Avanço em Gestão Térmica Reduz Ruído e Risco de Incêndio em Carregadores Rápidos de VE

Pesquisa e desenvolvimento para resolver um problema de ruído excessivo criado pelo carregador rápido de bateria de um veículo elétrico levaram a avanços em gestão térmica, dissipação de calor e redução de riscos de incêndio. A D2H Advanced Technologies, empresa britânica de engenharia especializada, descobriu que o ruído ocorria durante os ciclos de carga rápida do veículo. Era causado por altos requisitos de potência de bombeamento do fluido refrigerante, essencial para dissipar o calor da bateria. Seu cliente OEM satisfeito, a D2H mudou seu foco de pesquisa diretamente para as demandas térmicas de baterias de íon-lítio de produção em série.

Em baterias de VE, o acúmulo de calor pode levar a degradação acelerada ou até mesmo a fuga térmica (thermal runaway). Esse problema pode ocorrer à medida que maior autonomia e carregamento mais rápido se tornam essenciais para convencer o público de que a eletricidade, não gasolina ou diesel, é a fonte de energia do futuro para transporte pessoal. A D2H — cujos clientes incluem McLaren, Chevrolet Racing e Fórmula E — está trabalhando com a Croda, empresa de especialidades químicas, para enfrentar esses desafios.

O trabalho de pesquisa da D2H sobre o problema de ruído em VE começou em 2019, quando uma montadora contatou a empresa pedindo uma causa definitiva para o problema. Um módulo de bateria de 32 células para testes físicos foi construído e submetido a uma variedade de soluções de resfriamento potenciais, incluindo técnicas de imersão e de placa fria. Os resultados foram correlacionados por meio de técnicas de dinâmica de fluidos computacional (CFD) e testes físicos.

Um Benefício Extra Vital

O uso de um fluido dielétrico da Croda dentro de um sistema de imersão foi identificado como a resposta, exigindo potência de bombeamento reduzida, especialmente em situações de carga rápida. "A bateria inteira é imersa em um refrigerante eletricamente não condutivo," explicou Chris Hebert, diretor de engenharia da D2H. "Isso traz benefícios significativos através de temperaturas de pico das células mais baixas, permitindo C-rates [taxa na qual a bateria é carregada/recarregada] mais altos e gradientes de temperatura reduzidos dentro de cada célula, levando a maior vida útil do pacote."

Mas isso apresenta um desafio porque anula o uso de água-glicol, com sua alta capacidade de calor específico. Fluidos dielétricos podem ter dificuldade em atingir metade disso, explicou Hebert, resultando em maiores gradientes de temperatura através da bateria da entrada para a saída. No entanto, com atenção cuidadosa aos componentes internos da bateria e aos caminhos de fluxo do refrigerante — combinados com a Croda desenvolvendo um fluido de baixa viscosidade e baixa densidade — "conseguimos mitigar isso mantendo ainda baixa potência de bomba," disse Hebert.

A D2H descobriu que a transferência de calor através do pacote era muito mais eficiente usando o método de imersão com fluido da Croda. "Confirmamos que tem potencial para aliviar o desafio de gestão térmica," observou Hebert. "Um benefício extra vital é o alto ponto de fulgor de fluidos dielétricos de baixa viscosidade, levando à possibilidade de redução adicional no risco de incêndio."

A pesquisa da D2H sobre o calor gerado por ciclos de carga rápida diz respeito tanto ao desempenho quanto à longevidade da bateria. O papel da Croda no trabalho é considerado essencial, introduzindo um fluido de imersão "inovador". "Dado os benefícios do resfriamento por imersão, o desenvolvimento continuará," disse Hebert. "Os riscos de incêndio reduzem à medida que a bateria opera mais fria. Essa imersão reduz a chance de ignição. E o calor é a principal causa de envelhecimento da bateria e queda de desempenho."

Caminhos Dentro do Pacote

Um relatório de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Riverside, citado por Hebert, descobriu que altas temperaturas e resistência de tais ciclos potencialmente danificam baterias, resultando em desgaste acelerado e, em circunstâncias extremas, risco de incêndio. Os pesquisadores descobriram que após 40 cargas rápidas, as baterias tinham cerca de 60% de sua capacidade original.

Geralmente considera-se que para aplicações automotivas, baterias de íon-lítio requerem substituição quando a capacidade cai abaixo de 80% — nível atingido após apenas 25 ciclos de carga rápida. O relatório afirmou que neste ponto, há risco aumentado de eletrodos e eletrólitos serem expostos ao ar, aumentando o risco de incêndio ou explosão, especialmente em temperaturas de 60 °C e acima.

Apesar dos curtos prazos envolvidos, a D2H não considerou apenas o desempenho de resfriamento direto. A credibilidade de todo VE depende de empacotamento bem-sucedido tanto quanto de desempenho e tempo de recarga. Hebert observou que o resfriamento por imersão pode ter um benefício adicional: "Projetos de imersão dispensam a placa de resfriamento e são, portanto, mais compactos, o que pode criar a oportunidade de maior espaço dedicado às células reais."

Embora a imersão à primeira vista pareça uma opção mais pesada, a pesquisa da D2H sugere que o design cuidadoso dos caminhos dentro do pacote de bateria deve permitir tamanhos de galeria reduzidos sem impedir o fluxo, resultando em volume e peso de refrigerante reduzidos.

"Aprimorar a gestão térmica, especialmente a dissipação de calor durante ciclos de carga rápida, tem potencial para permitir maior densidade de potência, autonomia e vida em futuras iterações — junto com riscos de incêndio reduzidos," afirmou Hebert. "Pesquisa estendida nesta área é necessária e nosso trabalho experimental junto com a Croda está em andamento."

Este artigo foi escrito por Stuart Birch, Editor Europeu, SAE Automotive Engineering. Para mais informações sobre a D2H, visite aqui .