Como o Carregamento Rápido Transforma o Cenário de Recarga de Veículos Elétricos

O carregamento rápido DC de veículos elétricos (VEs) pode ser a chave para aliviar a ansiedade de autonomia que muitos acreditam limitar a adoção de VEs. Com uma infraestrutura de carregamento robusta que permite recarga de bateria em 20 minutos em vez de 4 horas, o carregamento de VEs se aproxima muito da experiência a que os motoristas estão acostumados ao reabastecer um veículo de motor a combustão interna (ICE).

Essa infraestrutura não está totalmente desenvolvida hoje, mas está crescendo e se tornando acessível a mais veículos. Múltiplos fabricantes de VEs adotaram recentemente o conector de carregamento Tesla e a Tesla lidera atualmente o mercado na implantação de portas de carregamento rápido. Pesquisa encomendada pela Sensience prevê que o carregamento rápido DC representará mais de 70% do carregamento público globalmente até 2030 (Figura 1).

Figura 1. Crescimento projetado no carregamento rápido DC até 2030. (Imagem: Sensience)

Embora o carregamento rápido possa desbloquear crescimento no mercado de VEs, também eleva a barra para gerenciamento térmico em toda a cadeia de carregamento de VEs. Carregadores rápidos DC produzem entre 50-350 kW de potência, comparados aos 7-19 kW típicos para carregadores Nível 2. Mesmo nas tensões mais altas comuns com carregadores rápidos DC, estas portas geram significativamente mais calor que portas de carregamento Nível 2. Gerenciamento térmico eficaz torna-se, portanto, mais crítico do que nunca para prevenir temperaturas que podem encurtar a vida da bateria, reduzir a eficiência de carregamento e introduzir riscos de segurança.

Um componente do gerenciamento térmico eficaz que às vezes é negligenciado até tarde no processo de design é a especificação dos sensores de temperatura que permitem que sistemas de gerenciamento de bateria e veículo respondam rápida e inteligentemente a mudanças de temperatura em toda a cadeia de carregamento do veículo.

O Papel dos Sensores de Temperatura na Cadeia de Carregamento de VEs

Sensores são usados em toda a cadeia de carregamento. A aplicação mais óbvia é na própria bateria, onde o gerenciamento térmico é de altíssima prioridade. A colocação do sensor dentro da bateria será determinada pelo design e tamanho da bateria, mas um único sensor normalmente se mostrará inadequado, pois pode não detectar zonas quentes que podem se desenvolver em células ou módulos durante o carregamento rápido. Idealmente, você quer a capacidade de monitorar diretamente as temperaturas das células da bateria em múltiplos locais e ter uma compreensão da distribuição de calor dentro do pacote geral.

O carregador de bordo representa um ambiente mais simples, mas ainda crítico para sensores de temperatura, pois o monitoramento do sensor aciona os sistemas de resfriamento necessários para gerenciar calor durante o carregamento rápido. Como há menos variabilidade de temperatura através do componente, menos sensores são necessários.

A porta de carregamento do veículo é outra aplicação importante para sensores de temperatura na cadeia de carregamento. Sensores de temperatura são usados tanto na entrada de carregamento do veículo quanto na pistola de carregamento para monitorar as temperaturas dos pinos elétricos. Este feedback fornece uma parada de segurança em caso de fenômenos não intencionais causados por danos ou contaminação nos pinos. Durante o carregamento rápido, as temperaturas podem ser mais altas na entrada de carregamento, e atenção especial deve ser dada às especificações dos sensores usados nesta aplicação.

Igualmente importantes são os sensores integrados ao sistema de resfriamento que protege a bateria, carregador de bordo e eletrônica de potência do superaquecimento. Os sistemas de resfriamento inteligentes integrados aos VEs são tão eficazes quanto os sensores que os suportam.

Especificando Sensores para a Cadeia de Carregamento de VEs

Um alto grau de precisão é essencial em qualquer aplicação de sensoriamento de temperatura, mas é particularmente importante na cadeia de carregamento de VEs devido à janela estreita de temperatura na qual as baterias podem ser carregadas em sua velocidade máxima. Baixa precisão do sensor pode reduzir a eficiência de carregamento porque o carregamento pode ter que ser desacelerado para compensar a margem de erro do sensor, mesmo que as temperaturas reais estejam dentro da faixa desejada. Sensores de maior precisão reduzem o grau em que os sistemas do veículo têm que contabilizar a imprecisão do sensor e podem permitir carregamento mais rápido por períodos mais longos.

