria condução aquece a bateria porque o fluxo de corrente gera calor.

Uma bateria fria pode recuperar gradualmente a potência de carregamento e a frenagem regenerativa após:

• Condução em rodovia
• Subidas
• Acelerações fortes
• Uso sustentado de potência

Esse aquecimento não é gratuito. O calor vem da energia perdida pela resistência e por outras ineficiências.

Alguns veículos podem criar deliberadamente carga elétrica adicional ou alterar a operação do sistema de propulsão antes do carregamento. Se isso é usado e com qual intensidade depende da arquitetura térmica do veículo.

Posicionamento das placas de resfriamento

A posição da superfície de resfriamento influencia a eficácia da transferência de calor pela célula.

As disposições comuns incluem:

• Resfriamento pela parte inferior
• Resfriamento lateral
• Resfriamento entre fileiras de células
• Resfriamento das faces largas
• Resfriamento das abas ou terminais
• Resfriamento pelos dois lados

Resfriamento pela parte inferior

Uma placa sob os módulos ou células é relativamente fácil de integrar a uma bateria plana. O calor precisa se deslocar das partes superiores de uma célula alta até a placa de resfriamento.

Resfriamento lateral ou das faces largas

Resfriar as faces largas de células prismáticas ou p…622 tokens truncated…nto conectado ao carregamento CA

O pré-condicionamento nem sempre significa aquecimento. Uma bateria quente pode precisar de resfriamento ativo antes de chegar a um carregador rápido.

Pré-condicionamento para carregamento rápido

Quando um carregador rápido CC é selecionado no sistema de navegação de bordo, o veículo pode estimar quanto aquecimento ou resfriamento será necessário antes da chegada.

Os dados de entrada podem incluir:

• Temperatura atual da bateria
• Temperatura ambiente
• Distância e tempo de condução
• SOC esperado na chegada
• Carga de condução recente
• Capacidade esperada do carregador
• Elevação e velocidade da rota

Em seguida, o sistema ajusta o aquecimento ou o resfriamento durante a viagem.

O gerenciamento térmico do Audi e-tron GT pode intensificar o resfriamento da bateria cerca de meia hora antes da chegada planejada a um carregador de alta potência, ou aquecer a bateria em condições frias.

O pré-condicionamento não garante a potência de pico. O carregamento ainda depende de:

• SOC na chegada
• Tensão e corrente do carregador
• Tensão das células
• Desequilíbrio das células
• Temperatura da bateria
• Condição da bateria
• Curva de carregamento do veículo
• Compartilhamento de potência no local de carregamento

Pré-condicionamento manual

Alguns veículos elétricos permitem ao motorista iniciar manualmente a preparação da bateria.

Isso é útil quando:

• Um celular ou planejador de rotas de terceiros está sendo usado
• O carregador não consta no banco de dados de bordo
• A parada de carregamento planejada mudou
• O motorista não está usando a orientação de rota
• O veículo selecionou o tipo errado de carregador
• O carregamento ocorrerá antes do previsto pelo sistema de navegação

O pré-condicionamento manual ainda pode ter restrições:

• SOC mínimo
• Disponibilidade dependente da temperatura
• Tempo máximo fixo de operação
• Desligamento automático
• Menor potência de aquecimento com SOC baixo
• Cancelamento se o motorista mudar o modo de operação

Iniciar o pré-condicionamento também não comprova que a bateria atingiu a temperatura-alvo. O tempo de preparação disponível e a capacidade de aquecimento continuam sendo importantes.

Pré-condicionamento antes da partida

Quando o veículo elétrico está conectado ao carregamento doméstico, o pré-condicionamento programado pode usar energia da rede para aquecer a cabine e, em alguns veículos, a bateria.

Isso pode reduzir a quantidade de energia armazenada na bateria usada imediatamente após a partida.

Três funções não devem ser confundidas:

• Pré-condicionamento da cabine
• Pré-condicionamento da bateria
• Carregamento programado para terminar perto da partida

Alguns veículos elétricos executam as três. Outros aquecem apenas a cabine.

Concluir o carregamento pouco antes da partida ainda pode ajudar, pois o carregamento gera calor dentro das células. Uma bateria cujo carregamento terminou recentemente pode iniciar a viagem mais quente do que uma que terminou de carregar muitas horas antes.

