Gestão térmica da bateria: arrefecimento, aquecimento e pré-condicionamento

Uma bateria fria pode precisar de aquecimento antes de um carregamento rápido; uma quente pode precisar de arrefecer para aceitar a mesma potência. A gestão térmica transfere calor para dentro e para fora do conjunto, preparando-o para circular ou carregar e limitando o consumo e as diferenças de temperatura.

Este capítulo dá continuidade à construção das células explicada em Formatos das células e à integração no veículo abordada em Pack de bateria e configuração.

Porque mudam as temperaturas-alvo

As baixas temperaturas aumentam a resistência e abrandam os processos que permitem à célula aceitar carga. Nas células de iões de lítio com grafite, uma corrente de carregamento excessiva pode depositar lítio metálico no elétrodo negativo em vez de o armazenar na grafite. US Department of Energy: Enabling Fast Charging—A Technology Gap Assessment (2017) Química das células e componentes explica este mecanismo de deposição de lítio.

Estes limites afetam o carregamento e a condução. O manual do Tesla Model 3 descreve velocidades de carregamento e travagem regenerativa reduzidas com a bateria fria, bem como o aquecimento antes de uma paragem de carregamento planeada. Tesla Model 3 owner's manual: cold-weather operation and preconditioning

Aquecer as células pode melhorar o carregamento, mas a exposição prolongada ao calor acelera o envelhecimento. US Department of Energy: Enabling Fast Charging—A Technology Gap Assessment (2017) Os efeitos a longo prazo da temperatura e do estado de carga são abordados em Degradação da bateria. Antes de um carregamento rápido, o veículo pode preparar uma bateria que já estava suficientemente quente para circular; a Audi descreve o aquecimento de uma bateria e-tron GT muito fria para este fim. Audi: original RS e-tron GT navigation and preconditioning

Os fabricantes indicam temperaturas para fins diferentes. A documentação Audi de 2021 dá 30–35°C como temperatura preferida da bateria do e-tron GT original. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021) O anúncio Porsche do Cayenne Electric de 2025 especifica, em contrapartida, uma condição inicial de carregamento: a curva ótima de carregamento rápido anunciada pode ser atingida a partir de uma temperatura da bateria de 15°C. Porsche: Cayenne Electric high-voltage system (2025)

Produção e armazenamento de calor

A resistência e as perdas eletroquímicas geram calor durante a carga e a descarga. Para a contribuição resistiva:

P = I²R

Aqui, P é a potência térmica em watts, I a corrente em amperes e R a resistência em ohms. Com resistência constante, duplicar a corrente quadruplica a potência térmica resistiva. As reações das células também têm uma contribuição térmica reversível que pode libertar ou absorver calor conforme os materiais dos elétrodos, o estado de carga e o sentido da corrente. Wind and Vie: Entropy Profiles for Li-Ion Batteries (2025)

A temperatura do conjunto sobe quando o calor gerado e recebido supera o calor removido. As células e os materiais armazenam energia térmica, pelo que ativar o arrefecimento demora a alterar as temperaturas em todo o conjunto.

Dentro de uma célula, as capacidades térmicas e resistências térmicas dos materiais determinam como a temperatura muda e o calor chega à superfície de arrefecimento. Li e colegas modelam estas propriedades separadamente para o conjunto de elétrodos, os coletores de corrente e o invólucro da célula. Li et al.: cylindrical-cell tab design and cooling (2021)

Como o calor sai da bateria

O arrefecimento envolve duas tarefas ligadas: transferir calor do interior das células para uma superfície de arrefecimento e transportá-lo para um local que o possa absorver ou dissipar. O circuito do líquido de arrefecimento ou do fluido frigorigéneo determina a segunda parte; a construção da célula e o contacto com a estrutura de arrefecimento determinam a primeira.

Dissipação passiva e ar forçado

O arrefecimento passivo dissipa calor pela estrutura do conjunto e pelo ar envolvente. O arrefecimento por ar forçado usa uma ventoinha. O ar pode simplificar o equipamento, mas a sua baixa capacidade térmica dificulta a remoção do calor e a uniformidade da temperatura face ao arrefecimento líquido. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

O Nissan LEAF e+ de segunda geração é um exemplo útil de arrefecimento passivo. A publicação técnica Nissan de 2022 classifica o sistema como dissipação natural de calor. No ensaio com condução em autoestrada e carregamentos rápidos repetidos, o desempenho de carregamento do LEAF e+ diminuiu a partir do segundo carregamento à medida que a bateria aquecia. O Ariya, arrefecido a líquido, manteve o desempenho nesse ensaio. Nissan Technical Review No. 88: Ariya battery and thermal control (2022)

Arrefecimento líquido indireto

Num sistema indireto, estruturas sólidas separam o líquido das células. A resistência térmica das camadas intermédias afeta a remoção do calor. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