Outra característica crítica dos sensores de temperatura para VEs é o tempo de resposta ou o tempo entre quando a temperatura é medida e quando é comunicada e pode ser agida. Diferentes tipos de sensores têm diferentes características de resposta e, dentro de cada tipo, o tempo de resposta pode ser otimizado através da configuração do sensor.

Por exemplo, em termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC), um corpo metálico permite resposta mais rápida que um corpo plástico devido à sua condutividade aprimorada; no entanto, o corpo metálico aumenta os custos do sensor e esses custos precisam ser equilibrados contra o valor de resposta mais rápida em uma aplicação particular. Onde as temperaturas não são tão altas ou estão sendo gerenciadas por um sistema de resfriamento, como é o caso em componentes-chave da cadeia de carregamento de VEs, aumentar custos para alcançar o tempo de resposta mais rápido possível pode não ser justificado. A exceção é a entrada de carregamento, onde otimizar o tempo de resposta deve ser considerada prioridade mais alta.

O outro fator a considerar na seleção do sensor é a facilidade de manutenção — ou a falta dela. Sensores são geralmente projetados na cadeia de carregamento de VEs de forma que torna impraticável substituí-los se ocorrer uma falha. O componente inteiro precisará ser substituído se um sensor falhar. Isso torna a confiabilidade o atributo mais importante para sensores de temperatura usados em toda a cadeia de carregamento de VEs.

Felizmente, embora as aplicações para sensores de temperatura sejam diferentes em VEs comparados a ICEs, as tecnologias de sensores usadas são semelhantes. Processos de fabricação para estas tecnologias são maduros e se beneficiaram de automação que permite qualidade consistente. Processos de teste e calibração também são bem compreendidos e podem ajudar a garantir confiabilidade e desempenho previsíveis nesta aplicação.

Avaliando Tecnologias de Sensores para a Cadeia de Carregamento de VEs

Figura 2. A colocação do sensor é particularmente importante em baterias de VEs, pois as temperaturas podem variar através da bateria.

Três tecnologias de sensoriamento de temperatura são tipicamente consideradas para VEs: termopares, termistores NTC e detectores de temperatura por resistência (RTDs).

Termopares geram uma pequena tensão em resposta a uma mudança de temperatura que é proporcional à mudança na temperatura. Esses sensores são geralmente baratos, mas não são adequados para a cadeia de carregamento de VEs. Eles podem representar riscos de segurança para engenheiros de teste em ambientes de alta tensão como baterias de VEs, sua precisão pode ser comprometida por ruído elétrico, e seu tempo de resposta é mais lento que o normalmente requerido.

Em um termistor NTC, a resistência diminui à medida que a temperatura aumenta. Esta tecnologia fornece boa precisão em tamanho compacto que permite integração em espaços apertados. O tempo de resposta e a curva resistência-temperatura dos termistores NTC também podem ser configurados para atender a uma ampla gama de requisitos de aplicação, incluindo os dos diferentes componentes dentro da cadeia de carregamento. Consequentemente, eles representam uma solução ideal para estas aplicações porque podem ser configurados para atender requisitos de design eficientemente e foram comprovados em aplicações automotivas por décadas.

Em um RTD, a resistência aumenta à medida que a temperatura aumenta. Esses sensores geralmente entregam melhor precisão e têm faixa operacional mais ampla que NTCs; no entanto, também são mais caros, e as vantagens desta tecnologia geralmente não entregam valor adicional em aplicações da cadeia de carregamento de VEs. Com a pressão constante para reduzir custos, designers podem achar que alcançam o desempenho requerido a custos menores com termistores NTC.

Projetando Precisão e Confiabilidade

Com o carregamento rápido se tornando mais comum, sensoriamento de temperatura preciso e confiável em toda a cadeia de carregamento permanecerá crítico mesmo à medida que as tecnologias de bateria evoluem. A chave para integração eficaz e custo-eficiente de sensores de temperatura em novos designs é desenvolver especificações e escolher um fornecedor durante o desenvolvimento do protótipo. Isso permite processos mais simplificados, ajuda a garantir que sensores atendam requisitos de aplicação custo-efetivamente, e mitiga o risco de que modificações serão necessárias à medida que o design passa de protótipo para produção.

Este artigo foi escrito por Phil Thibodeau, Gerente de Produto, Transporte, Sensience (Westerwille, OH). Para mais informações, visite aqui.