Uma análise do Departamento de Energia dos Estados Unidos observa que o pré-condicionamento enquanto o veículo está conectado permite que a energia venha diretamente da rede e pode reduzir as perdas de energia da partida a frio em viagens curtas no inverno. (Departamento de Energia dos Estados Unidos)

Resfriamento antes do carregamento rápido

Em clima quente ou após uso exigente, a bateria pode estar quente demais, e não fria demais.

Isso pode ocorrer após:

• Condução sustentada em alta velocidade
• Reboque
• Condução em montanhas
• Uso em pista
• Uma sessão anterior de carregamento rápido
• Estacionamento sob luz solar intensa
• Acelerações repetidas

O veículo pode iniciar o resfriamento ativo muito antes da parada de carregamento. Uma bateria grande tem massa térmica substancial e não consegue mudar de temperatura instantaneamente.

Por isso, o pré-condicionamento precisa de tempo de viagem suficiente para remover o calor do interior das células, e não apenas resfriar as superfícies medidas.

Por que o pré-condicionamento pode parar com SOC baixo

O aquecimento e o resfriamento da bateria consomem energia.

Com SOC baixo, o fabricante precisa equilibrar:

• Chegar ao carregador
• Preparar a bateria
• Preservar uma reserva
• Evitar descarga excessiva das células
• Manter o aquecimento da cabine

O sistema pode reduzir ou interromper o pré-condicionamento da bateria quando o SOC cai abaixo de um limite definido.

O limite varia entre veículos e pode mudar com o software. O exemplo do Kia EV9 acima mostra uma implementação e não deve ser interpretado como uma regra geral de 12%.

Uso de energia e autonomia

O pré-condicionamento da bateria consome energia. Quando o veículo não está conectado, essa energia vem da bateria de tração e reduz a quantidade disponível para a propulsão.

Os principais benefícios são:

• Paradas de carregamento mais curtas
• Maior potência de propulsão disponível
• Mais frenagem regenerativa
• Menor risco de danos pelo carregamento no frio
• Desempenho mais previsível

Uma bateria mais quente pode apresentar menor resistência, mas isso não significa que o pré-condicionamento sempre aumente a autonomia total. A energia economizada pela redução das perdas pode ser menor do que a energia usada no aquecimento.

Em uma viagem longa com uma parada para carregamento rápido, gastar energia da bateria no pré-condicionamento ainda pode reduzir substancialmente o tempo total da viagem.

Quando o veículo está conectado, o pré-condicionamento com energia da rede normalmente oferece o benefício mais claro para a autonomia, pois menos energia armazenada é consumida antes da partida.

Carregamentos rápidos repetidos e saturação térmica

A potência de pico de carregamento descreve apenas uma parte do desempenho em viagens.

Após uma sessão de carregamento, o calor permanece em:

• Interior das células
• Estruturas dos módulos
• Placas de resfriamento
• Líquido de resfriamento
• Barramentos e terminais
• Invólucro da bateria

Esse calor acumulado costuma ser chamado de saturação térmica.

A próxima parada de carregamento pode começar com uma bateria mais quente, mesmo que o painel não mostre nenhum alerta. O sistema térmico precisa remover calor durante a viagem e manter uma temperatura suficientemente uniforme antes de carregar novamente.

Um bom sistema para longas distâncias precisa:

• Preparar a bateria antes da primeira parada
• Remover calor durante o carregamento
• Continuar resfriando após a partida
• Evitar aumento excessivo da temperatura na próxima parada
• Manter uma potência de carregamento repetível
• Limitar o consumo desnecessário do compressor e dos ventiladores

O Audi e-tron GT usa circuitos interconectados de líquido de resfriamento e refrigerante para permitir alta potência repetida e carregamento rápido. Sua estratégia térmica baseada na rota pode aquecer ou resfriar a bateria antes da parada de carregamento. (Audi)

Portanto, dois veículos elétricos com a mesma potência de pico anunciada podem se comportar de forma diferente ao longo de várias sessões de carregamento.

Desempenho sustentado

O gerenciamento térmico também determina por quanto tempo um veículo elétrico consegue manter alta potência de propulsão.

Uma bateria pode fornecer uma potência muito alta por vários segundos, mas exigir uma potência contínua menor devido a:

• Geração de calor nas células
• Temperatura do inversor ou do motor
• Temperatura do líquido de resfriamento
• Capacidade do radiador
• Capacidade do sistema de refrigerante
• Condições ambientais

Isso importa durante:

• Condução em Autobahn
• Reboque
• Longas subidas de montanha
• Condução em pista
• Acelerações repetidas

Um motor potente não garante desempenho repetível se a bateria e o sistema térmico não conseguirem sustentá-lo.

