Soluções de gestão térmica de baterias para segurança e longevidade

Introdução

Os veículos eléctricos e os sistemas de armazenamento de energia têm vindo a ganhar atenção nos últimos tempos. No entanto, um aspeto importante perdido nestas tecnologias é a gestão térmica das baterias, que tem sido objeto de atenção nesta perspetiva de crescimento. À medida que se avançam no desenvolvimento de novas tecnologias de baterias com o objetivo de aumentar as capacidades energéticas e as taxas de carga, a consideração da energia térmica produzida no interior das baterias torna-se vital.

Para manter temperaturas óptimas na maioria destes sistemas, é necessário um sistema abrangente de gestão da bateria. Uma gestão térmica da bateria mal implementada pode resultar num desempenho deficiente, numa redução do tempo de vida útil da bateria e, eventualmente, numa falha de arco devido a diferenciais de temperatura dentro das células. Os sistemas de gestão térmica das baterias são particularmente importantes para os dispositivos electrónicos, como o campo dos veículos eléctricos, uma vez que permitem que as suas baterias funcionem eficazmente.

Este artigo centra-se na área dos kits de entrada de gestão térmica de baterias, onde é apresentada a ciência da geração de calor, bem como as técnicas de arrefecimento, incluindo a importância das ventoinhas de arrefecimento, a fim de proteger e prolongar a vida útil dos sistemas de baterias.

O que é a gestão térmica da bateria?

Definido de forma sucinta, o termo Gestão térmica da bateria pode ser descrito como o conjunto de métodos e medidas utilizados para manter a temperatura das baterias ou dos conjuntos de baterias dentro de limites aceitáveis. É uma parte integrante do sistema de baterias que consiste em diferentes componentes, hardware e software, cujo principal objetivo é defender-se contra os efeitos da temperatura elevada, gerir a gama de temperaturas ou controlar a transferência de calor.

Estas soluções são essenciais para controlar o fornecimento de energia eléctrica no interior da bateria e necessitam constantemente de melhorias para se adaptarem às aplicações modernas.

Porque é que a gestão térmica da bateria é crucial?

Há várias razões para a importância de uma gestão térmica eficaz das baterias. A primeira é evitar a fuga térmica, que é uma situação perigosa quando a temperatura da célula aumenta e ativa uma série de eventos exotérmicos que podem entrar em combustão ou explodir.

O segundo fator é que os níveis de temperatura adequados dentro das células da bateria podem melhorar a eficácia, uma vez que as temperaturas extremas podem interferir com a eletroquímica dentro das células.

Uma outra razão é que um ótimo sistema de gestão térmica protege as baterias contra o envelhecimento e mantém a sua capacidade quando as baterias são expostas a temperaturas elevadas.

Um estudo publicado no Journal of Power Sources indica que um aumento de 10 graus Celsius na temperatura de funcionamento da bateria pode levar a uma perda de ciclo de vida de até 50%. A declaração mostra as ameaças que se colocam quando não é aplicada uma gestão térmica eficaz da bateria e salienta a relevância de tais técnicas de gestão para os sistemas de bateria.

Factores que afectam a temperatura da bateria

Existem vários factores que determinam a temperatura das células e dos conjuntos de baterias:

Temperatura ambiente: A temperatura do clima externo pode influenciar significativamente a temperatura da bateria

Taxa de carga e descarga: A carga ou descarga rápida pode levar a um aumento da temperatura devido ao fluxo de corrente.

Outros factores de temperatura incluem: A química das células, a conceção do conjunto de baterias, entre outros, são outros factores determinantes

Bateria Conceção: Tal como os canais de arrefecimento do tecido, a conceção da bateria com as substâncias disponíveis desempenha um papel importante na gestão térmica.

Utilização de energia eléctrica: As práticas de utilização de energia eléctrica também podem levar a alterações de temperatura.

É importante ter estes pontos em consideração, uma vez que, no futuro, ajudarão a desenvolver técnicas de gestão térmica do BTM e, consequentemente, o desempenho dos sistemas de baterias.

