Tópicos:
- Introdução
- Materiais e especificações de diferentes baterias
- Bateria de chumbo ácido
- Níquel-cádmio (Ni-Cd)
- Hidreto metálico de níquel (Ni-MH)
- Íon de lítio (íon de lítio)
- Supercapacitor (supercap)
- Balanceamento de células de bateria
Introdução:
O carro híbrido ou totalmente elétrico possui baterias maiores e mais pesadas do que os carros com apenas motor a combustão. Os carros híbridos utilizam altas tensões, que podem ser fatais se os reparos forem realizados por pessoas não qualificadas. Como um exemplo:
- Um motor de partida em operação consome cerca de 1,2 kW (1200 Watts)
- Um carro híbrido que funciona inteiramente com eletricidade consome cerca de 60 kW (60.000 Watts)
Os carros híbridos só podem ser trabalhados por pessoas que tenham recebido formação especial. Existe uma rede embarcada de 12 volts para alimentação de acessórios (como rádios, etc.) com pequena bateria própria, e existe uma rede embarcada de alta tensão que opera a 400 volts (dependendo da marca ). A tensão de 400 V é convertida em 12 V por um conversor CC/CC especial e carrega a bateria relevante.
Altas demandas são colocadas em baterias de acionamento híbrido. Eles devem ser muito grandes capacidade de armazenamento Ter. Grandes reservas de energia são armazenadas e tensões muito altas são consumidas ao apoiar o motor de combustão (híbrido) ou ao fornecer energia para a propulsão completa (BEV).
A imagem abaixo mostra uma bateria de um Toyota Prius. Esta bateria de níquel metal hidreto (NiMH) contém 28 módulos, cada um composto por 6 células. Cada célula tem uma voltagem de 1,2 volts. A voltagem total desta bateria é de 201,6 volts.
Materiais e especificações de diferentes tipos de baterias:
Ao desenvolver o sistema de transmissão elétrico, é feita uma escolha entre diferentes tipos de baterias. As propriedades, desempenho, opções de construção e custos desempenham um papel importante. Os tipos de bateria mais comumente usados em veículos híbridos e totalmente elétricos são baterias Ni-MH (níquel-hidreto metálico) e baterias de íon-lítio (íon-lítio).
Além dos tipos Ni-MH e Li-ion, há um desenvolvimento de capacitores eletrolíticos, que colocamos sob o nome de “supercapacitor”, ou “supercaps”.
A tabela mostra os materiais das diferentes baterias com suas especificações.
Bateria de chumbo:
A tabela também menciona a bateria de chumbo-ácido (as versões gel e AGM não são consideradas). Como a bateria de chumbo-ácido tem a vida útil mais longa com uma descarga máxima de 20%, sofre sulfatação à medida que envelhece e tem baixa densidade e conteúdo de energia, ela não é adequada para uso em veículos elétricos. Encontramos a bateria de chumbo-ácido como uma bateria acessória; Consumidores de baixa tensão, como iluminação, sistemas de conforto (carroceria) e infotainment, operam com uma tensão de cerca de 14 volts.
Níquel-cádmio (Ni-Cd):
No passado, Ni-Cd As baterias sofrem de efeito memória e, portanto, são inadequadas para uso em propulsão elétrica: carga e descarga parciais ocorrem constantemente. As baterias modernas de Ni-Cd praticamente não são mais afetadas pelo efeito memória. A maior desvantagem deste tipo de bateria é a presença da substância tóxica cádmio. Isso torna a bateria Ni-Cd extremamente hostil ao meio ambiente. A utilização desta bateria é, portanto, proibida por lei.
Hidreto metálico de níquel (Ni-MH):
A bateria Ni-MH pode ser carregada mais rapidamente do que uma bateria de chumbo-ácido. Durante o carregamento, são gerados calor e gás, que devem ser removidos. As baterias estão equipadas com sistema de refrigeração e válvula de ventilação. Graças à sua longa vida útil e alta densidade de energia e potência, a bateria Ni-MH é adequada para uso em veículos elétricos. No entanto, este tipo de bateria é sensível a sobrecargas, descargas excessivas, altas temperaturas e mudanças rápidas de temperatura.
