Gestão Térmica dos Sistemas de Bateria de Veículos Eléctricos
Postado por Adelle Webber sobre
Porque precisa do BTMS para veículos eléctricos?
O BTMS é composto por mais componentes do que apenas as baterias. Na maioria dos EV existe um inversor para carregamento doméstico que muda AC para DC. Há também um inversor para a saída para o motor de accionamento. Há controlos de temperatura, aquecedor, dispositivos de arrefecimento e ventiladores. Todos estes componentes fazem parte de um BTMS.
Sistemas de gestão térmica de baterias para veículos eléctricos é um novo conceito para engenheiros automotivos e consumidores. Pouco se compreende sobre os requisitos para manter temperaturas óptimas para um carregamento e funcionamento eficientes dos grandes conjuntos de baterias necessários para veículos eléctricos.
O consumo de energia e as taxas de descarga necessárias para os sistemas de aquecimento e arrefecimento podem ter impacto no desempenho do veículo se não forem devidamente concebidos e mantidos.
Sobreaquecimento das baterias de iões de lítio
As baterias de iões de lítio provocaram incêndios em dispositivos móveis, placas de aspirador, e carros enquanto carregavam. General Motors recordou 141.000 Parafusos devido a incêndios causados enquanto os proprietários cobravam os seus carros durante a noite.
Desempenho das baterias de iões de lítio em tempo frio
Tesla tem um problema de desempenho devido às condições climatéricas frias. Leia o artigo da Forbes. Consumers are beginning to learn that during winter months battery performance can be reduced to 40% which translates to much shorter driving di
Soluções para a Gestão Térmica de Sistemas de Bateria Eléctrica de Veículos.
Como é que os sistemas de baterias nos veículos podem ser aquecidos ou arrefecidos eficazmente?
O aquecimento e arrefecimento dos conjuntos ou sistemas de baterias são tipicamente convecção do ar que envolve o compartimento da bateria ou condução através da transferência de calor através da estrutura e estrutura que contém os elementos da bateria. Existem sistemas mais complexos que utilizam tubos de calor, refrigeração líquida, e até mesmo o electrolítico no interior das baterias. Estes sistemas podem ser dispendiosos e acrescentar peso ao já pesado conjunto de baterias do veículo.
Sistemas de aquecimento para EV BTMS
Os elementos de aquecimento PTC são normalmente utilizados tanto para arrefecimento por convecção como para condução ou contacto directo de conjuntos de baterias. PTC, os aquecedores com coeficiente de temperatura positivo são ideais devido ao seu pequeno tamanho, alta densidade de watt, e controlo auto-regulador da temperatura para segurança. Estes dispositivos têm sido utilizados durante anos para aquecer a indústria em climas frios.
Aquecedores de arame flexíveis gravados são outra opção devido à sua versatilidade no dimensionamento personalizado, mesmo no aquecimento, e espessuras muito finas. Estes elementos de aquecimento podem ser ensanduichados entre módulos de bateria para um aquecimento mais uniforme. Aquecedores flexíveis revestidos de silicone podem ser colocados sob os módulos de bateria para a transferência directa de calor condutivo.
As bombas de calor são outra forma de aquecer tanto o compartimento das baterias como o compartimento dos passageiros. As bombas de calor não são eficazes para o aquecimento quando a temperatura exterior é inferior a 32 graus Fahrenheit. Os fabricantes de VE estão a aprender a utilizar o bomba de calor para captar o excesso de calor das baterias no Inverno para aquecer o compartimento interior do passageiro
Tesla utiliza tanto aquecimento resistivo como bombas de calor nos seus veículos.
Arrefecimento de BTMS para veículos
Manter as baterias EV frias é o mais importante na mente dos fabricantes devido às erupções cutâneas dos incêndios e das recolhas para a General Motors. A circulação do ar e a ventilação do compartimento das baterias é suficiente na maioria dos casos.
Alguns fabricantes estão a tomar precauções adicionais utilizando bombas de calor para arrefecimento e aquecimento. Outros estão a utilizar dispositivos de arrefecimento termoeléctrico, tais como refrigeradores Peltier.
