case-study
baterias de iões de lítio MÉTODOS EFICAZES PARA COMBATER A FUGA TÉRMICA. Andreas Mangler, Diretor de comunicações e marketing estratégico Roland Hofmann, Gestor de vendas de produtos de gestão térmica RUTRONIK Elektronische Bauelemente GmbH
Sobreaquecimento
Sobrecarga Curto-circuito interno
Envelhecimento
Acidente mecânico
Fumo
Quente
circuito
Penetração
Curto -
Fogo Acidente térmico
Acidente elétrico
Disrupção térmica
Explosão
Figura 1. “Ícone de acidente”: acidentes relacionados com a falha da bateria de iões de lítio e condições abusivas associadas. Fonte: Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review; Xuning Fenga,b, Minggao Ouyanga, Xiang Liua, Languang Lua, Yong Xiaa, Xiangming Hea,b a State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Pequim 100084, China b Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Pequim 100084, China; http://dx.doi.org/10.1016/j.ensm.2017.05.013.
A carga e descarga da bateria também podem causar uma fuga térmica. Isto é crítico, principalmente, no caso dos carregamentos rápidos e é por isso que as correntes de carga devem ser cuidadosamente monitorizadas. O mesmo se aplica à sobrecarga da bateria – excedendo a tensão máxima especificada na folha de dados – para obter uma maior autonomia, por exemplo. Começando com um estado de carga (SOC – State Of Charge) de aproximadamente 140%, a tensão desce um pouco, por um breve período, enquanto a temperatura sobe rapidamente. Atinge rapidamente o ponto crítico de 60°C, o separador na célula da bateria torna-se condutor e ocorre um curto-circuito interno, o que poderá ser uma possível causa para a fuga térmica. Sobrecarga
Tensão Temperatura
7
Fuga térmica 400 350
6
300 250
5
200 150
4 3
100
Temperature / ºC
Os veículos elétricos estão constantemente a receber críticas negativas nos jornais devido aos problemas de bateria. Quando um condutor alemão ficou queimado após sofrer um acidente num Tesla, na primavera passada, os bombeiros locais usaram a expressão "fuga térmica" para descrever o que poderia ter acelerado consideravelmente o incêndio. Na mesma altura, após outro acidente em Silicon Valley, os bombeiros locais relataram que a bateria do Tesla envolvido no acidente incendiou várias vezes, vários dias após o acidente. Como a maioria dos fabricantes de veículos elétricos ou híbridos, a Tesla utiliza baterias cilíndricas de iões de lítio. Em comparação com outros dispositivos de armazenamento de energia, têm uma densidade de energia e tensão significativamente maior, mas são menores em tamanho. Além disso podem suportar mais ciclos de carregamento e, desta forma, ter uma vida útil mais longa. No veículo, as células da bateria são utilizadas em pacotes de bateria. Um pacote é formado essencialmente por módulos que, por sua vez, contêm várias células de bateria e um sistema de gestão de baterias (BMS – Battery Management System). O BMS certifica-se de que as células não excedem os parâmetros definidos pelo fabricante, pois apenas se cada célula da bateria permanecer dentro do limite especificado é que é garantida a segurança funcional da bateria e do veículo, a vida útil máxima da bateria, incluindo a segunda vida útil. Os principais parâmetros críticos são as correntes de carga e descarga, a tensão e a temperatura da célula. Se o intervalo de temperaturas relativamente limitado – entre +15°C e +45°C – for excedido, a vida útil da bateria é consideravelmente reduzida ou fica irreparavelmente danificada. Em casos extremos pode causar fuga térmica, quando é desencadeada uma reação em cadeia imparável acionada pela temperatura, libertando toda a energia armazenada na bateria numa questão de milissegundos. Quando tal acontece, a temperatura sobe muito rapidamente para várias centenas de graus Celsius, o separador na bateria torna-se repentinamente condutor, quebra e inflama-se ou explode. O risco de fuga térmica inicia-se a uma temperatura de 60ºC e torna-se crítica a 100ºC. Quando a fuga térmica é realmente despoletada, depende da causa.
deformar-se devido a uma pancada ou a um grande impacto e despoletar um curto-circuito externo.
Embate
A bateria determina essencialmente a autonomia e o tempo de carregamento para veículos elétricos e híbridos. A potência máxima deve ser extraída da bateria enquanto garante a segurança funcional. No entanto, as baterias de iões de lítio são sensíveis, especialmente no que toca a uma fuga térmica. O objetivo deste artigo é mostrar as ações que podem ser realizadas para evitar a fuga térmica e também proteger a bateria de danos.
Tensão / V
84
50 0
20
40
60
80
100 120
140 160 180
SOC / % Gráfico 1. Os resultados da fuga térmica causados pela sobrecarga numa bateria de iões
CAUSAS DA FUGA TÉRMICA
de lítio comercial. Fonte: Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric
Além das causas puramente térmicas, os fatores elétricos e mecânicos também podem dar origem a uma fuga térmica. Por exemplo, um acidente pode fazer com que o material penetre numa célula de bateria e crie um curto-circuito interno ou a célula da bateria pode
vehicles: A review; Xuning Fenga,b, Minggao Ouyanga, Xiang Liua, Languang Lua, Yong
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Xiaa, Xiangming Hea,b a State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Pequim 100084, China b Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Pequim 100084, China; http://dx.doi.org/10.1016/j.ensm.2017.05.013.