A imagem abaixo mostra a bateria Ni-MH de um Toyota Prius. Esta bateria está localizada no porta-malas, atrás do encosto do banco traseiro. Quando os sensores de temperatura registram temperatura elevada, a ventoinha de resfriamento é acionada (pode ser vista na foto à direita pela caixa branca). O ventilador suga o ar do interior e sopra-o através dos dutos de ar da bateria para resfriar as células.
Íon de lítio (íon de lítio):
Devido à alta energia e densidade de potência da bateria de íon de lítio (em comparação com Ni-MH), uma bateria de íon de lítio é geralmente usada em híbridos plug-in e veículos totalmente elétricos. A bateria de íons de lítio funciona bem em baixas temperaturas e tem uma longa vida útil. Espera-se que as propriedades melhorem nos próximos anos devido a um maior desenvolvimento.
Na próxima imagem vemos a bateria (li-ion) de um BMW i3. A tampa foi desparafusada e está atrás dela. Quando montada, a tampa fecha hermeticamente.
A bateria do i3 está montada sob o veículo. O espaço entre os eixos dianteiro e traseiro foi utilizado tanto quanto possível para fornecer o máximo de espaço possível para a bateria.
Na imagem vemos os oito blocos separados com doze células cada. Cada bloco tem capacidade de 2,6 kWh, totalizando 22 kWh. Para efeito de comparação: a atual geração do i3 (2020) possui bateria com capacidade de 94 Ah e potência de 22 kWh. O tamanho da bateria permaneceu o mesmo desde a sua introdução em 2013, mas o seu desempenho (e, portanto, o seu alcance) melhorou bastante.
A Tesla usa pequenas células de bateria nos modelos de 2013 em diante (Modelo S e Modelo X) que são um pouco maiores do que as baterias AA padrão que conhecemos do controle remoto da televisão. As células da bateria (18650 da Panasonic) têm 65 mm de comprimento e 18 mm de diâmetro. As baterias mais extensas contêm nada menos que 7104 dessas células.
Nas imagens abaixo vemos as células individuais da bateria à esquerda e uma bateria contendo as células 7104 à direita.
A bateria de íon de lítio é composta por quatro componentes principais:
- o cátodo (+) consistindo de uma liga de lítio
- o ânodo (-) consistindo de grafite ou carbono
- o separador poroso
- o eletrólito
Durante a descarga, os íons de lítio movem-se através do eletrólito do ânodo (-) para o cátodo (+), para o consumidor e de volta ao ânodo. Durante o carregamento, os íons se movem em direções opostas e depois vão do cátodo (+) para o ânodo (-).
O eletrólito contém sais de lítio para transportar os íons. O separador garante a passagem dos íons de lítio, enquanto o ânodo e o cátodo permanecem separados.
As células da bateria estão alojadas em módulos conectados em série. A representação esquemática abaixo mostra uma bateria que tem fortes semelhanças com a de um Volkswagen E-UP! e Renault Zoe. Apenas o número de células difere: a bateria do E-UP! tem 204 células e a do Renault Zoë 192.
Neste exemplo, o conjunto de baterias consiste em dois conjuntos de seis módulos. Cada módulo contém dois grupos de 10 células conectadas em série em paralelo.
- Conexão em série: a tensão da bateria aumenta. A uma tensão de célula (íon-lítio) de 3,2 volts, um módulo de bateria fornece (3,2 * 10) = 32 volts.
A desvantagem de uma conexão em série é que, com uma célula defeituosa, a capacidade de toda a conexão em série torna-se menor. - Conexão paralela: a tensão permanece a mesma, mas a corrente e a capacidade aumentam. Uma célula ruim não tem influência sobre as células do circuito conectadas a ela em paralelo.
Os fabricantes podem, portanto, optar por usar vários circuitos paralelos por módulo. Nos módulos do Volkswagen E-Golf, portanto, não (dois neste exemplo), mas três grupos de células são conectados em paralelo.
