Como o carregamento rápido transforma o cenário de carregamento de veículos elétricos

O carregamento rápido em CC de veículos elétricos (EVs) pode ser fundamental para aliviar a ansiedade de autonomia que muitos acreditam estar limitando a adoção de EVs. Com uma infraestrutura de carregamento robusta que permite o carregamento da bateria em 20 minutos em vez de 4 horas, o carregamento de VE aproxima-se muito mais da experiência a que os condutores estão habituados ao reabastecer um veículo com motor de combustão interna (ICE).

Essa infraestrutura não está totalmente desenvolvida hoje, mas está a crescer e a tornar-se acessível a mais veículos. Vários fabricantes de EV adotaram recentemente o conector de carregamento Tesla EV e a Tesla é atualmente líder de mercado na implantação de portas de carregamento rápido. Uma pesquisa encomendada pela Sensience prevê que o carregamento rápido DC será responsável por 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 o crescimento no mercado de veículos elétricos, também eleva o nível de gestão térmica em toda a cadeia de carregamento de veículos elétricos. Os carregadores rápidos DC produzem entre 50-350 kW de potência, em comparação com os 7-19 kW típicos dos carregadores de nível 2. Mesmo nas tensões mais altas comuns aos carregadores rápidos DC, essas portas geram significativamente mais calor do que as portas de carregamento de nível 2. A gestão térmica eficaz torna-se, portanto, mais crítica do que nunca para evitar as temperaturas que podem encurtar a vida útil da bateria, reduzir a eficiência de carregamento e introduzir riscos de segurança.

Um componente do gerenciamento térmico eficaz que às vezes passa despercebido até o final do processo de projeto é a especificação dos sensores de temperatura que permitem que os sistemas de gerenciamento de baterias e veículos respondam de forma rápida e inteligente às mudanças de temperatura em toda a cadeia de carregamento do veículo.

O papel dos sensores de temperatura na cadeia de carregamento de veículos elétricos

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

O carregador integrado 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 o calor durante o carregamento rápido. Como há menos variabilidade de temperatura no componente, são necessários menos sensores.

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 qualquer fenômeno não intencional causado 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 utilizados nesta aplicação.

Igualmente importantes são os sensores integrados ao sistema de refrigeração que protegem a bateria, o carregador integrado e a eletrônica de potência contra superaquecimento. Os sistemas de refrigeração inteligentes integrados nos VEs são tão eficazes quanto os sensores que os suportam.

Especificando Sensores para a Cadeia de Carregamento de VE

Um alto grau de precisão é essencial em qualquer aplicação de detecção de temperatura, mas é particularmente importante na cadeia de carregamento de veículos elétricos devido à estreita janela de temperatura em que as baterias podem ser carregadas em sua velocidade máxima. A baixa precisão do sensor pode reduzir a eficiência do carregamento porque o carregamento pode ter que ser retardado 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 precisam levar em conta a imprecisão do sensor e podem permitir um carregamento mais rápido por longos períodos de tempo.

Outra característica crítica dos sensores de temperatura para VEs é o tempo de resposta ou o tempo entre o momento em que a temperatura é medida e o momento em que ela é comunicada e pode ser acionada. Diferentes tipos de sensores possuem diferentes características de resposta e, dentro de cada tipo, o tempo de resposta pode ser otimizado por meio da configuração do sensor.

Por exemplo, em termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC), um corpo metálico permite uma resposta mais rápida do que um corpo plástico devido à sua condutividade aprimorada; entretanto, o corpo metálico aumenta os custos do sensor e esses custos precisam ser equilibrados com o valor de uma resposta mais rápida em uma aplicação específica. Quando as temperaturas não são tão elevadas ou são geridas por um sistema de refrigeração, como é o caso dos principais componentes da cadeia de carregamento de VE, o aumento dos custos para alcançar o tempo de resposta mais rápido possível pode não ser garantido. A exceção é a entrada de carregamento, onde a otimização do tempo de resposta deve ser considerada uma prioridade mais alta.

O outro fator a considerar na seleção do sensor é a capacidade de manutenção – ou a falta dela. Os sensores são geralmente projetados na cadeia de carregamento do VE de uma forma que torna impraticável substituí-los em caso de falha. Todo o componente 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 veículos elétricos.

Felizmente, embora as aplicações dos sensores de temperatura sejam diferentes nos VEs em comparação com os ICEs, as tecnologias de sensores utilizadas são semelhantes. Os processos de fabricação dessas tecnologias estão maduros e se beneficiaram da automação que permite qualidade consistente. Os 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 veículos elétricos

Figura 2. A colocação do sensor é particularmente importante em baterias EV, pois as temperaturas podem variar na bateria.
Três tecnologias de detecção de temperatura são normalmente consideradas para EVs:termopares, termistores NTC e detectores de temperatura de resistência (RTDs).

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

Em um termistor NTC, a resistência diminui à medida que a temperatura aumenta. Esta tecnologia proporciona boa precisão em um tamanho compacto que permite a 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 aqueles dos diferentes componentes da cadeia de carga. Consequentemente, eles representam uma solução ideal para essas aplicações porque podem ser configurados para atender aos requisitos de projeto de forma eficiente e foram comprovados em aplicações automotivas há décadas.

Num RTD, a resistência aumenta à medida que a temperatura aumenta. Esses sensores geralmente oferecem melhor precisão e têm uma faixa operacional mais ampla que os NTCs; no entanto, também são mais caros e as vantagens desta tecnologia geralmente não proporcionam valor adicional em aplicações de cadeia de carregamento de VE. Com a pressão constante para reduzir custos, os projetistas podem descobrir que alcançam o desempenho necessário com custos mais baixos com termistores NTC.

Projetando com precisão e confiabilidade

Com o carregamento rápido se tornando mais comum, a detecção de temperatura precisa e confiável em toda a cadeia de carregamento permanecerá crítica, mesmo à medida que as tecnologias das baterias evoluem. A chave para a integração eficaz e econômica de sensores de temperatura em novos projetos é desenvolver especificações e escolher um fornecedor durante o desenvolvimento do protótipo. Isso permite processos mais simplificados, ajuda a garantir que os sensores atendam aos requisitos da aplicação de maneira econômica e reduz o risco de que modificações sejam necessárias à medida que o projeto passa do protótipo à produção.

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