As baterias fazem parte do nosso dia-a-dia, afinal, sem elas dependeríamos de muitos fios - ou seja, o celular seria algo 'menos portátil' - ou até de manivelas - como ocorria lá do início da era do automóvel.
Neste artigo vamos fazer a continuação do Capítulo 1 (você pode acessa-lo CLICANDO AQUI!), trazendo mais informações sobre os sistemas de controle de pressão e temperatura, além de aspectos estrturais dos Packs aplicados em automóveis.
Vamos iniciar dando uma olhada nas tendências de desenvolvimento de materiais para veículos elétricos puros nos últimos anos. No campo dos EVs, sempre houve duas rotas técnicas, as pilhas ternárias e as de Fosfato de Ferro-Lítio.
Pilhas ternárias, isto é, composições de Níquel-Cobalto-Manganês-Lítio - comumente chamadas de "Íon de Lítio" - são escolhidas devido à sua alta densidade de energia, como é o caso do acumulador PE338187A aplicado em algumas versões do GMW Ora 03. A desvantagem é o alto custo.
Na seguinte tabela, notamos a evolução dos dois métodos (NCM e LFP) ao longo dos últimos 10 anos:
Gráfico 1 - A evolução dos dois tipos de pilhas comuns em automóveis elétricos
Ao contrário, o Fosfato de Ferro-Lítio tem um custo menor, mas baixa densidade energética, e que já está próxima do limite teórico.
A BYD é uma fabricante de pilhas de Fosfato de Ferro-Lítio, embora tenha usado acumuladores ternários na maioria de seus veículos elétricos puros por muito tempo. Apesar disso, ela nunca desistiu desta rota técnica, e como a densidade de energia não pode ser excedida em termos de materiais, os engenheiros trabalham da perspectiva da integração do sistema.
Nos modernos carros elétricos há, geralmente, um pack de baterias de Íons de Lítio (que fornecem 3,6 ~ 3,8 V) ou - mais recentemente (meados de 2019 pra cá) - Fosfato de Ferro-Lítio (que fornecem 3,1 ~ 3,3 V), totalizando uma pluralidade de pilhas, de acordo com a demanda de energia do veículo.
Pois bem, o processo de "carga" e "descarga" dessas trocentas pilhas gera uma quantidade de calor enorme, que em situações de pico poderiam ocasionar uma explosão catastrófica. Para sanar este problema e manter as pilhas mais próximas possível da faixa dos 20 ~ 30 °C, há um sistema de arrefecimento tal qual nos motores de combustão interna.
Complemento 1 - Os dois tipos mais comuns de arrefecimento de baterias em carros elétricos
O líquido de arrefecimento é a mesma combinação de água desmineralizada misturada com o anti-congelante / anti-ebulição / lubrificante sintético Monoetilnoglicol (MEG) ou Monopropilenoglicol (MPG). Algumas das peças do sistema de arrefecimento são mostradas abaixo:
Imagem 1 - O sistema de arrefecimento de um carro elétrico pode ser mais complexo do que o de um motor de combustão interna!
De acordo com a imagem acima:
-> 2. Bomba d'água: Tal como num motor de combustão interna se trata de uma bomba centrífuga, no entanto, acionada por um motor elétrico;
-> 4. Quando a temperatura está muito baixa (algo crítico no Hemisfério Norte, por exemplo), pode ser necessário o aquecimento do líquido de arrefecimento, e isso se faz através de um aquecedor elétrico com termistores PTC;
-> 6. Quando a temperatura do líquido está alta, faz-se o uso de um radiador tal qual num motor de combustão interna, e da mesma forma também se aplica um eletroventilador para provocar uma circulação de ar forçada pela serpentina;
-> 3. Flange com o(s) termostato (s): Assim como num motor de combustão interna, a temperatura precisa se manter estável, e isso pode ser feito através de válvulas eletrônicas ou as tradicionais mecânicas (que funcionam através da expansão de uma cera parafínica);
-> 7. O condensador do ar-condicionado trabalha em conjunto com o Chiller em condições extremas de aquecimento do líquido de arrefecimento;
-> 1. Chiller: Dispositivo análogo ao evaporador da cabine, porém, com a finalidade de fazer a troca de calor entre o gás refrigerante do sistema de ar-condicionado e o líquido de arrefecimento das baterias;
-> 5. Para parmitir ou não o fluxo de fluído para o Chiller, por exemplo, pode existir um conjunto de válvulas eletrônicas.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre termistores PTC, CLIQUE AQUI!