Gerenciamento térmico enquanto o veículo está estacionado

A bateria pode continuar aquecendo ou resfriando após:

• Carregamento rápido
• Uma condução exigente
• Estacionamento em calor extremo
• Conexão ao carregamento CA
• Conclusão de uma viagem programada

Os motoristas podem ouvir:

• Bombas do líquido de resfriamento
• Ventiladores
• Válvulas
• Compressor do ar-condicionado
• Aquecedores elétricos

Isso pode ser normal mesmo depois que o carro é travado.

Normalmente, o veículo não mantém a bateria indefinidamente na temperatura ideal para carregamento rápido. Em vez disso, permite uma faixa mais ampla de temperatura enquanto estacionado e intervém quando necessário para proteção, carregamento ou uma partida planejada.

As estratégias variam entre veículos. Alguns carros condicionam ativamente a bateria apenas enquanto estão conectados, enquanto outros podem usar energia da bateria de tração quando a temperatura se aproxima dos limites de proteção.

Comportamento térmico específico da química

Os requisitos de gerenciamento térmico dependem parcialmente da química das células, mas o projeto completo do veículo continua sendo decisivo.

Íons de lítio ricos em níquel

As células NMC, NCA e NCMA podem proporcionar alta densidade de energia e potência.

Seu desempenho depende do controle cuidadoso de:

• Alta temperatura
• Alta tensão das células
• Corrente de carregamento
• Uniformidade do resfriamento
• Tempo com SOC alto

As células ricas em níquel são amplamente usadas em veículos que exigem longa autonomia e alta potência, mas impõem demandas substanciais ao resfriamento e ao controle.

Fosfato de ferro-lítio

O LFP oferece grande estabilidade térmica e longa vida útil em ciclos.

Sua principal limitação térmica é a operação no frio. Células LFP frias podem apresentar:

• Maior restrição de carregamento
• Menor frenagem regenerativa
• Menor potência
• Estimativa mais difícil do SOC
• Maior dependência do aquecimento ativo

Uma bateria LFP bem aquecida ainda pode oferecer ótimo desempenho de carregamento no inverno. A química, por si só, não determina o resultado.

Íons de sódio

Alguns projetos de íons de sódio estão sendo desenvolvidos especificamente para operar em uma ampla faixa de temperaturas.

A CATL afirma que sua célula de íons de sódio Naxtra para veículos de passageiros retém 90% da potência utilizável a −40 °C. Essa é uma especificação do fabricante para esse produto específico, e não uma propriedade universal de todas as células de íons de sódio. (CATL)

As baterias de íons de sódio ainda precisam de gerenciamento térmico porque:

• O carregamento gera calor
• O envelhecimento das células continua dependendo da temperatura
• A uniformidade da temperatura é importante
• Os limites de potência e carregamento ainda mudam com a temperatura
• A cabine de passageiros e o sistema de propulsão compartilham recursos térmicos

Gerenciamento térmico e envelhecimento da bateria

O gerenciamento térmico afeta tanto o envelhecimento em ciclos quanto o envelhecimento de calendário.

Um bom sistema limita:

• Longos períodos em temperatura excessiva
• Carregamento rápido quando as células estão frias demais
• Grandes diferenças entre as temperaturas das células
• Uso repetido de alta potência sem resfriamento suficiente
• Pontos quentes localizados
• Exposição prolongada a temperatura e SOC elevados

O objetivo não é manter a bateria em uma única temperatura o tempo todo. Isso consumiria energia demais.

Em vez disso, o sistema usa objetivos de temperatura diferentes para:

• Condução
• Carregamento rápido
• Estacionamento
• Carregamento CA
• Alta potência
• Proteção da bateria

Um veículo com bom resfriamento pode deliberadamente permitir que as células aqueçam durante o carregamento rápido e remover o calor depois. Um aquecimento breve e controlado é diferente de uma exposição prolongada ao calor.

Resfriamento normal não é proteção contra fuga térmica

O gerenciamento térmico normal remove o calor criado durante carregamento e condução comuns.

A fuga térmica é uma condição diferente. Ela envolve reações internas autoaceleradas que podem liberar calor mais rapidamente do que o sistema de resfriamento normal consegue remover.