A documentação Audi do Q4 e-tron de 2021 descreve uma mistura de água e glicol a circular em canais planos sob os compartimentos das células. Uma pasta termocondutora liga a bateria à estrutura de arrefecimento e um aquecedor de alta tensão aquece o líquido quando necessário. Audi: Q4 e-tron battery, thermal management and charging (2021)

O circuito líquido transporta calor para fora do conjunto, mas depois tem de o dissipar. Um radiador transfere calor do líquido para o ar exterior quando a diferença de temperatura o permite. Um chiller transfere-o para o fluido frigorigéneo do ar condicionado, permitindo arrefecimento por compressor quando o ar exterior não basta. A Audi descreve a ligação do circuito da bateria do e-tron GT original ao circuito frigorífico sob cargas elevadas. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021)

Com um chiller, o calor passa das células para a estrutura de arrefecimento, o líquido, o fluido frigorigéneo e finalmente o permutador exterior. Ao contrário de um radiador isolado, a refrigeração pode arrefecer a bateria abaixo da temperatura do ar ambiente.

Arrefecimento direto com fluido frigorigéneo

Num sistema direto, o fluido frigorigéneo atravessa a estrutura de arrefecimento sem um circuito intermédio de água e glicol. O calor chega ao fluido através da estrutura exterior às células seladas e o circuito frigorífico leva-o para fora do veículo. A BMW descreveu esta solução na documentação técnica do i3 de 2013. BMW i Innovation Days: refrigerant cooling (April 2013)

Contacto e localização do arrefecimento

Arrefecer pela base ou pelo lado de uma célula cria percursos térmicos diferentes nos materiais internos. O estudo de Li e colegas sobre células cilíndricas mostra porque o invólucro e as ligações internas influenciam o resultado. Li et al.: cylindrical-cell tab design and cooling (2021) Formatos das células aprofunda estes percursos direcionais e exemplos de arrefecimento pelas patilhas.

O anúncio técnico Porsche do Cayenne Electric de 2025 descreve arrefecimento da bateria por cima e por baixo. É um exemplo concreto de adicionar superfícies para controlar a temperatura de um conjunto com grandes células de bolsa. Porsche: Cayenne Electric high-voltage system (2025) A função estrutural e a disposição dos módulos são abordadas em Pack de bateria e configuração.

Como a bateria é aquecida

Um aquecedor do líquido converte energia elétrica em calor e faz este circular pela estrutura de arrefecimento. Pode preparar um conjunto frio sem esperar que as perdas de condução o aqueçam. O sistema original do Q4 e-tron descrito acima utiliza esta solução. Audi: Q4 e-tron battery, thermal management and charging (2021)

As bombas de calor transferem calor entre níveis de temperatura através de um circuito frigorífico. Em condições adequadas, o calor fornecido supera a energia elétrica consumida pelo compressor porque uma parte vem de outra fonte. Numa bomba de calor a ar, o ar exterior mais frio reduz o calor disponível e pode diminuir a eficiência. US Department of Energy: cold-weather EV performance (2024)

A capacidade de uma bomba de calor aquecer a bateria depende da ligação ao respetivo circuito. O calor também pode circular no sentido inverso: a documentação do e-tron GT original descreve o uso de calor residual de componentes de alta tensão para aquecer o habitáculo. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021)

Os sistemas integrados podem redirecionar calor que seria dissipado. A Nissan descreve a combinação dos circuitos térmicos do habitáculo, bateria e propulsão para reutilizar calor da condução e do carregamento na climatização e na regulação da bateria. Nissan: electric vehicle thermal conditioning A recuperação é útil quando existe uma fonte adequada; após um arrefecimento prolongado pode haver pouco calor residual inicialmente.

Medição e controlo da temperatura

O sistema de gestão da bateria mede tensões, corrente e temperaturas e utiliza esses dados para gerir os limites de funcionamento. Texas Instruments: EV battery management systems Os sensores registam as condições no local onde estão instalados. Não medem diretamente cada ponto dentro de cada célula.

A temperatura interna pode diferir da superficial. A investigação do NREL sobre carregamento extremamente rápido estudou medições internas e a relação entre variações térmicas e comportamento desigual das células. NREL: Heat Generation Concerns Associated with Extreme Fast Charging (2020) Por isso, a temperatura média do conjunto ou uma única leitura no painel não descrevem totalmente o estado térmico.

Uma distribuição desigual do líquido ou do contacto pode deixar zonas quentes no conjunto. O projeto deve considerar os percursos térmicos locais e a capacidade total de remoção de calor. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

O BMS e os restantes controladores coordenam a potência permitida com o equipamento térmico. Se a bateria não aceitar a corrente pedida dentro dos seus limites, o veículo tem de a reduzir enquanto o aquecimento ou arrefecimento atua. Sistema de gestão da bateria explica a monitorização e as decisões sobre limites de potência; a gestão térmica fornece os meios físicos para alterar a temperatura.