Nestes veículos elétricos há também um vaso de expansão com tampa valvulada (mola e diafragma) para o líquido de arrefecimento, como podemos ver no GWM Ora 03:
Imagem 2 - Note que o reservatório de arrefecimento das baterias trabalha sob alta pressão tal como vemos nos motores de combustão. Neste caso, são 140 kPa
OBSERVAÇÃO: Repare que no Ora 03 são dois reservatórios de arrefecimento utilizando a mesma especificação de fluido, entretanto, o vaso de alta pressão é do Pack de baterias, enquanto o reservatório de baixa pressão é o arrefecimento do inversor do motor.
CURIOSIDADE: Como a temperatura máxima do líquido de arrefecimento não passa dos 60 °C em carros elétricos (ou seja, a pressão também é mais baixa), o uso de materiais plásticos sem reforço de fibra de vidro é mais comum, como é o caso das flanges de válvulas termostáticas, que ao invés de serem feitas de PA66-GF30, PPS-GF40, PPA-GF33 ou liga de Alumínio podem ser confeccionadas apenas com plástico PPS (Poli (Sulfeto de P-fenileno)) ou PPA.
O BYD Dolphin é um bom exemplo de carro elétrico que não utiliza fluido de arrefecimento pro Pack, isto pois tudo é feito através do ar condicionado. Há apenas um reservatório de fluido sob baixa pressão para o inversor do motor elétrico:
Imagem 3 - Perceba que a pressão de trabalho é apenas 30 kPa para o arrefecimento do inversor, e logo abaixo do reservatório há um módulo de controle de refrigeração com as tubulações de gás para o habitáculo e outras tubulações de gás para o Pack
Na imagem seguinte, notamos o painel de conexões elétricas e hidráulicas no Pack Blade do BYD Dolphin Mini:
Imagem 4 - Perceba que as mangueiras de gás refrigerante são feitas de borracha sintética EPDM reforçada com uma malha de PA. Note os cabos laranjados de alta tensão (288 Volts para este modelo) e o cabo de dados do módulo BMS
CURIOSIDADE: Assim como nos automóveis com motor de combustão, todo o EV precisa estar num equipotencial elétrico - você poderá entender melhor CLICANDO AQUI! -, logo, o Pack, mesmo sendo parafusado ao monobloco necessita de um cabo ou cordoalha ligando sua carcaça à estrutura do automóvel. Uma cordoalha fornece um caminho mais 'largo' e de baixa resistência elétrica para formar este equipotencial, evitando assim que existam regiões do veículo capazes de formar diferença de potencial, resultando em um simples mau contato de algum sistema eletrônico integrado ou até num choque elétrico (lembre-se que EVs podem trabalhar muito acima dos 200 Volts):
Imagem 5 - Observe a cordoalha de Cobre galvanizada com Estanho conectando a carcaça do Pack no monocoque. Se trata de um BYD Dolphin Mini
Abaixo, vemos um trecho do manual do proprietário fornecido com o Nissan Leaf (documento de meados de 2020):
Complemento 2 - O aquecedor do Pack é fundamental em países do hemisfério norte. Por aqui, seu uso é substancialmente menor
Agora veja um trecho de outro manual, desta vez do GWM Ora 03:
Complemento 3 - Aqui as informações são muito mais brandas, não trazendo muitos detalhes. O que precisamos saber é que o sistema de arrefecimento é bem específico
Na sequência, três concepções de Packs para carros, caminhões e ônibus elétricos.
Concepção Battery-to-Pack (BTP)
Vamos observar o Pack de baterias Li-Ion de um Tesla Model S para termos um melhor embasamento:
Imagem 6 - O gigantesco pack de baterias do Tesla Model S
Na imagem acima fica claro a existência de centenas de pilhas dentro de cada bateria. Cada uma delas possui um módulo BMS para monitorar a integridade do conjunto de células.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre os módulos BMS, CLIQUE AQUI!
Imagem 7 - Cada bateria destas possui 444 pilhas que operam entre 2,5 e 4,2 V (3,6 Volts nominal)
São seis grupos (cada um com 74 pilhas ligadas em paralelo) entregando 22,8 Volts. A serpentina (feita de Cobre) possui o seguinte formato:
Diagrama 1 - É assim cada bateria do Tesla Model S
Outro modelo de bateria utilizado nos Tesla é a com seis grupos de 86 pilhas ligadas em paralelo (totalizando 516 células por acumulador) entregando 21,6 Volts. A serpentina segue a mesma ideia da patente datada de 2011 e que pode ser vista acessando o seguinte PDF:
É difícil haver um superaquecimento, pois o módulo BMS informa constantemente a situação térmica para central eletrônica. Assim como numa bateria de Chumbo-Ácido, o eletrólito das baterias de Lítio não pode ficar numa temperatura muito baixa, isto pois a condutividade dos sais cai, aumentando a resistência elétrica interna sensívelmente e reduzindo o desempenho de 'carga' e 'descarga'.
Concepção Cell-to-Pack (CTP)
Voltando ao BYD Dolphin, não só o sistema de arrefecimento é bastante diferente, mas também a organização das pilhas. Enquanto a Tesla, em sua patente, utiliza pilhas cilíndricas organizadas em várias 'caixas', que por sua vez formam o Pack, a BYD, desde 2020, vem implementando um conjunto de pilhas 'lâmina', mais conhecidas pelo nome comercial Blade:
Imagem 8 - Como é a bateria Blade da BYD
As pilhas ate lembram o formato 'bolsa' das baterias de smartphone, mas seu invólucro metálico é um tanto mais espesso e resistente, se assemelhando mais ao formato prismático em termos estruturais:
Diagrama 2 - Comparação das dimensões entre um tipo de célula prismática com um dos tipos de pilha Blade
Se pensar num nível mais fundo, uma pilha cilíndrica, seja ela de NCM ou LFP, há uma pluralidade de eletrodos e separadores dielétricos, uma por cima da outra e enroladas dezenas e dezenas de vezes, criando uma certa dificuldade na transferência de calor da parte central da célula (miolo) para sua extremidade (invólucro). Já nas pilhas Blade, essas camadas de eletrodos e dielétricos não são enroladas, tanto é que uma pilha dessas possui 96 cm de comprimento x 9 de altura e 1,35 cm de espessura, tendo uma superfície de invólucro gigantesca, e a pouca espessura da 'lâmina' diminui essa dificuldade na transferência de calor, permitindo uma menor temperatura de operação.
Além disso, por usar uma composição de LFP, não há liberação de Oxigênio durante a fuga térmica, ao contrário do que acontece nas baterias NMC, que liberam esse gás como subproduto.
Imagem 9 - Note que os terminais elétricos (+ve e -ve) estão todos alinhados para o mesmo lado, bem como a válvula reguladora de pressão. A imagem acima não é de uma bateria desmontada, mas sim de pilhas alinhadas na maneira como são colocadas no pack
Ao colocar mais de uma centena de pilhas-lâmina uma ao lado da outra, com as conexões elétricas na lateral (marcado na cor laranja para identificar alta tensão), é possível se construir um Pack inteiro com apenas um módulo BMS e um único 'plano' de arrefecimento, e isso significa menos conexões hidráulicas.
Diagrama 3 - Note que há apenas um plano de arrefecimento contendo também um elemento resistivo nas bordas (não dá pra distingir se é um simples resistor ou um PTC), justamente para o aquecimento da bateria em situações onde a temperatura ambiente está muito baixa
OBSERVAÇÃO: Entre a patente e as aplicações práticas há uma divergência no posicionamento do plano de arrefecimento, todavia, é certo que, na face inferior existe apenas um resfriamento passivo feito pela própria carcaça do Pack, enquanto acima das pilhas há a serpentina com gás refrigerante. As pilhas são fixadas sobre a plataforma e o plano de arrefecimento é fixado sobre as pilhas utilizando-se de um adesivo líquido com função de condutor térmico e que não consegui identificar a composição. O seguinte vídeo, do canal YT "EPICENTRO SOUND" mostra um Pack Blade sendo trabalhosamente desmontada:
Vídeo 1 - Desmontagem de um Pack Blade, da BYD
Com esta construção, elimina-se a divisão do pack em várias baterias, pois, assim como um smartphone tem uma bateria de uma pilha só, um automóvel elétrico equipado com um sistema desses possui 'um pack de uma bateria só'. Essa concepção não é exclusiva da BYD e é conhecida como "Cell-to-Pack" (CTP), sendo amplamente utilizada pela sua conterrânea CATL, que inclusive fornece um conjunto com tal tecnologia - denominado Qilin - para a fabricação do sedã SU7, da Xiaomi.
A vantagem da CTP é a exclusão das 'caixas' metálicas preechidas com pilhas, serpentinas e o BMS - que também formam partes estruturais do Pack -, bem como as vigas e travessas longitudinais implementadas para separar as 'caixas' e auxiliar na conexão das baterias, além de várias conexões entre cada serpetina de arrefecimento. Isso liberou muito espaço, elevando a capacidade sem aumentar seu volume e sem modificar muito a massa total do conjunto, melhorando assim a densidade energética e reduzindo os custos de produção.
CURIOSIDADE: Em setembro de 2019, a primeira bateria CTP do fabricante CATL saiu da linha de produção e foi instalada no modelo BAIC EU5. Comparado com a bateria tradicional, a taxa de utilização do volume da bateria CTP é aumentada em 15% ~ 20%, o número de componentes da bateria é reduzido em 40%, a eficiência de produção é aumentada em 50% e a densidade de energia pode chegar a mais de 200 Wh/kg.
A CATL ainda prefere investir forte em pilhas de formato prismático arrefecidas por água desmineralizada com MEG:
Imagem 10 - Um Folder da CATL sobre a última geração de seus produtos CTP
A CTP 3.0 rompe de vez as semelhanças com o BTP, pois não há travessas em seu interior, e a almofada térmica está junto dos dutos de arrefecimento, possicionados entre os pares de fileiras de pilhas prismáticas:
Imagem 11 - o Pack à esquerda é um projeto CATL CTP com uma viga transversal interna e duas vigas dianteiras e traseiras (ainda trazendo características BTP). O Pack à direita é CATL CTP 3.0 sem vigas estruturais internas
Diferente da BYD, que utiliza uma estrutura metálica para acomodar com cola condutora de calor as pilhas-lâmina, a CATL usa uma plataforma metálica "almofadada" condutora de calor para arrefecer de forma passiva as pilhas por baixo. Já no CTP 3.0, a viga transversal interna foi eliminada e a placa de resfriamento líquido e a almofada térmica foram integradas em uma camada intermediária elástica multifuncional.
A área das placas de resfriamento foi aumentada quatro vezes. No entanto, agora elas são aplicadas à grande face da célula prismática e, portanto, o calor no núcleo da célula agora tem que conduzir através das camadas ativas (eletrodos e separadores dielétricos). A condução térmica através das camadas ativas é cerca de trinta vezes menor do que a condução no plano.