Se a fuga térmica começar dentro de uma célula, abrir os contatores e acionar as bombas do líquido de resfriamento pode não interromper a reação. A energia já está armazenada quimicamente dentro da célula.

A proteção também depende de:

• Química das células
• Qualidade de fabricação
• Espaçamento entre as células
• Barreiras térmicas
• Direção da ventilação
• Vias de gerenciamento de gases
• Alívio de pressão da bateria
• Detecção de falhas
• Proteção contra colisões
• Prevenção da propagação para células vizinhas

O gerenciamento térmico ajuda a evitar que as células alcancem condições abusivas no uso normal, mas não substitui a proteção específica contra propagação térmica. O NREL trata o controle térmico normal da bateria e a contenção de abuso térmico como problemas de engenharia relacionados, mas distintos. (NREL)

Contrapartidas do sistema térmico

Um sistema térmico mais capaz tem custos.

Ele acrescenta:

• Peso
• Custo
• Líquido de resfriamento
• Bombas
• Válvulas
• Trocadores de calor
• Componentes do circuito de refrigerante
• Sensores
• Complexidade de software
• Consumo elétrico
• Pontos de manutenção e vazamento

Um chiller e um compressor grandes podem permitir carregamentos repetidos de alta potência, mas ocupam mais espaço e consomem mais energia.

Um sistema mais simples pode ser totalmente adequado a um veículo elétrico urbano de baixo custo que raramente utiliza carregamento rápido. O mesmo sistema pode ser inadequado em um veículo de longa autonomia destinado a carregamentos repetidos, reboque ou condução sustentada em alta velocidade.

Portanto, as tecnologias de gerenciamento térmico envolvem compromissos entre desempenho, custo, eficiência, acondicionamento e durabilidade. Os roteiros tecnológicos do DOE também identificam peso, custo e complexidade adicionais como limitações centrais do gerenciamento térmico. (Departamento de Energia dos Estados Unidos)

O que quem compra um veículo elétrico deve comparar

Os fabricantes raramente publicam detalhes técnicos suficientes para comparar diretamente os componentes dos sistemas de resfriamento. O comportamento real oferece evidências melhores.

Entre as perguntas úteis estão:

• O carro faz o pré-condicionamento automático ao navegar para um carregador?
• O pré-condicionamento também pode ser iniciado manualmente?
• Uma partida programada aquece a bateria ou apenas a cabine?
• Quanto tempo a bateria precisa para se preparar no inverno?
• Em qual SOC o pré-condicionamento é interrompido?
• O carro consegue manter a velocidade de carregamento em paradas repetidas?
• Como é o desempenho de carregamento em clima quente?
• A frenagem regenerativa é muito limitada quando a bateria está fria ou cheia?
• O carro mantém a potência de propulsão durante reboque ou alta velocidade sustentada?
• A temperatura da bateria pode ser mostrada ao motorista?
• O veículo continua resfriando após o carregamento?
• Uma bomba de calor é item de série, opcional ou indisponível?

A potência de pico de carregamento, por si só, diz pouco sobre o desempenho térmico. A medida mais útil é se o veículo elétrico consegue chegar ao carregador com a bateria preparada, manter uma boa curva de carregamento e repetir esse desempenho ao longo da viagem.

Para conhecer comportamentos relacionados da bateria, consulte Carregamento da bateria e desempenho, Degradação da bateria e Segurança e gerenciamento de falhas das baterias de veículos elétricos.

Fontes

• Bateria e gerenciamento térmico do Audi e-tron GT
• Avaliação de tecnologia de carregamento extremamente rápido do Departamento de Energia dos Estados Unidos
• Geração de calor no carregamento extremamente rápido — Departamento de Energia dos Estados Unidos
• Revisão Técnica Nissan 2022
• Gerenciamento térmico da bateria do Audi Q4 e-tron
• Bateria e carregamento do Audi Q6 e-tron
• Condicionamento térmico de veículos elétricos da Nissan
• Sistema de alta tensão do Porsche Cayenne Electric
• Estudo do desempenho de veículos elétricos no frio — Departamento de Energia dos Estados Unidos
• Bateria Naxtra e arquitetura de dupla potência da CATL
• Estudo do NREL sobre integração de células à bateria
• Roteiro de armazenamento eletroquímico de energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos