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

Uma bateria fria pode precisar de aquecimento antes de uma recarga rápida; uma bateria quente pode precisar de resfriamento para aceitar a mesma potência. A gestão térmica transfere calor para dentro e para fora do conjunto, preparando a bateria para dirigir ou carregar e limitando o consumo de energia e as diferenças de temperatura.

Este capítulo dá continuidade à construção das células explicada em Formatos das células e à integração ao veículo abordada em Conjunto de bateria e configuração.

Por que as temperaturas desejadas mudam

Temperaturas baixas aumentam a resistência e tornam mais lentos os processos que permitem à célula receber carga. Em células de íons de lítio com grafite, uma corrente de carga excessiva pode depositar lítio metálico no eletrodo negativo, em vez de armazená-lo dentro do grafite. US Department of Energy: Enabling Fast Charging—A Technology Gap Assessment (2017) O capítulo Química das células e componentes explica esse mecanismo de deposição de lítio.

Esses limites afetam tanto a recarga quanto a condução. O manual do Tesla Model 3 descreve a redução da velocidade de carregamento e da frenagem regenerativa quando a bateria está fria, além do aquecimento da bateria antes de uma parada planejada para recarga. Tesla Model 3 owner's manual: cold-weather operation and preconditioning

Aquecer as células pode melhorar o desempenho de carregamento, mas a exposição prolongada ao calor acelera o envelhecimento. US Department of Energy: Enabling Fast Charging—A Technology Gap Assessment (2017) Os efeitos da temperatura e do estado de carga no longo prazo são abordados em Degradação da bateria. Antes de uma parada para recarga rápida, o veículo pode preparar uma bateria que já estava quente o suficiente para dirigir; a Audi descreve o aquecimento de uma bateria muito fria do e-tron GT para esse fim. Audi: original RS e-tron GT navigation and preconditioning

Os fabricantes apresentam temperaturas para finalidades diferentes. A documentação da Audi de 2021 indica 30–35°C como a faixa preferencial da bateria do e-tron GT original. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021) Já o anúncio do Cayenne Electric da Porsche, de 2025, especifica uma condição inicial para o carregamento: a curva ideal de recarga rápida divulgada pode ser obtida a partir de uma temperatura de bateria de 15°C. Porsche: Cayenne Electric high-voltage system (2025)

Geração e armazenamento de calor

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

P = I²R

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

A temperatura do conjunto aumenta quando a geração e a entrada de calor superam a saída. As células e os materiais do conjunto armazenam energia térmica, por isso acionar o resfriamento não altera imediatamente as temperaturas em toda a bateria.

Dentro de uma célula, as capacidades térmicas e as resistências térmicas dos materiais determinam como a temperatura muda e como o calor chega à superfície de resfriamento. Li e colaboradores modelam essas propriedades separadamente para o conjunto de eletrodos, 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 resfriamento envolve duas tarefas interligadas: transferir o calor do interior das células para uma superfície de resfriamento e, depois, transportá-lo para um local capaz de absorvê-lo ou dissipá-lo. O circuito de líquido de arrefecimento ou de fluido refrigerante determina a segunda etapa; a construção da célula e seu contato com a estrutura de resfriamento determinam a primeira.

Dissipação passiva de calor e ventilação forçada

O resfriamento passivo dissipa calor pela estrutura do conjunto e pelo ar ao redor. O resfriamento por ventilação forçada usa um ventilador. O resfriamento a ar pode simplificar os componentes, mas a baixa capacidade térmica do ar dificulta a remoção de calor e a uniformidade da temperatura em comparação com o resfriamento a líquido. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

O Nissan LEAF e+ de segunda geração oferece um exemplo útil de resfriamento passivo. A análise técnica da Nissan de 2022 classifica o sistema do LEAF como dissipação natural de calor. Em seu teste com ciclos repetidos de condução rodoviária e recarga rápida, o desempenho de carregamento do LEAF e+ caiu a partir da segunda recarga, à medida que a temperatura da bateria aumentava. O Ariya, com resfriamento a líquido, manteve o desempenho de carregamento nesse teste. Nissan Technical Review No. 88: Ariya battery and thermal control (2022)

Resfriamento indireto a líquido

Em um sistema indireto, estruturas sólidas de resfriamento separam o líquido de arrefecimento das células. A resistência térmica das camadas intermediárias afeta a remoção de calor. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