A placa de resfriamento da camada intermediária elástica pode ser vista sendo comprimida pelas células conforme elas se expandem. Será interessante ver como os conectores de extremidade da placa de resfriamento são projetados com o estresse que essa compressão gerará na junta.
Imagem 12 - A ideia é permitir uma boa dilatação da pilha entre cada duto de resfriamento
Os terminais elétricos e a válvula de cada pilha fica virada para baixo:
Imagem 13 - como são dispostas as pilhas num Pack CATL
As pilhas são dispostas com os terminais elétricos e válvula reguladora de pressão para baixo e isso é sensato do ponto de vista da ventilação, pois direciona possíveis gases expelidos para baixo. No entanto, não há detalhes suficientes para entender como as células são suportadas mecanicamente ou como as conexões elétricas são feitas. Fato é que, assim como a BYD, eles não devem simplesmente 'encaixar' pilhas entre dutos de arrefecimento almofadados e sobre a plataforma matálica, mas sim colar com adesivo condutor térmico tudo aquilo que for possível para reduzir movimentação / vibração e, consequentemente, possibilidade de torção do módulo, aumentando a uniformidade na distribuição de calor, mas também tornando-o ainda mais descartável / irreparável.
Concepção Cell-to-Chassi (CTC)
Zeng Yuqun, presidente da CATL, apresentou-a no China Automotive Blue Book Forum antes. Segundo ele, esta tecnologia integra a célula da bateria com o chassi e, em seguida, integra o motor, controle eletrônico e alta tensão do veículo, inversor e etc.. O CTC permitirá que os novos veículos elétricos concorram diretamente com os veículos a combustível em custo, com maior espaço de condução e maior transitabilidade do chassi.
De certa forma, o CTC pode ser entendido como uma extensão adicional do CTP. A chave é eliminar o módulo e o processo de embalagem e tornar a bateria o próprio chassi do carro para obter um maior grau de integração.
Abaixo, a comparação entre o tradicional (BTP), a tecnologia inovadora do momento (CTP) e o que virá num futuro próximo (CTC):
Imagem 14 - Comparação entre BTP, CTP e CTC
No entanto, o CTC não é uma simples extensão do CTP, isto pois não se pode ir além do próprio Pack. Empresas especializadas em baterias podem realizar o desenvolvimento de forma independente, e a adaptabilidade das tecnologias de cada desenvolvedor permite o fabricante do automóvel implementar diferentes Packs ao seus chassis monocoque (vide os dois tipos de Pack disponíveis para o GWM Ora 03 no Brasil).
O surgimento do CTC quebrará as limitações do Pack e envolverá diretamente o chassi do veículo, que é o componente central mais crítico e a principal vantagem acumulada pelos fabricantes de veículos através do desenvolvimento de longo prazo.
Depois de observar todos os potenciais players em casa e no exterior, o mais próximo da produção em massa ainda é o “pioneiro” Tesla. A Tesla demonstrou a solução 4680 Structural Battery (CTC) no evento Giga Fest realizado em sua fábrica em Berlim no ano passado.
Imagem 15 - A concepção CTC criada pela Tesla. Note que as serpetinas de arrefecimento são dispostas da mesma forma que nas gerações anteriores
As pilhas são cilíndricas - denominadas 4680 - e densamente dispostas no chassi, cujo invólucro do pack funciona até como piso do habitáculo, pois os bancos podem ser instalados diretamente sobre ele.
Imagem 16 - Estas três pilhas representam as três gerações de packs da Tesla, sendo as duas primeiras (18650 e 21700) BTP e a mais nova (4680) CTC
A Tesla CyberTruck já é equipada com uma plataforma CTC permeada por células 4680, cuja medida de cada cilíndro é 80 mm de altura x 46 de diâmetro. A Tesla também já investiu no LFP, entretanto, a pilha 4680 utiliza uma química de Íons de Lítio (NCM). Enquanto isso, a CATL e BYD trabalham priorizando o LFP em suas pilhas prismáticas e Blade.