Os refrigeradores de efeito Peltier são um dispositivo de estado sólido que não necessita de refrigerante ou outros líquidos para funcionar. Estes refrigeradores tiram partido dos coeficientes Peltier de diferentes materiais para transferir calor e frio para o arrefecimento do ar. A utilização do fluxo de ar aumenta o efeito de apoio a um arrefecimento mais eficiente. Estes refrigeradores vêm em tamanhos padrão de 60 a 200 watts.
Temperaturas de Funcionamento Ideais para Baterias EV
Os consumidores e engenheiros estão familiarizados com radiadores e sistemas de circulação de óleo em motores de combustão que existem há 100 anos. O líquido de refrigeração e o óleo em circulação mantêm temperaturas de funcionamento óptimas para o motor e os ocupantes dos veículos. Os EVs ou veículos eléctricos requerem uma abordagem muito diferente. A concepção e construção do sistema de transmissão das baterias, e BTMS requer um engenheiro eléctrico ou electrónico.
As baterias utilizadas nos veículos eléctricos têm uma vida útil mais longa com menos manutenção do que os motores de combustão, mas ainda assim, requerem uma atenção cuidadosa às temperaturas operacionais para garantir a sua longevidade e segurança.
As baterias de iões de lítio são as baterias mais comuns utilizadas nos veículos actuais devido ao seu peso, capacidade de armazenamento, e produção. Estas baterias comummente utilizadas perdem 40% ou mais da sua produção a baixas temperaturas e correm o risco de rápida deterioração e potencial fuga térmica a altas temperaturas.
As condições óptimas de funcionamento estão a temperaturas entre 59 - 95 graus Fahrenheit. A maioria de todos compreende que carros, camiões e outros veículos operam a uma gama muito mais ampla de temperaturas ambientes do que as condições óptimas. Os extremos exteriores variam entre subzero e mais 100 graus Fahrenheit.
Um veículo típico pode ser facilmente exposto a ambos os extremos da gama de temperaturas nos Estados Unidos. As temperaturas internas de um veículo no Verão podem variar até 150 graus F ou mais, se estacionado ao sol. Daí a necessidade de uma gestão térmica do sistema de baterias.
Baterias EV e Clima Frio
A gestão térmica dos sistemas de baterias de veículos eléctricos é um problema subavaliado pelos fabricantes de veículos. O que acontece com o desempenho das baterias EV a baixas temperaturas é o elefante na sala. Não o verá nas brochuras de marketing dos fabricantes de automóveis, mas o desempenho pode cair para 40% do que é anunciado no tempo frio.
A gestão térmica inadequada dos sistemas de baterias pode diminuir a duração da bateria e reduzir a eficiência dos conjuntos de baterias. As baterias utilizadas para o arranque dos motores de combustão interna apresentam os mesmos problemas de baixa potência de arranque nos meses de Inverno e dificuldade em manter uma carga.
Os veículos eléctricos com sistemas de baterias muito maiores requerem uma gestão de aquecimento nos climas de Inverno para carregar eficientemente e manter o alcance de condução.
Porque é que o tempo frio é um problema para os sistemas de baterias EV?
Pré-aquecimento
Electrical vehicle manufacturers understand this issue and some have BTMS that will turn on the battery preheating system when the vehicle senses the owner is looking for a recharging station. When a battery is cold the cells will not fully charge resulting in less than 100 % capacity and resul
Isto é verdade para os carregadores de baterias tipo garagem 1 ou 2 dos proprietários. Para obter uma carga completa das baterias durante a noite, a bateria precisa de ser pré-aquecida antes de ser carregada. É possível que, com uma carga trincada durante oito horas, a resistência interna nas células da bateria aqueça suficientemente a bateria para uma carga completa.
Manutenção das condições ideais de funcionamento da bateria para o sistema de bateria.