A ciência por detrás da geração de calor da bateria

Para compreender a importância da gestão térmica das baterias, é importante conhecer os factores responsáveis pela geração de calor nas baterias e a influência significativa da densidade energética juntamente com as condições de temperatura.

Reacções químicas e produção de calor

À medida que as pilhas recebem e emitem energia, alguns, se não todos, os processos químicos internos das pilhas prosseguem e, ao fazê-lo, libertam energia - calor. Esta geração de calor é uma consequência natural das reacções electroquímicas que ocorrem no interior das células. Muitos elementos influenciam a quantidade de calor criada; incluem a química da célula, o fluxo de corrente e a resistência interna. As baterias com elevada densidade de energia, por outro lado, podem gerar mais calor, que precisa de ser controlado para evitar cenários de sobreaquecimento.

Factores externos que influenciam a produção de calor

Para além da geração interna de calor, os factores externos também influenciam grandemente a temperatura da bateria. A temperatura ambiente, por exemplo, tem um efeito considerável nas tendências térmicas das células e baterias. No caso de temperaturas ambiente elevadas, qualquer reação em curso seria acelerada, aumentando ainda mais a taxa de produção de calor, o que poderia resultar em fuga térmica. Além disso, a luz solar direta ou outras fontes de calor podem aumentar a temperatura da bateria em causa. Para controlar estes aspectos, podem ser aplicados diferentes métodos de arrefecimento de várias formas para aumentar a segurança e controlar a temperatura de equilíbrio nos sistemas de baterias.

Métodos de arrefecimento da bateria

Foram concebidas diferentes abordagens para o arrefecimento das baterias com o objetivo de reduzir os efeitos do aquecimento e manter uma boa temperatura para a bateria. Cada abordagem tem os seus meios específicos para garantir a gestão do calor.

Arrefecimento por ar vs. arrefecimento por líquido

Para combater o sobreaquecimento das baterias, podem ser utilizadas as duas tecnologias de arrefecimento por ar e por líquido. No arrefecimento a ar, são normalmente utilizados ventiladores ou sopradores para ajudar a arrefecer a bateria através do fluxo de ar ativo. Trata-se de uma abordagem menos complexa e mais barata ao arrefecimento, mas, na maioria dos casos, o método não é provavelmente suficientemente eficaz para satisfazer as necessidades dos sistemas de elevado desempenho, uma vez que depende da baixa condutividade térmica do ar.

O arrefecimento líquido utiliza simplesmente um fluido de arrefecimento, como a água ou o glicol, que é movido através de um tubo de calor para absorver o calor da célula da bateria e transferi-lo. Este método é mais eficiente na transferência de calor, mas acrescenta mais custos e complexidade ao equipamento, uma vez que utiliza materiais termicamente condutores para melhorar a eficiência do método.

Arrefecimento passivo vs. Arrefecimento ativo

O arrefecimento de variedade passiva baseia-se em princípios naturais de transferência de calor, como a condução e a convecção, utilizados para remover o calor da bateria. Normalmente, envolve a colocação de dissipadores de calor e substâncias termicamente condutoras, geralmente ligas ou compósitos, para melhorar a gestão térmica sem quaisquer peças móveis. A conceção dos invólucros das baterias também é importante para melhorar a eficácia deste método.

O arrefecimento ativo, por outro lado, refere-se à utilização de melhoradores externos, como ventoinhas, bombas ou tubos de calor, para ajudar na remoção do calor do sistema de bateria. Este método proporciona uma gama de funcionamento com temperaturas mais controladas, mas à custa de um maior consumo de energia. Estes sistemas são projectados para se adaptarem às diferentes necessidades de condutividade térmica, minimizando o compromisso entre complexidade e eficiência.