As células de íons de lítio têm uma vida útil de aproximadamente 2000 ciclos de descarga e carga antes que sua capacidade seja reduzida para aproximadamente 80% de sua capacidade de carga inicial.
As tensões de uma célula de íons de lítio são as seguintes:
- tensão nominal: 3,6 volts;
- limite de descarga: 2,5 volts;
- tensão máxima de carga: 4,2 volts.
A maioria dos sistemas de gerenciamento de bateria (BMS) usa um limite inferior de 2,8 volts. Se a célula for descarregada além de 2,5 volts, ela será danificada. A vida útil da célula é reduzida. A sobrecarga da célula de íons de lítio também reduz sua vida útil, mas também é perigosa. Sobrecarregar a célula pode torná-la inflamável. A temperatura das células também afecta a sua vida útil: a uma temperatura inferior a 0°C, as células podem já não estar carregadas. Uma função de aquecimento oferece uma solução neste caso.
Capacitor de supercódigo (supercap):
Nos parágrafos anteriores são mencionados diferentes tipos de baterias, cada um com suas aplicações, vantagens e desvantagens. Uma desvantagem que todos com essa bateria enfrentam é o tempo de carregamento. Carregar uma bateria pode levar várias horas. O carregamento rápido é uma opção, mas está associado a mais calor e possivelmente também ao envelhecimento (e danos) mais rápido da bateria.
Atualmente, muita pesquisa e desenvolvimento estão ocorrendo em supercapacitores. Também chamamos isso de “supercaps” ou “ultracapacitores”. O uso de supercaps poderia fornecer uma solução para isso:
- O carregamento é muito rápido;
- Eles podem liberar energia (descarga) muito rapidamente, sendo possível um aumento significativo de potência;
- Mais durável que uma bateria de íons de lítio graças a um número ilimitado de ciclos de carga (pelo menos 1 milhão) porque não ocorrem reações eletroquímicas;
- Em parte em conexão com o ponto anterior, uma supercapa pode ser totalmente descarregada sem que isso tenha quaisquer consequências prejudiciais para a sua vida útil.
Supercaps são capacitores com capacidade e densidade de energia milhares de vezes maiores que os capacitores eletrolíticos padrão. A capacidade é aumentada através da utilização de um eletrólito especial (material isolante) que contém íons e, portanto, possui uma constante dielétrica muito alta entre as placas. Um separador (uma folha fina) é embebido em um solvente com íons e colocado entre as placas. As placas geralmente são feitas de carbono.
A capacitância do capacitor mostrado é 5000 F.
Os supercaps podem ser combinados com uma bateria HV de íons de lítio; Ao acelerar brevemente, a energia dos condensadores pode ser utilizada em vez da energia da bateria HV. Com a frenagem regenerativa, os capacitores carregam totalmente em uma fração de segundo. Desenvolvimentos futuros também poderão tornar possível a substituição da bateria de íons de lítio por um pacote supercap. Infelizmente, com a tecnologia atual, a capacidade e, portanto, a densidade de potência são muito baixas em comparação com uma bateria de íons de lítio. Os cientistas estão procurando maneiras de aumentar a capacidade e a densidade de potência.
Balanceamento de células de bateria:
Através do balanceamento passivo e ativo das células da bateria, cada célula é monitorada pela ECU para manter o status saudável da bateria. Isso prolonga a vida útil das células, evitando descargas profundas ou sobrecargas. As células de íons de lítio, em particular, devem permanecer dentro de limites estritos. A voltagem das células é proporcional ao estado da carga. As cargas das células devem ser mantidas em equilíbrio tanto quanto possível. Com o balanceamento de células é possível controlar com precisão o status da carga dentro de 1 mV (0,001 volt).
- O balanceamento passivo garante um equilíbrio no estado de carga de todas as células da bateria, descarregando parcialmente as células com um estado de carga muito alto (voltaremos a isso mais adiante nesta seção);
- O balanceamento ativo é uma técnica de balanceamento mais complexa que pode controlar as células individualmente durante a carga e a descarga. O tempo de carregamento com balanceamento ativo é menor do que com balanceamento passivo.