A documentação da Audi de 2021 para o Q4 e-tron descreve a circulação de uma mistura de água e glicol por canais planos sob os compartimentos das células. Uma pasta termocondutora conecta a bateria a essa estrutura de resfriamento, 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 o calor para fora da bateria, mas precisa então dissipá-lo. Um radiador transfere calor do líquido para o ar externo quando a diferença de temperatura permite. Um chiller transfere calor do líquido para o fluido refrigerante do ar-condicionado, permitindo o resfriamento com compressor quando o ar externo, sozinho, não é suficiente. A Audi descreve a conexão entre o circuito da bateria do e-tron GT original e seu circuito de fluido refrigerante 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 resfriamento, o líquido de arrefecimento, o fluido refrigerante e, por fim, o trocador de calor externo. Ao contrário do resfriamento apenas por radiador, a refrigeração pode resfriar a bateria abaixo da temperatura do ar ambiente.

Resfriamento direto por fluido refrigerante

Em um sistema direto, o fluido refrigerante percorre a estrutura de resfriamento da bateria sem um circuito intermediário de água e glicol. O calor chega ao fluido pela estrutura externa às células seladas, e o circuito de refrigeração transporta esse calor para fora do veículo. A BMW descreveu essa solução no material técnico do i3 de 2013. BMW i Innovation Days: refrigerant cooling (April 2013)

Contato e posição das superfícies de resfriamento

Resfriar uma célula pela base ou pela lateral cria caminhos diferentes para o calor através de seus materiais internos. O estudo de Li e colaboradores sobre células cilíndricas mostra por que o invólucro e as conexões internas afetam o resultado. Li et al.: cylindrical-cell tab design and cooling (2021) O capítulo Formatos das células aborda esses caminhos direcionais do calor e exemplos de resfriamento pelos terminais com mais detalhes.

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

Como a bateria é aquecida

Um aquecedor do líquido de arrefecimento converte energia elétrica em calor e faz esse calor circular pela estrutura de resfriamento da bateria. Ele pode preparar uma bateria fria sem esperar que as perdas durante a condução a aqueçam. O sistema do Q4 e-tron original descrito acima usa essa solução. Audi: Q4 e-tron battery, thermal management and charging (2021)

As bombas de calor transferem calor entre níveis de temperatura usando um circuito de fluido refrigerante. Em condições adequadas, o calor fornecido supera a energia elétrica consumida pelo compressor, pois parte desse calor vem de outra fonte. Em uma bomba de calor que usa o ar como fonte, o ar externo 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 de aquecer a bateria depende de como seu circuito se conecta ao circuito da bateria. O calor também pode seguir o caminho inverso: a documentação do e-tron GT original descreve o uso, pela bomba de calor, do calor residual dos componentes de alta tensão para aquecer o interior. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021)

Sistemas integrados podem redirecionar calor que seria dissipado. A Nissan descreve a integração dos circuitos térmicos da cabine, da bateria e do trem de força para reutilizar o calor da condução e do carregamento na climatização da cabine e no controle de temperatura da bateria. Nissan: electric vehicle thermal conditioning Recuperar calor é útil quando existe uma fonte adequada; após uma longa permanência no frio, pode haver pouco calor residual disponível inicialmente.

Medição e controle da temperatura

O sistema de gerenciamento da bateria mede tensões, corrente e temperaturas e usa essas informações para gerenciar os limites de operação da bateria. Texas Instruments: EV battery management systems Os sensores de temperatura informam as condições nos locais em que estão instalados. Eles não medem diretamente todos os pontos no interior de cada célula.

A temperatura interna pode ser diferente da temperatura da superfície. A pesquisa do NREL sobre carregamento ultrarrápido investigou medições dentro das células e a relação entre variações de temperatura e comportamentos desiguais das células. NREL: Heat Generation Concerns Associated with Extreme Fast Charging (2020) Por isso, a temperatura média do conjunto, ou um único valor no painel, não descreve completamente sua condição térmica.

A distribuição desigual do líquido de arrefecimento ou diferenças de contato podem deixar regiões mais quentes no conjunto. O projeto de resfriamento precisa considerar os caminhos locais do calor e a capacidade total de remoção de calor. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

O BMS e outros controladores do veículo coordenam a potência permitida com os componentes do sistema térmico. Se a bateria não puder aceitar a corrente solicitada dentro de seus limites, o veículo precisará reduzi-la enquanto o aquecimento ou o resfriamento produz efeito. O capítulo Sistema de gerenciamento da bateria explica o monitoramento e as decisões sobre limites de potência; a gestão térmica fornece os meios físicos para alterar a temperatura.

