Troca de baterias

A troca de baterias substitui uma bateria de tração descarregada por outra carregada enquanto o veículo aguarda. Encurta a paragem do condutor para repor energia ao transferir para a estação o carregamento, o arrefecimento, a inspeção e a gestão do inventário.

A estação é um sistema logístico de baterias

Uma troca automatizada num automóvel de passageiros pode incluir:

Identificação do veículo e verificações de elegibilidade
Orientação até uma posição definida com precisão
Desativação da alta tensão e confirmação de que é seguro desligar a bateria
Elevação ou sustentação do veículo
Libertação dos elementos de fixação mecânicos
Desligação das interfaces elétricas, de dados e térmicas específicas do projeto
Remoção da bateria e inspeção das superfícies críticas
Seleção e instalação de uma bateria carregada compatível
Nova ligação, fixação, teste e registo da bateria no veículo
Encaminhamento da bateria retirada para armazenamento, inspeção, condicionamento térmico e carregamento

O condutor assiste a uma troca breve; o operador gere uma frota de baterias durante muitas horas. Uma estação de troca combina, portanto, robótica, equipamento de manutenção de alta tensão, armazenamento de baterias, carregadores, gestão térmica, proteção contra incêndios, software e controlo de inventário.

O que muda com a troca

O carregamento convencional mantém a bateria no automóvel enquanto a energia é transferida por um cabo. A troca movimenta a bateria e carrega-a mais tarde.

Esta separação cria várias vantagens possíveis:

Uma paragem previsível, medida em minutos, quando está pronta uma bateria compatível
Temperaturas e potência de carregamento controladas na estação
Inspeção das baterias em cada troca
Separação da propriedade do veículo e da bateria
Possibilidade de substituir, num sistema modular, uma pequena bateria de utilização diária por outra com mais energia para uma viagem longa
Carregamento programado que pode evitar alguns picos no local
Elevada utilização dos veículos em táxis, serviços de transporte por aplicação, logística, autocarros e camiões

Também cria obrigações que não existem no carregamento por ficha:

A estação tem de manter um inventário suficiente de baterias compatíveis.
O veículo tem de permitir remoções estruturais repetidas sem comprometer a segurança em colisão nem a vedação.
A geometria, os elementos de fixação, os conectores, o arrefecimento, o software e a identificação das baterias têm de permanecer interoperáveis.
O operador tem de gerir diferenças de idade, capacidade energética, estado de saúde e propriedade das baterias.
Pode formar-se uma fila mesmo que as trocas sejam rápidas, se a capacidade de atendimento da estação ou o inventário carregado se esgotar.

A troca não elimina o tempo de carregamento nem a procura da rede elétrica. Transfere ambos para outro momento e local.

Projeto do veículo e da bateria

Uma bateria estrutural profundamente integrada na carroçaria pode melhorar a rigidez, a massa e o aproveitamento do espaço, mas é difícil de remover com frequência. Uma bateria substituível necessita de uma fronteira acessível para manutenção e de interfaces reutilizáveis.

Os requisitos de projeto podem incluir:

Elementos de posicionamento precisos e acesso para o robô
Elementos de fixação que suportem muitos ciclos verificados
Contactos de alta tensão protegidos contra contaminação e desgaste
Ligações de dados e de encravamento fiáveis
Vedantes que resistam a trocas repetidas
Ligações térmicas ou um projeto térmico integrado na bateria
Proteção contra água, sal, pedras, impactos e danos na parte inferior
Software que autentique a bateria e a sua configuração
Percursos de carga em colisão que permaneçam previsíveis após trocas repetidas

A normalização das baterias pode ocorrer dentro de uma marca, em vários modelos ou numa plataforma de toda a indústria. Quanto mais ampla for a compatibilidade pretendida, mais difícil se torna fixar dimensões e interfaces enquanto a tecnologia das células, a tensão, a química e a integração no veículo continuam a evoluir.

A construção interna e os compromissos estruturais das baterias de tração são abordados em Battery Pack and Configuration.

O inventário determina a capacidade de atendimento

Uma estação com 20 compartimentos para baterias não tem necessariamente 20 baterias prontas para qualquer veículo que chegue. Algumas podem estar:

A carregar
A arrefecer ou aquecer
Reservadas
Em inspeção
Incompatíveis com o modelo ou o nível de energia do veículo que chegou
Mantidas abaixo de um estado de carga elevado para reduzir o desgaste durante o armazenamento
Em quarentena após a deteção de uma falha

Os operadores têm de prever as chegadas, a combinação de baterias, a procura de energia e o tempo de carregamento. Uma vaga de veículos pode esgotar o inventário carregado mais depressa do que a estação o repõe. A capacidade da rede, a potência dos carregadores e a temperatura das baterias determinam então o tempo de recuperação.