Na imagem a seguir vemos um módulo de bateria com oito células.
As oito células estão carregadas a 90%. A vida útil de uma célula diminui se ela for carregada continuamente até 100%. Por outro lado, a vida útil também diminui se a bateria descarregar além de 30%: com um estado de carga <30% a célula está profundamente descarregada.
O estado de carga das células estará, portanto, sempre entre 30% e 90%. Isso é monitorado pela eletrônica, mas não é visto pelo motorista do veículo.
O display digital no painel indica 0% ou 100% ao atingir 30% ou 90%.
Devido à idade avançada, algumas células podem tornar-se mais fracas que outras. Isto tem uma grande influência no estado de carga do módulo de bateria. Nas próximas duas imagens vemos o estado da carga quando duas células têm menor capacidade devido à idade. As células da bateria não estão equilibradas nestas situações.
- Descarga mais rápida devido a células ruins: as duas células intermediárias descarregam mais rapidamente devido à sua menor capacidade. Para evitar descargas profundas, as outras seis células do módulo não podem mais liberar energia e, portanto, não podem mais ser utilizadas;
- Não carrega totalmente devido a células ruins: devido à baixa capacidade das duas células do meio, elas carregam mais rápido. Como atingem 90% mais rápido do que as outras seis células, não é possível realizar mais carregamentos.
É claro que as células de menor capacidade são o fator limitante tanto durante a descarga (durante a condução) como durante o carregamento. Para utilizar de forma ideal toda a capacidade da bateria e garantir uma longa vida útil.
Existem dois métodos de balanceamento de bateria: passivo e ativo.
- Sem balanceamento: quatro células têm estados de carga diferentes. A célula 2 está quase vazia e a célula 4 está totalmente carregada;
- Passivo: as células com maior capacidade são descarregadas até que o estado de carga da célula mais fraca (célula 2 no exemplo) seja alcançado. A descarga das células 1, 3 e 4 é perda.
No exemplo vemos que os béqueres são descarregados até atingirem o estado de carga da célula 2; - Ativo: a energia das células cheias é usada para preencher as células vazias. Agora não há perda, mas sim transferência de energia de uma célula para outra.
O princípio de funcionamento do equilíbrio celular passivo e ativo é explicado abaixo.
Balanceamento celular passivo:
No exemplo vemos quatro células de bateria conectadas em série com um resistor comutável (R) em paralelo. Neste exemplo, o resistor está conectado ao terra com a chave. Na realidade, este é um transistor ou FET.
No exemplo vemos que a célula 3 está 100% carregada. Pelos parágrafos anteriores sabemos que esta célula carrega mais rápido porque é mais fraca que as outras três. Como o status de carga da célula 3 é 100%, as outras três células não estão mais carregadas.
A resistência localizada em paralelo na célula 3 é incluída no circuito de corrente pela chave. A célula 3 descarrega porque o resistor absorve tensão assim que a corrente flui através dele. A descarga continua até que a célula esteja no nível das outras células; neste caso 90%.
Quando todas as quatro células deste módulo tiverem o mesmo estado de carga, elas poderão ser carregadas posteriormente.
Com o balanceamento passivo de células, a energia é perdida: a tensão absorvida pelos resistores conectados em paralelo foi perdida. No entanto, muitos fabricantes ainda utilizam este método de balanceamento até hoje.
Equilíbrio celular ativo:
Muito mais eficiente é, obviamente, o equilíbrio celular ativo. A energia da célula sobrecarregada é usada para carregar a célula vazia. Vemos um exemplo de equilíbrio celular ativo abaixo.
No exemplo vemos duas células conectadas em série (3 e 4) com tensões acima delas (4 e 3,9 volts respectivamente). A célula 3 é descarregada por meio do transformador. O FET no lado primário permite a descarga. A bobina primária do transformador é carregada com isso. O FET do lado secundário liga a bobina secundária do transformador. A corrente de carga obtida é usada para energizar o transformador sob outra célula. O transformador na célula 4 também é ligado e desligado por FETs.