O controlo preditivo acrescenta informação sobre o que vem a seguir. A documentação Audi do Q6 e-tron de 2024 descreve a utilização da hora de partida, do percurso e da navegação para planear o condicionamento, bem como o condicionamento após a utilização. Audi: Q6 e-tron technical facts (2024) Antecipar é importante porque o interior das células reage mais lentamente do que demora a ligar um aquecedor ou compressor.

A gestão térmica normal regula a temperatura durante a condução e o carregamento; Segurança das baterias aborda a contenção de falhas e a proteção contra a propagação da fuga térmica.

Pré-condicionamento para carregar e partir

O pré-condicionamento aproxima a bateria das condições necessárias à próxima tarefa. Para carregamento rápido, pode significar aquecer um conjunto frio ou arrefecer um quente. O manual norte-americano do Kia EV9 de 2026 descreve ambos e refere que a preparação exige tempo e energia da bateria. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

Preparação para um carregador rápido

O pré-condicionamento baseado na navegação usa a paragem planeada para iniciar a preparação durante o percurso. Para o e-tron GT original, a Audi indicou que o arrefecimento se intensifica cerca de meia hora antes da chegada a um carregador rápido escolhido na navegação. Separadamente, descreveu o aquecimento de uma bateria muito fria pouco depois de um arranque no inverno para preparar o carregamento rápido. Audi: original RS e-tron GT navigation and preconditioning

A ativação manual é útil quando se escolhe uma paragem fora do planeador integrado. A descrição Volkswagen do ID.7 de janeiro de 2024 cita Google Maps ou Waze através de App Connect: o pré-condicionamento manual é útil quando o planeador de fábrica está inativo. Volkswagen Netherlands: automatic and manual ID.7 preconditioning (January 2024)

O ecrã acima apresenta uma capacidade atual estimada de 155 kW e possível otimização para 162 kW, com uma estimativa do tempo de preparação. São estimativas do veículo, não medições de carregamento. Começar pouco antes da chegada pode deixar tempo insuficiente.

Um indicador ativo mostra que a preparação está a decorrer, não que a temperatura-alvo foi atingida. Após a ligação, a potência depende também do estado de carga, da curva do veículo e das capacidades do carregador, como explica Carregamento da bateria.

Preparação antes da partida

A climatização programada do habitáculo, o pré-condicionamento da bateria e a conclusão do carregamento são funções distintas. Um temporizador de partida pode coordená-las, mas o funcionamento exato deve ser consultado no manual.

Quando o pré-condicionamento usa eletricidade da rede antes da partida, pode preservar energia da bateria para o percurso. O relatório DOE sobre frio ilustra-o com testes de pré-condicionamento do habitáculo: o consumo num ciclo urbano de 7,5 milhas (cerca de 12 km) a 20°F (cerca de −7°C) diminuiu 9–20%. US Department of Energy: cold-weather EV performance (2024)

A preparação para partir pode aquecer habitáculo e bateria para a condução. O manual do Tesla Model 3 descreve, por exemplo, o aquecimento da bateria conforme necessário quando se ativa o pré-condicionamento do habitáculo. Tesla Model 3 owner's manual: cold-weather operation and preconditioning Preparar uma paragem de carregamento de alta potência é uma tarefa separada, que pode exigir aquecimento ou arrefecimento adicional.

O manual norte-americano do Kia EV9 de 2026 descreve também pré-condicionamento da bateria iniciado pela aplicação com o veículo estacionado. Neste modo, termina ao atingir o intervalo de temperatura adequado ou após 30 minutos. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

Carga baixa e limites de ativação

O pré-condicionamento consome energia que também pode ser necessária para chegar ao carregador. O manual norte-americano do Kia EV9 de 2026 diz que a função pode estar indisponível com pouca carga para preservar autonomia, sem indicar uma percentagem nessa secção. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

As duas imagens mostram 12% de SOC: uma tem o símbolo de pré-condicionamento ativo e a outra a mensagem «Bateria fraca. Condicionamento da bateria desativado». O SOC arredondado documenta os estados observados sem estabelecer o limite exato de desativação.

Consumo e desempenho repetido

O pré-condicionamento tem um custo elétrico. Num cálculo hipotético, um sistema que absorve em média 6 kW durante 20 minutos consome 2 kWh. Com um consumo de condução assumido de 18 kWh/100 km, equivale à energia para cerca de 11 km.

Os 2 kWh representam energia elétrica consumida, não calor entregue às células. Um aquecedor resistivo converte eletricidade em calor, enquanto uma bomba pode acrescentar calor captado noutro local; parte aquece outros componentes ou perde-se para o ambiente.

Num percurso com carregamento rápido, gastar energia a preparar a bateria pode reduzir o tempo de carregamento. Não aumenta automaticamente a autonomia. A comparação envolve a energia de preparação, a eventual redução de perdas e o tempo ganho.

Os testes de carregamentos repetidos revelam uma capacidade diferente de um único valor de potência de pico, como ilustra a comparação Nissan. Uma comparação útil deve registar condições ambientais, estado de carga à chegada, exigência de condução e definições de pré-condicionamento juntamente com os resultados.