A temperatura da bateria varia durante o carregamento, funcionamento, e armazenamento - um veículo estacionado. As baterias de iões de lítio funcionam melhor dentro da gama de temperaturas de 59-95 graus F. Quando as temperaturas da bateria chegam aos 32 graus, o carregamento e a eficiência de saída diminuem. Temperaturas inferiores a -4 graus podem resultar em intervalos operacionais de 40 por cento do normal.
Se o alcance do seu veículo for avaliado em 320 milhas numa bateria totalmente carregada, isto significa que só poderá percorrer 128 milhas antes de recarregar. Se estiver a carregar a bateria a essa temperatura, esta pode levar apenas 40% da carga normal. Isto reduz o seu alcance para 51 milhas! Esta é apenas uma situação hipotética, mas pode ver como a sua viagem por estrada pode demorar muito mais tempo do que planeou.
Enquanto tomamos como garantido o funcionamento do nosso lap-top, telefones e outros dispositivos móveis que utilizam as baterias. A maioria dos nossos aparelhos não são deixados de fora ao frio, pelo que não nos apercebemos da mesma diferença que uma bateria de automóvel em termos de desempenho. Contudo, se operar o seu portátil no seu "colo" poderá sentir como a bateria fica quente. A bateria de um carro tem 1.000 vezes mais potência do que o seu portátil e cria muito mais calor durante o funcionamento.
Há uma razão pela qual as companhias aéreas não querem estas baterias no compartimento de bagagem de um avião. É também por isso que se vêem quaisquer baterias enviadas através do correio com um aviso no pacote.
Porque é que o arrefecimento é tão importante para uma bateria de veículo eléctrico?
Os sistemas de baterias EV são compostos por centenas de baterias individuais ligadas entre si para produzir os 100-400 volts necessários para o funcionamento do motor eléctrico do veículo. A saída DC é convertida para AC para fazer funcionar o motor AC primário para a unidade de tracção.
Cada uma das pequenas baterias de 3-5 volts e as suas ligações criam resistência à corrente quando são carregadas. A corrente que flui através de uma resistência cria calor. A elevada temperatura ambiente da bateria ou uma corrente de carga demasiado elevada cria calor suficiente para vaporizar os fluidos no interior das baterias, criando gás. É o gás em expansão que provoca a explosão das baterias e os fluidos e gases das baterias produzidos para se incendiarem.
Para evitar que isto ocorra, as baterias têm sistemas de ventilação para libertar o gás se este se acumular e controlos que restringem a corrente durante o carregamento. Mesmo assim, o calor e a corrente elevados podem causar a sobreposição dos eléctrodos dentro das baterias, o que deteriora a vida e a potência da bateria ao longo do tempo.
A solução é um BTMS que arrefece as baterias ou o compartimento das baterias para manter temperaturas de funcionamento seguras e eficientes.
Tem havido grandes retiradas de sistemas de baterias EV devido ao sobreaquecimento durante o carregamento.
As estações de carregamento de EV ao ar livre também necessitam de gestão térmica.
Os proprietários de automóveis esperam que as bombas de gás ao ar livre, ATMs e agora os carregadores eléctricos funcionem independentemente das condições meteorológicas. Todos estes equipamentos de exterior necessitam de controlo climático para que a sua electrónica interna continue a funcionar correctamente.
Os carregadores eléctricos para veículos funcionam em corrente alternada, corrente alternada que é convertida em corrente contínua, corrente contínua para carregar as baterias. Requer um conversor electrónico para mudar a corrente de CA para CC, para carregamento rápido das baterias. Estes dispositivos e componentes que os controlam não funcionam bem em frio, calor, ou humidade.
Os armários exteriores utilizam dispositivos de aquecimento, arrefecimento e controlo de humidade para manter o intervalo de temperatura de funcionamento adequado no interior do armário. O mesmo tipo de dispositivos electrónicos de aquecimento e arrefecimento que são utilizados para a gestão térmica da bateria são utilizados em armários eléctricos de exterior. Além disso, são utilizados evaporadores de condensados eléctricos pode ser utilizado para reduzir a humidade. Leia mais sobre o controlo do clima dentro de armários de controlo eléctrico ao ar livre.
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