O que é gerenciamento térmico da bateria?
As baterias têm características semelhantes às dos humanos, pois não toleram calor ou frio extremos, e sua temperatura operacional ideal é normalmente entre 15-40°C. No entanto, o ambiente de trabalho de um carro pode variar muito, com temperaturas variando de -20°C a 55°C sendo comuns. Então, o que pode ser feito nesses casos? Uma solução é equipar a bateria com um sistema de refrigeração para atingir três funções de gerenciamento térmico: resfriamento, aquecimento e consistência de temperatura.
Resfriamento: Quando a temperatura é muito alta, a vida útil da bateria (degradação da capacidade) é reduzida e o risco de fuga térmica (superaquecimento) aumenta. Portanto, o resfriamento é necessário quando a temperatura está muito alta.
Aquecimento: Quando a temperatura é muito baixa, a vida útil da bateria (degradação da capacidade) é reduzida, seu desempenho enfraquece e, se ocorrer carregamento, existe o risco de fuga térmica devido ao revestimento de lítio, causando curtos-circuitos internos. Portanto, o aquecimento (ou isolamento) é necessário quando a temperatura é muito baixa.
Consistência da temperatura: Você se lembra dos condicionadores de ar que costumávamos ter em casa quando éramos jovens? Eles começavam com uma rajada de ar frio e depois faziam uma pausa. No entanto, os condicionadores de ar modernos geralmente têm funções de frequência variável e fluxo de ar surround para manter a consistência da temperatura no tempo e no espaço. Da mesma forma, as baterias de energia precisam minimizar as diferenças de temperatura no espaço o máximo possível (para garantir que a diferença de temperatura dentro das células da bateria seja a menor possível).
O impacto da baixa temperatura nos veículos e baterias é bem conhecido. A bateria de energia é o componente mais crítico de um veículo elétrico e afeta seu desempenho em todos os aspectos: distância que pode percorrer, aceleração máxima, vida útil e, claro, segurança. Muitos fatores influenciam o desempenho de uma bateria de energia, sendo a temperatura o mais significativo. Os proprietários de veículos elétricos nas regiões do norte, especialmente, enfrentaram os desafios impostos pelas baixas temperaturas. Muitos dos primeiros veículos elétricos veriam seu alcance reduzido para apenas 70% no inverno. Algumas pessoas hesitaram em ligar o aquecimento para evitar afetar o driving range.
Na realidade, baixas temperaturas também reduzem a capacidade de descarga da bateria. Temperaturas mais baixas da bateria suprimem completamente a capacidade de descarga da bateria, afetando não apenas a autonomia, mas também a potência do veículo e a recuperação de energia, entre outras coisas. Tomemos como exemplo a bateria comum de íons de lítio: o princípio de funcionamento de uma bateria de íons de lítio é essencialmente a reação redox entre os eletrodos internos positivo e negativo e o eletrólito. Em baixas temperaturas, a taxa de reação da intercalação de lítio no material ativo de superfície do eletrodo diminui, a concentração de íons de lítio dentro do material ativo diminui, o que leva a uma diminuição no potencial equilibrado da bateria, um aumento na resistência interna, uma diminuição na capacidade de descarga e, em condições extremas de baixa temperatura, podem ocorrer fenômenos como congelamento de eletrólitos e incapacidade da bateria de descarregar. Isso afeta muito o desempenho em baixa temperatura do sistema de bateria em veículos elétricos, resultando em diminuição do desempenho de saída de energia e redução da autonomia. Além disso, em ambientes de baixa temperatura, é mais provável que ocorra deposição de lítio na superfície do eletrodo negativo durante o carregamento, e o acúmulo de lítio metálico na superfície do eletrodo negativo pode perfurar o separador da bateria, causando um curto-circuito entre os eletrodos positivo e negativo, representando um risco de segurança. Os problemas de segurança associados ao carregamento de baixa temperatura em sistemas de bateria de veículos elétricos são restrições significativas para a promoção de veículos elétricos em regiões frias.
Existe uma tecnologia que pode aliviar o problema acima?
Com base nas informações fornecidas, é evidente que a falta de gerenciamento térmico da bateria ou o gerenciamento térmico deficiente em veículos elétricos pode ter um impacto significativo em seu desempenho. No entanto, com os avanços tecnológicos, a maioria dos carros elétricos modernos está equipada com sistemas de gerenciamento térmico de bateria. O objetivo final desses sistemas é manter a temperatura da bateria dentro da faixa de operação ideal.
O gerenciamento térmico da bateria é necessário dependendo do tipo de bateria usada no veículo, bem como da taxa de geração de calor, eficiência energética e sensibilidade à temperatura da bateria. O gerenciamento térmico inclui aquecimento e resfriamento e é igualmente importante. A tecnologia de pré-aquecimento é um componente importante do gerenciamento térmico da bateria, com o objetivo de elevar rapidamente a temperatura da bateria para a temperatura operacional ideal quando estiver baixa. Existem vários métodos convencionais de aquecimento de bateria, incluindo:
- Autoaquecimento da bateria: Este método utiliza o calor gerado durante a operação, descarga ou carregamento da bateria para aumentar a temperatura da bateria. No entanto, esse método tem um efeito de aquecimento lento e geralmente é insuficiente para aumentar a temperatura da bateria antes que o veículo seja usado. Não é mais comumente usado em veículos convencionais e é mais prevalente em modelos antigos ou veículos de baixo custo.
