A bateria de um veículo elétrico EV é o principal componente desse tipo de carro. Embora seja sua fonte de energia, ela funciona de forma completamente diferente dos combustíveis. Na verdade, uma bateria é composta por centenas ou milhares de células. Essas são a menor fonte de energia da bateria. Portanto, uma denominação, caracterização e teste adequados foram definidos pela comissão técnica elétrica IEC. Ela afirma que o elemento mais básico, a célula, é definido como um ânodo, separador e cátodo. Na verdade, a configuração de uma célula de pilha é ânodo, cátodo e eletrólito compactados juntos. Para várias células dispostas, a IEC o nomeou como um módulo. No entanto, isso é convencionalmente chamado de célula. A diferença entre essas duas definições de célula é a força eletromagnética. Isso significa que uma célula é aquela com uma única voltagem possível. Portanto, a configuração de empilhamento aumenta o fluxo de corrente Aᐧh. Portanto, uma superfície ativa interna aumentada. Para isso, é necessária uma série de células em paralelo. No entanto, por convenção, é apenas chamado de célula. Um módulo é um grupo de células fisicamente separadas, que podem ser cilíndricas ou prismáticas. Este artigo fornece uma visão geral das células usadas em aplicações automotivas, discutindo seus tipos, configurações e aspectos de qualidade.

Classificação de células

Existem três classes de células, a primária, a secundária e a reserva. A primeira é a usual de baterias comuns. Elas são carregadas, depois descarregadas e descartadas. A secundária é um tipo de célula multiuso e pode ser recarregada. A terceira categoria são as células de reserva, que são amplamente utilizadas em aplicações militares. Elas podem ser armazenadas por um tempo muito longo. Isso as torna adequadas para aplicações que exigem segurança, como satélites e mísseis. Uma bateria com essas células pode durar cerca de 20-25 anos, o que as torna muito caras. Por esse motivo, é improvável que seja instalada em carros. No entanto, para aplicações automotivas, as células são classificadas em formas e arranjos.

Formato da célula

Os formatos das células são basicamente prismáticos e cilíndricos. A célula cilíndrica é um conceito muito simples. É composta por um recipiente metálico, cilíndrico e colado. Este recipiente é conectado ao ânodo interno. A parte superior é isolada e conectada ao cátodo. Além disso, há uma válvula de ventilação interna. Isso é muito sólido, consistente e autônomo em relação à sua operação mecânica. Permite armazenar muita energia internamente. No entanto, seu tamanho é uma limitação. Isso dificulta a criação de uma bateria personalizada. Esses aspectos justificam o investimento das montadoras em diferentes tipos de formatos de células.

 

As células prismáticas têm duas categorias comuns, as de lâmina (blade) e as de bolsa. Na verdade, a primeira é uma subcategoria de células de bolsa. Elas foram desenvolvidas pela BYD por volta de 2023. Basicamente, as células de bolsa são uma pilha de eletrodos inseridos em uma bolsa de alumínio. Ela é composta de cinco camadas com a seguinte configuração: polietileno, polipropileno, folha laminada de alumínio, polipropileno e polietileno. O uso de polipropileno entre alumínio e polietileno é para evitar a criação de ligações, o que ocorreria se polietileno e alumínio estivessem juntos. Portanto, o polipropileno é uma espécie de primer para o alumínio. Um aspecto importante para esses tipos de células é que os eletrodos devem ser perfeitamente paralelos para ter um bom desempenho. Além disso, quando o lítio é inserido no grafite, o carbonato de lítio aumenta o volume. Este composto tem um aspecto de cor amarela e aumenta o volume pelo dobro da quantidade original de lítio. O resultado é um estresse mecânico na célula, que é comumente chamado de respiração celular. Este é um fenômeno que muda o formato da célula de bolsa, portanto, a distância dos elétrons. Em outras palavras, um longo caminho do material para se mover por isso, em termos de caminho, os elétrons enfrentarão uma resistência maior. Portanto, o contato entre o lítio e o grafite aumenta a resistência interna da célula.

Portanto, um procedimento padrão ao usar baterias de células de bolsa é montá-las sob pressão externa. Células prismáticas formam um recipiente rígido. Elas podem aplicar pressão nas células internas. É por isso que os recipientes são substituídos. Embora tenha um formato prismático, é possível usar uma estrutura elipsoidal dobrada de elétrons. Essa configuração é mais barata em relação ao custo de produção. Essa ideia é baseada na dobra e prensagem de dois metais. Isso nos permite aproveitar o efeito mola do metal. Essa é a razão por trás da formação mais barata de componentes internos, é necessária uma estrutura externa rígida. O objetivo é fazer pressão enquanto os eletrodos são mantidos paralelos. Portanto, se a célula de bolsa for selecionada para uma bateria de veículo elétrico, é necessária uma fonte de pressão externa. Em resumo, soluções que comprimem a estrutura. Na verdade, essa pressão é um parâmetro crítico, mas seu valor não é tão alto. O problema é que esse limite de pressão não é mencionado nas fichas técnicas das células. Deve ser solicitado formalmente ao fornecedor.