Método de arrefecimento	Descrição	Componentes principais	Vantagens	Desvantagens
Arrefecimento do ar	Utiliza ventoinhas ou ventiladores para fazer circular o ar e dissipar o calor	Ventoinhas de arrefecimento, ventiladores	Baixo custo, conceção simples	Condutividade térmica mais baixa, menos eficaz para sistemas de elevado desempenho
Arrefecimento líquido	Utiliza um líquido refrigerante para absorver e transferir o calor para fora das células	Tubos de calor, materiais condutores de calor	Elevada eficiência na transferência de calor	Mais complexo e dispendioso
Arrefecimento passivo	Baseia-se na transferência natural de calor por condução e convecção	Dissipadores de calor, caixas termicamente condutoras	Sem partes móveis, baixo consumo de energia	Limitado pelas condições ambientais
Arrefecimento ativo	Utiliza dispositivos mecânicos para melhorar a remoção de calor	Ventiladores, bombas, permutadores de calor	Temperatura controlada, adaptável	Maior consumo de energia

Tecnologias de arrefecimento emergentes

Devido à enorme procura de baterias de energia, os investigadores e engenheiros estão à procura de novos métodos inovadores para melhorar a gestão térmica das baterias. Uma dessas novas abordagens é a utilização de materiais de mudança de fase (PDMs), que incorporam uma elevada condutividade térmica e paredes finas, minimizando assim a acumulação térmica. Estes materiais podem manter temperaturas consistentes através da utilização da temperatura de mudança de fase, o que permite uma regulação eficaz da temperatura graças à sua elevada condutividade térmica. Outro método inovador é a utilização do arrefecimento termoelétrico, que utiliza o efeito Peltier para bombear ativamente o calor para fora das células da bateria, criando as condições para uma gestão precisa das flutuações de temperatura.

Um sistema de arrefecimento híbrido integra diferentes métodos de arrefecimento para um melhor desempenho. Por exemplo, um sistema híbrido pode combinar arrefecimento a ar e líquido para aumentar a eficiência, incorporando elementos de arrefecimento activos e passivos. Esta metodologia assegura uma dissipação de calor eficaz em diferentes cenários de funcionamento, melhorando assim a fiabilidade do sistema. No domínio da gestão térmica das baterias, os sistemas híbridos combinam várias técnicas para obter uma gestão térmica óptima, utilizando a condutividade térmica de vários materiais para alargar a gama operacional da bateria. A integração destas técnicas avançadas abre novas possibilidades para os sistemas de gestão térmica e, consequentemente, para as tecnologias de armazenamento de energia.

mercado da gestão térmica das baterias para automóveis

Ventoinhas de arrefecimento: um componente crítico na gestão térmica da bateria

Em quase todos os projectos de sistemas de gestão térmica de baterias arrefecidas a ar, as ventoinhas de arrefecimento são um dos componentes mais indispensáveis. É importante implementá-las corretamente para obter condições razoáveis para a bateria com um custo mínimo.

O papel das ventoinhas de arrefecimento na gestão térmica da bateria

A base do conceito de "arrefecimento a ar" forçado reside na aplicação de ventoinhas de arrefecimento que estabelecem um fluxo de ar através das células da bateria que, por sua vez, retira o ar aquecido da bateria. Isto ajuda a proporcionar uma migração controlada de ar quente que incentiva uma transferência de calor eficiente e evita a formação de pontos quentes devido à condução. Os permutadores de calor podem ser instalados adicionalmente para ajudar na função de remoção de calor.

Para além das limitações de espaço e das restrições de custo, a principal consideração na seleção do tipo de ventoinhas de arrefecimento a utilizar é a termodinâmica do sistema de bateria e o design do veículo. Devido à sua construção simples e ao seu baixo custo, os ventiladores axiais são capazes de gerar caudal de ar a baixa pressão, o que os torna práticos para a maioria das aplicações que requerem um caudal de ar elevado e onde o espaço não é limitado.

Em contraste, os ventiladores centrífugos ou radiais têm uma pressão operacional mais elevada e são, por isso, normalmente utilizados em instalações que emitem caudal de ar através de aberturas estreitas, condutas e outros sistemas complicados.