- Aquecimento por sopro de ar: Para ser honesto, as baterias refrigeradas a ar não são comumente vistas no mercado. Foi relatado que a BYD desenvolveu baterias refrigeradas a ar. Este método envolve o uso de ar condicionado externo para soprar ar quente ou frio na bateria para controlar a temperatura. No entanto, essa tecnologia requer um design rigoroso dos dutos de ar dentro da bateria, e o efeito de aquecimento no aumento da temperatura da bateria é relativamente lento. Além disso, se não for bem projetado, pode facilmente levar ao superaquecimento localizado.
- Equipamento de aquecimento dentro da bateria: O sistema de aquecimento consiste principalmente em elementos e circuitos de aquecimento, sendo os elementos de aquecimento a parte mais importante. Os elementos de aquecimento comuns incluem elementos de aquecimento de resistência variável e elementos de aquecimento de resistência constante. O primeiro é frequentemente referido como PTC (coeficiente de temperatura positivo), enquanto o último é normalmente composto de um filme de aquecimento composto de fios de aquecimento de metal, como filme de aquecimento de silicone ou filme de aquecimento elétrico flexível. Os métodos PTC ou de filme de aquecimento geralmente fornecem bons efeitos de aquecimento e velocidades de aquecimento mais rápidas. No entanto, pode haver um aumento desigual de temperatura na bateria, com as células mais próximas da fonte de calor experimentando aumentos de temperatura significativamente maiores em comparação com as mais distantes. Este é especialmente o caso de filmes de aquecimento que estão em contato direto com a superfície do módulo de bateria, exigindo certos requisitos para a estrutura de dissipação de calor dentro da bateria.
O PTC é amplamente utilizado devido à sua segurança, alta eficiência de conversão térmica, aquecimento rápido, ausência de chamas abertas e controle automático de temperatura. Tem um custo mais baixo, o que é vantajoso para as atuais baterias de energia de alto preço. No entanto, os elementos de aquecimento PTC têm um volume maior, ocupando um espaço significativo dentro do sistema de bateria. As películas de aquecimento flexíveis isoladas são outro tipo de aquecedor que pode ser dobrado para combinar com a forma do objeto que está sendo aquecido, garantindo contato próximo e máxima transferência de calor. Os filmes de aquecimento de silicone são elementos de aquecimento de superfície fina e flexível, mas requerem contato completo com o objeto aquecido e sua segurança é um pouco inferior ao PTC.
- Aquecimento hidrônico: As baterias refrigeradas a líquido ganharam popularidade nos projetos atuais devido ao seu aquecimento eficaz, dissipação de calor uniforme e características de segurança confiáveis. Na estrutura interna da bateria, os canais ou caminhos de água são normalmente projetados para facilitar a dissipação de calor, garantindo uma distribuição uniforme do calor por toda a bateria e alcançando um aumento uniforme da temperatura.
Este é o princípio do aquecimento da bateria. Além disso, posso compartilhar algumas informações privilegiadas com você. O próximo Xpeng P7, que está atualmente em desenvolvimento, contará com uma nova função de pré-aquecimento da estação de carregamento de navegação com um clique. Ele permite que seu veículo pré-aqueça a bateria enquanto estiver a caminho de uma estação de supercarregamento. A potência de aquecimento é ajustada com base na distância fornecida pelo sistema de navegação. Isso garante que a bateria esteja na temperatura ideal ao chegar à estação de carregamento, pronta para sobrecarga.
Os principais cenários e características do pré-aquecimento da bateria são focados principalmente no inverno nas cidades do norte. Os principais cenários de uso incluem situações de descarga e carregamento. Quando um veículo é estacionado em um ambiente frio por um período de tempo e depois ligado, a temperatura da bateria geralmente é baixa, o que afeta significativamente a experiência de dirigir. Se o veículo seguir para uma estação de carregamento para carregamento, isso também afetará muito a eficiência do carregamento. Portanto, a calibração detalhada da temperatura é necessária para as estratégias de partida e parada do pré-aquecimento da bateria para obter os melhores resultados sem desperdiçar recursos e atender aos cenários de uso do cliente. Isso também testa os recursos de integração e correspondência da montadora.
O "efeito barril" da bateria de energia, onde o desempenho e a confiabilidade do sistema de bateria dependem da célula mais fraca e a segurança do sistema depende da célula menos estável, determina que apenas baterias com melhor consistência de temperatura podem demonstrar o melhor desempenho. É por isso que a maioria das baterias é projetada com refrigeração líquida.
De fato, há muitos outros detalhes e pontos a serem explorados em relação à tecnologia de pré-aquecimento da bateria. Alguns exemplos incluem dissipação de calor para baterias quadradas, faixas de temperatura operacional ideais para diferentes materiais de células, integração do gerenciamento térmico do compartimento de passageiros com gerenciamento térmico da bateria, otimização da estrutura da bateria e assim por diante. Cada um desses tópicos é digno de uma pesquisa aprofundada.