A capacidade diária teórica também difere da capacidade alcançada. Atrasos no posicionamento, erros dos utilizadores, inspeções, manutenção, desequilíbrios entre baterias, variedade de veículos e picos de procura reduzem a utilização.

Segurança e controlo de qualidade

A norma chinesa GB/T 40032-2021 estabelece requisitos nacionais de segurança para a troca de baterias de veículos elétricos. Uma implementação segura continua a depender do veículo, da bateria, da estação, do processo de manutenção e dos regulamentos locais específicos.

Uma estação deve controlar:

Identidade correta da bateria e configuração do software
Resistência de isolamento e encravamentos de alta tensão
Estado do conector e histórico de temperaturas
Bloqueio mecânico e verificação dos elementos de fixação
Estado da caixa, dos vedantes e da parte inferior
Códigos de falha e registos de eventos de colisão
Estado de carga, estado de saúde e desequilíbrio das células
Estado térmico antes do armazenamento, carregamento ou disponibilização
Regras de quarentena e encaminhamento

A automatização pode tornar estas verificações consistentes, mas também pode repetir em escala um erro sistemático. Os sensores, a verificação independente, os registos rastreáveis, a manutenção preventiva e um modo degradado seguro são tão importantes como a velocidade do robô.

A segurança das baterias ao longo do projeto, utilização, reparação, segunda vida e reciclagem é abordada em EV Battery Safety e EV Battery Lifecycle.

A propriedade e o problema da equidade

O modelo de bateria como serviço pode reduzir o preço de compra do veículo ao separar a subscrição ou o aluguer da bateria. Também pode permitir atualizações de capacidade quando o veículo e o serviço as suportam.

O contrato tem de responder a questões difíceis:

O cliente possui uma bateria específica, um direito a determinada capacidade ou apenas acesso à rede?
Que valores mínimos de energia, potência e estado de saúde são garantidos?
Uma bateria mais antiga pode substituir uma mais recente?
Quem paga por danos, degradação anormal ou falta de histórico de manutenção?
O que acontece quando a subscrição termina ou a rede abandona um mercado?
O veículo pode ser vendido ou exportado para fora da rede?
O carregamento por ficha continua disponível?
As atualizações da bateria são compatíveis com os limites de colisão, térmicos e elétricos do veículo?

O sistema de troca mais robusto não é apenas mecanicamente rápido; torna claros o estado da bateria e os direitos do cliente.

Modelos de implementação atuais

A Power Swap Station 4.0 da NIO ilustra uma abordagem à bateria completa dentro do ecossistema da marca. A NIO afirma que a estação armazena 23 baterias, consegue concluir uma troca automatizada em 144 segundos e foi concebida para até 480 trocas por dia. Estas são especificações do fabricante para essa geração da estação, não representam o desempenho universal da troca de baterias.

O EVOGO da CATL adota uma abordagem modular. O conceito Choco-SEB original permitia que um veículo compatível utilizasse entre um e três blocos de bateria, com uma estação normalizada a armazenar até 48 blocos e a trocar um bloco num minuto, segundo a marca. A modularidade pode adequar a energia alugada às necessidades diárias, mas exige uma plataforma de veículo concebida em torno desses blocos.

Os camiões comerciais, táxis e outras frotas de utilização intensiva podem constituir uma oportunidade de negócio mais sólida do que os automóveis particulares, porque as rotas previsíveis e a procura concentrada aumentam a utilização da estação. O hardware normalizado da frota também reduz o número de variantes de bateria que cada local tem de manter em inventário.

O OCPP 2.1 acrescenta suporte de back-end para operações de troca de baterias, incluindo funções de estações de troca. Um protocolo de gestão pode normalizar transações e a troca de estados; não normaliza a interface física, térmica ou de colisão da bateria.

Quando a troca é a melhor ferramenta

A troca de baterias é mais convincente quando:

Os veículos regressam a corredores ou depósitos previsíveis
O tempo de imobilização é dispendioso
Uma frota compatível proporciona elevada utilização da estação
Separar a propriedade da bateria tem um valor claro para o cliente
Há terreno, capacidade de rede e inventário de baterias disponíveis
A plataforma do veículo foi concebida para trocas repetidas

O carregamento por ficha é normalmente mais simples quando os veículos podem permanecer parados durante horas, as normas têm de abranger muitas marcas, a rede é pouco densa ou a bateria está integrada na estrutura.

As duas abordagens podem coexistir. Um veículo com bateria substituível pode utilizar carregamento doméstico ou público para a energia habitual e reservar a troca para dias de utilização intensiva ou viagens longas. A comparação correta não é “três minutos contra trinta minutos”; inclui o investimento na estação, o inventário de baterias, a energia da rede, a compatibilidade, o risco de filas, o projeto do veículo e o valor do tempo.

O contexto mais amplo do sistema de carregamento é abordado em EV Charging: The Complete System.