O controle preditivo acrescenta informações sobre o que acontecerá em seguida. A documentação da Audi de 2024 para o Q6 e-tron descreve o uso do horário de partida programado, da rota e dos dados de navegação para planejar o condicionamento, além de descrever o condicionamento após o uso. Audi: Q6 e-tron technical facts (2024) Antecipar-se é importante porque o interior das células responde mais lentamente do que o tempo necessário para ligar um aquecedor ou compressor.

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

Pré-condicionamento para recarga e partida

O pré-condicionamento aproxima a bateria das condições necessárias para uma tarefa futura. Para recarga rápida, isso pode significar aquecer uma bateria fria ou resfriar uma bateria quente. O manual americano do Kia EV9 de 2026 descreve os dois casos e informa 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 permite que o veículo use a parada de recarga planejada para começar a preparação durante o trajeto. Para o e-tron GT original, a Audi informou que o resfriamento se intensifica cerca de meia hora antes da chegada a um carregador rápido selecionado na navegação. Separadamente, descreveu o aquecimento de uma bateria muito fria logo após uma partida no inverno, para prepará-la para a recarga rápida. Audi: original RS e-tron GT navigation and preconditioning

O acionamento manual é útil quando o motorista escolhe uma parada fora do planejador de rotas integrado. A descrição do ID.7 da Volkswagen, de janeiro de 2024, cita o Google Maps ou o Waze via App Connect como exemplos: o pré-condicionamento manual é útil quando o planejador de rotas de fábrica está inativo. Volkswagen Netherlands: automatic and manual ID.7 preconditioning (January 2024)

A tela acima mostra uma capacidade estimada de recarga rápida de 155 kW no momento e uma possível otimização para 162 kW, com uma estimativa do tempo de preparação. São estimativas do veículo, e não medições de carregamento. Iniciar a preparação pouco antes da chegada pode não deixar tempo suficiente.

Um indicador de pré-condicionamento ativo mostra que a preparação está em andamento, não que a temperatura desejada já foi atingida. Depois da conexão, a potência de carregamento também depende do estado de carga, da curva de carregamento do veículo e da capacidade do carregador, como explicado em Carregamento da bateria.

Preparação antes da partida

A climatização programada da cabine, o pré-condicionamento da bateria e a conclusão do carregamento são funções distintas. A programação de um horário de partida pode coordená-las, mas é preciso consultar o manual do veículo para entender o funcionamento exato.

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

A preparação para a partida pode aquecer tanto a cabine quanto a bateria para a condução. O manual do Tesla Model 3, por exemplo, descreve o aquecimento da bateria conforme necessário quando o pré-condicionamento da cabine é ativado. Tesla Model 3 owner's manual: cold-weather operation and preconditioning Preparar a bateria para uma parada de recarga de alta potência é uma tarefa separada, que pode exigir aquecimento ou resfriamento adicional.

O manual americano do Kia EV9 de 2026 também descreve o pré-condicionamento da bateria iniciado pelo aplicativo com o veículo estacionado. Nesse modo, o funcionamento termina quando a bateria atinge a faixa de temperatura adequada 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 americano do Kia EV9 de 2026 informa que a função pode ficar indisponível com carga baixa para preservar a autonomia, sem especificar uma porcentagem nessa seção. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

As duas imagens mostram SOC de 12%: uma apresenta o símbolo de pré-condicionamento ativo, enquanto a outra exibe “Bateria fraca. Condicionamento da bateria desativado”. O valor arredondado de SOC registra os estados observados, sem estabelecer o limite exato de desativação.

Consumo de energia e desempenho em uso repetido

O pré-condicionamento da bateria tem um custo elétrico. Em um cálculo hipotético, um sistema que consome em média 6 kW durante 20 minutos utiliza 2 kWh. Com um consumo de condução assumido de 18 kWh/100 km, essa energia corresponde a cerca de 11 km de deslocamento.

Os 2 kWh representam a energia elétrica consumida, não o calor entregue às células. Um aquecedor resistivo converte eletricidade em calor, enquanto uma bomba de calor pode acrescentar calor captado em outro local; parte do calor também aquece outros componentes ou escapa para o ambiente.

Em uma viagem com parada para recarga rápida, usar energia para preparar a bateria pode reduzir o tempo de carregamento. Isso não aumenta automaticamente a autonomia. É preciso comparar a energia de preparação, a eventual redução das perdas e o tempo de recarga economizado.

Testes de recarga repetida revelam uma capacidade diferente de um único valor de potência máxima, como ilustra a comparação da Nissan acima. Uma comparação útil deve registrar as condições ambientes, o estado de carga na chegada, a carga de condução e as configurações de pré-condicionamento junto com os resultados de carregamento.