CURIOSIDADE: Em 25 de Fevereiro de 2022, a Leapmotor (que possui como grande acionista a Stellantis) lançou oficialmente uma prévia de um carro novinho em folha, o Leapmotor C01. Em termos de sistemas de energia, o Leapmotor C01 é o primeiro modelo produzido em massa equipado com a concepção CTC usando pilhas ternárias e foi lançado oficialmente no segundo trimestre de 2022.
Desde sempre, o indicador técnico mais importante dos veículos elétricos - fundamental também para os consumidores -, é a autonomia do veículo, e o impacto mais direto na autonomia é a energia da bateria. Portanto, aumentar a potência da bateria tornou-se a solução mais eficaz para aumentar a autonomia do carro. Para obter maior potência, a tendência de integração das baterias se desenvolveu pelo BTP e CTP, melhorando a utilização do espaço até certo ponto e a potência. No entanto, para atender a requisitos mais exigentes, propõe-se o conceito de bateria estruturada, de modo que a própria bateria se torne parte do corpo (semelhante à ideia de usar toda a asa como tanque de combustível em aeronaves civis modernas), que é o CTC.
O sistema de arrefecimento das baterias, em tese, pode até ser compartilhado com o(s) motor(es) elétrico(s) do veículo, entretanto, o mais comum é que o(s) motor(es) sejam refrigerados com óleo isolante (tal como num transformador de alta tensão). E como já vimos, é normal a existência de dois sistemas de arrefecimento, um para o Pack e outro para o inversor do motor, ou seja, o motor em si tem seu óleo isolante circulando entre rotor e estator.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre motores elétricos, comece CLICANDO AQUI!
Nos ônibus, é costumeiro a colocação de vários packs sobre o teto, e ao menos um pack na traseira. De qualquer forma, todo o sistema de armazenamento é interligado por um mesmo sistema de refrigeração, que pode inclusive utilizar-se do Chiller para permitir que o ar-condicionado 'dê uma força' na manutenção da temperatura do refrigeranete dentro da faixa de valor ideal.
Imagem 17 - Ao abrir a tampa traseira de um ônibus elétrico, não vemos nada mais que fiações e módulos elétricos, tubulações de líquido refrigerante e talvez um dos packs de baterias 'solitário', já que os outros estão no teto do veículo
Na imagem acima, notamos que o reservatório de expansão utilizado nos Scanias movidos a Diesel foi adaptado para o sistema de arrefecimento deste ônibus elétrico, recém lançado no Brasil (Junho de 2024). A peça em questão é feita de Polipropileno, e provavelmente vai operar 'um punhado de graus célsius' abaixo da temperatura máxima usual de um motor de combustão interna. Outro fator de semelhança é que o líquido que a preenche também é a base de glicóis misturados em água desmineralizada.
Como podemos ver, uma pilha, bateria ou pack são coisas muito mais complexas do que se pode imaginar. Além disso, o perigo que envolve o manuseio de um acumulador pode ser maior do que nos parece.
Este artigo serve para embasar o funcionamento das pilhas e baterias mais comuns no nosso dia-a-dia e que serão detalhadas nos capítulos seguintes desta série.
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FONTES e CRÉDITOS
Texto: Leonardo Ritter.
Imagens, Vídeos, Gráficos e Diagramas: Leonardo Ritter; Hella; Trechos de manuais da Nissan e da Great Wall Motor; Revista O Mecânico (You Tube); STA Eletrônica; Google Imagens; Patentes da BYD.
Referências: Etekware; Ufine Battery; batterydesign.net; Electrios; Revista O Mecânico (You Tube); Battery University; EV Tech Explained (You Tube); Hella; Discovery Turbo (You Tube); Universidade Federal de Santa Catarina (repositório); SciELO; Google Patents; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).