Outro aspecto importante com relação à pressão em baterias é sua relação com os processos de carga e descarga. A pressão de dentro para fora da estrutura da célula varia de acordo com o processo que ocorre na bateria. Portanto, ela aumenta dependendo do estado de carga SoC. Por exemplo, uma bateria com 100% SoC significa uma quantidade de carboneto de lítio na célula. Então, há uma diferença de pressão de dentro para fora e isso afeta o desempenho da célula. Posteriormente, é possível entender que o desempenho da célula depende de vários parâmetros diferentes. Eles devem ser levados em consideração, especialmente ao usar células de bolsa. Um desses parâmetros é o design da aba. Se houver abas no mesmo lado para exatamente as mesmas células em termos de material ativo e o mesmo for feito no oposto, o comportamento térmico da célula é melhorado. Além disso, a temperatura é um parâmetro que afeta o desempenho da célula em termos de eletricidade. Esses aspectos relativos às células sugerem que as baterias para veículos elétricos são todas sobre equilíbrio nesses aspectos. Portanto, uma célula nunca deve ser selecionada considerando apenas um parâmetro. É necessário conduzir uma análise profunda da estrutura da célula e da aplicação.

Arranjo

Existem dois conceitos básicos com relação ao arranjo de células, série e paralelo. Quando as células são dispostas em série, a voltagem aumenta para o mesmo fluxo de corrente. Na verdade, essa configuração não aumenta a superfície dos eletrodos, em vez disso, apenas a quantidade de eletrodos é multiplicada.

No arranjo paralelo, a voltagem não é aumentada, mas a superfície ativa que absorve elétrons aumenta. Portanto, a voltagem é a mesma, enquanto o fluxo de corrente aumenta. No entanto, é possível ter ambas as características combinando ambos os arranjos, este é o arranjo de células mistas. O objetivo é obter a voltagem e o fluxo de corrente desejados para a aplicação. Um aspecto importante para qualquer célula ou bateria é a voltagem de trabalho e a mudança de corrente durante o processo de descarga.

Além disso, em comparação com as baterias de células úmidas, essa variação é muito maior devido à polaridade da água e à resistência interna. Portanto, com um carro alimentado por bateria de íons de lítio, a eficiência em relação à potência e à corrente é mais estável, pois a curva de descarga em função da voltagem é mais linear. Portanto, usando baterias de íons de lítio, como uma fonte de energia de 12 V em relação às de chumbo-ácido, é possível aumentar em 20% o alcance em termos de consumo. O motivo é que a bateria de íons de lítio absorve completamente a energia produzida pela geração, enquanto as baterias de chumbo-ácido têm uma eficiência de recarga inicial de 50%. Este valor diminui de acordo com os ciclos de carga-descarga. Como resultado, o alternador trabalha significativamente menos, o que permite a um carro movido a ICE uma melhoria significativa na quilometragem.

Qualidade da célula

A qualidade é uma variável muito importante ao projetar um conjunto de baterias. Portanto, há dois indicadores importantes de qualidade, desempenho e temperatura. É fortemente necessário selecionar células quase equivalentes em termos de desempenho em série e/ou paralelo. O motivo é que qualquer célula com uma variação diferente em termos de desempenho causa um envelhecimento acelerado de todo o conjunto de baterias. Em relação à temperatura, é extremamente importante garantir sua uniformidade no conjunto de baterias. O motivo é que o desempenho da célula varia com a temperatura. Se isso exibir variações exageradas, isso causa um envelhecimento acelerado do conjunto de baterias. Um exemplo desse problema ocorreu na La Ferrari, que estava equipada com um conjunto de baterias não termicamente balanceado. Consequentemente, mais de 300 conjuntos de baterias de 499 foram trocados. Este caso é tão representativo, pois esse tipo de carro roda apenas alguns quilômetros. Portanto, a magnitude desse problema em um carro elétrico produzido em massa seria catastrófica. Portanto, a qualidade do fabricante da célula, para fornecer o menor desvio padrão, deve ser a mais alta possível.

Equilíbrio térmico

Depois que as simulações são feitas, as células selecionadas são analisadas pelo laboratório de química para avaliar os desempenhos, o próximo passo é o design do conjunto de baterias. Para isso, é necessário o intervalo de tolerância de produção e o equilíbrio térmico. Mesmo considerando uma célula em série arranjada com um equilíbrio térmico garantido, ainda é possível ter a voltagem errada. A razão é que o fluxo de corrente através da mídia e das conexões célula a célula tem resistências diferentes e elas reduzem a voltagem. Este parâmetro é a força eletromagnética que é impulsionada pelo material interno. Mesmo fornecendo um equilíbrio térmico, elas podem ser desequilibradas de acordo com a posição na fileira. Isso significa que é necessário ter uma estratégia para manter o máximo possível o equilíbrio dos desempenhos das células. A montagem de módulos cilíndricos é de alguma forma uma estrutura rígida, as células cilíndricas são rígidas em termos de estrutura. Portanto, não há janela para criatividade no design do conjunto de baterias composto por células cilíndricas. As células de bolsa são mais flexíveis, uma vez que são empilhadas, uma pressão externa é necessária. Isso deve ser uniforme ao longo da série de células. Este é o principal desafio ao projetar este tipo de pacote de bateria. É necessário levar em conta a pressão através do módulo. As células prismáticas são mais fáceis de montar e fornecem uma estrutura rígida. No entanto, é a configuração que tem problemas com seu resfriamento.

Referências

• Este artigo foi baseado nas notas de aula escritas pelo autor durante as Palestras de Componentes de Veículos do curso de Mestrado em Engenharia Automotiva Avançada na Università di Modena e Reggio Emilia;
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