As necessidades específicas das restrições térmicas e espaciais de um sistema de bateria exigem normalmente designs de ventiladores personalizados. Os engenheiros podem ajustar a geometria ou o tamanho das pás, bem como a velocidade de rotação, para obter o melhor desempenho de arrefecimento possível, minimizando ao mesmo tempo o consumo de energia em relação à eficiência do fluxo de ar. Hoje em dia, à medida que o conceito de veículo avança, o fornecimento de soluções de ventiladores por encomenda é importante para alcançar um desempenho e uma fiabilidade ainda melhores da bateria.

Gestão térmica da bateria para aplicações específicas

Os métodos de gestão térmica da bateria são específicos da aplicação. No entanto, as ventoinhas de arrefecimento têm uma vasta aplicação e podem ser muito eficazes em muitos sectores. Vamos examinar as suas aplicações em duas áreas específicas, como os veículos eléctricos e o armazenamento estacionário de energia.

Veículos eléctricos

Nos veículos eléctricos, o conjunto de baterias é a parte mais importante em termos de autonomia, desempenho e segurança. Além disso, os cenários de carregamento rápido ou de condução de elevado desempenho podem causar stress nas baterias, pelo que é necessária uma gestão térmica eficaz. A maioria dos veículos eléctricos utiliza líquidos de arrefecimento a ar e a líquido e, nessas configurações, as ventoinhas de arrefecimento são uma necessidade nos sistemas de arrefecimento a ar forçado do combustível. Estas ventoinhas são responsáveis por direcionar o fluxo de ar através das superfícies das células da bateria para reduzir as temperaturas e facilitar a remoção do calor. Por último, a utilização de ventiladores de ar condicionado do habitáculo do veículo permite o arrefecimento e a integração de ambos os sistemas, simplificando o processo de conceção.

Armazenamento estacionário de energia

O armazenamento de energia incorporado, como os sistemas de armazenamento de energia em aplicações de energia renovável ou de rede, também necessita de sistemas eficazes de gestão térmica da bateria. Na maioria dos casos, estes sistemas integram grandes conjuntos de baterias que produzem calor excessivo. Tais situações requerem a assistência de ventoinhas de arrefecimento, que oferecem um fluxo de ar eficaz para manter a temperatura ambiente e evitar a fuga térmica. Em termos de requisitos de arrefecimento e restrições de configuração, os ventiladores axiais e centrífugos são normalmente utilizados para o armazenamento de energia estacionário. O perfil operacional indica que estas baterias são concebidas para uma utilização a longo prazo e as ventoinhas ajudam a garantir uma temperatura uniforme e, por conseguinte, a fiabilidade e a resistência do sistema.

Conclusão

É evidente que, tal como acontece com muitos outros sistemas, os sistemas de baterias de lítio requerem medidas de controlo térmico eficazes para cumprirem as normas de segurança, os objectivos operacionais e durarem longos períodos. A necessidade de uma gestão térmica adequada continua a aumentar à medida que os dispositivos móveis se tornam cada vez mais potentes e exigem sistemas melhorados de capacidade térmica. É possível criar sistemas integrados de gestão de calor para baterias, de modo a que os diferentes dispositivos sejam também compatíveis e que possam ser fornecidas estruturas para lidar com vibrações e choques. O controlo de diferentes temperaturas em diferentes sectores, incluindo veículos eléctricos e sistemas de energia estática, também pode ser gerido eficazmente através de um sistema de gestão térmica de baterias de veículos concebido profissionalmente.

Dado o crescente impulso global para os veículos eléctricos e a sua capacidade de se misturarem com unidades de armazenamento renováveis, o impacto da gestão térmica das baterias será significativo, permitindo que as tecnologias recebam aceitação global. A conceção do sistema não só poderá abranger novos dispositivos ao nível do conjunto de baterias ou das células, mas também incluir exemplos de concepções estruturais a vários níveis.