Compósito Inovador Reduz Temperatura do Painel de VE, Aumentando Eficiência

Novos compósitos poliméricos podem ter múltiplas funções e usos finais em futuros VEs.
FONTE: https://xeric.eu/wp-content/uploads/4_Steiner.pdf

A eletromobilidade está ganhando impulso na Alemanha. Conforme relatado pelo Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability (Fraunhofer LBF, Darmstadt, Alemanha) em julho, o número de veículos elétricos (VEs) quase dobrou em 2017 para 93.000. "Para aumentar ainda mais as vendas de veículos elétricos, não é apenas necessário otimizar desempenho, como autonomia, mas também aumentar conforto dos ocupantes. Entre outras coisas, isso inclui gerenciamento térmico sensível e orientado ao cliente no interior do veículo", diz Paul Becker, que chefia o projeto de pesquisa Optimised Energy Management and Use (OPTEMUS) no Fraunhofer LBF.

Solução para Painel de Instrumentos

Uma sub-meta do OPTEMUS era desenvolver materiais inovadores para o painel de instrumentos do VE para dissipar o calor causado pela radiação solar da superfície do painel. O Fraunhofer LBF resolveu isso desenvolvendo um material compósito de polietileno (PE) carregado com grafite que é integrado ao sistema de resfriamento do VE. A equipe alcançou uma redução de 46% na temperatura e reduziu a energia necessária para operar o sistema de ar condicionado, o que por sua vez beneficia a autonomia do veículo.

OPTEMUS

Um projeto financiado pela UE apoiado por uma grande equipe de empresas, OPTEMUS visa superar uma das maiores barreiras para adoção generalizada de veículos elétricos (VEs): limitação de autonomia devido à capacidade de armazenamento limitada de baterias elétricas. Iniciado em junho de 2015 e concluindo em fevereiro próximo, OPTEMUS pretende desenvolver uma série de tecnologias centrais inovadoras e tecnologias complementares combinadas com controles inteligentes.

FONTE: Fraunhofer LBF

O demonstrador é um VE de segmento A (Fiat 500e). Este protótipo real combinado com prototipagem virtual das tecnologias listadas abaixo demonstrará os seguintes objetivos:

• Redução mínima de 32% no consumo de energia para resfriamento de componentes e 60% para conforto de passageiros
• Redução adicional de 15% de energia disponível para tração,
• Redução de energia permite autonomia de condução aumentada em condições climáticas extremas > 44 km (38%) em ambiente quente e 63 km (70%) em ambiente frio.

Compósitos como Materiais de Mudança de Fase

Materiais de Mudança de Fase (PCMs) têm sido desenvolvidos por mais de uma década para uso em edifícios, eletrônicos e agora carros. PCMs são materiais que derretem e solidificam em certas temperaturas com a capacidade de armazenar ou liberar grandes quantidades de energia durante esta mudança de fase. Note que PCMs sólido-gás e líquido-gás também foram investigados. PCMs podem ser compostos orgânicos ou inorgânicos, mas tipicamente incluem uma carga condutiva, onde o grafite entra. Outros PCMs usam nanotubos de carbono (CNTs).

Compósitos estão sendo desenvolvidos como Materiais de Mudança de Fase (PCMs) usando grafite, grafeno e nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNTs).
FONTE: steemkr.com/science (esquerda) e International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 120, Maio 2018, Páginas 33-41 no ScienceDirect.com (direita).

Pesquisadores do Fraunhofer LBF experimentaram com diferentes materiais carreadores e cargas como nitreto de boro e grafite. Acabaram com um substrato feito de polietileno, um polímero já comumente usado em interiores automotivos, e grafite como carga. O grafite reportadamente dá ao compósito condutividade térmica muito boa e dissipação rápida de calor, bem como excelente armazenamento de energia.

Os princípios de funcionamento para o compósito PCM grafite/PE foram completados dentro da parte "Smart Cover Panel" do OPTEMUS. Para demonstrar os benefícios do novo material, pesquisadores o incorporaram no painel de instrumentos do protótipo Fiat 500e e o ciclaram através de fases de aquecimento e resfriamento. Resfriamento foi fornecido por elementos Peltier, que são transdutores eletrotérmicos, resfriados, por sua vez, por ventiladores externos. Energia para os elementos Peltier e radiador do VE vem de uma bateria adicional de 12 volts alimentada por células fotovoltaicas.

Compósito PCM grafite/polipropileno instalado no painel de instrumentos do veículo protótipo Fiat 500e.
FONTE: Fraunhofer LBF

Pesquisadores do LBF usaram a energia liberada durante a transição de fase entre aquecimento e resfriamento para ligar os elementos Peltier apenas por um certo período de tempo. Assim, os ventiladores não funcionam constantemente na potência máxima. O sistema de resfriamento é acoplado à temperatura no material por regulação apropriada. O Fraunhofer acredita que isso estenderá a expectativa de vida dos componentes eletrônicos. O Smart Cover Panel é realmente controlado pela própria luz solar, o que significa que o resfriamento só começa em dias quentes de verão, enquanto o calor permanece no painel durante o inverno.

O novo compósito PCM do Fraunhofer LBF foi comparado experimentalmente a composto de polipropileno-talco usado em painéis convencionais. Após 1000 segundos de exposição a 1200 watts/m² de potência radiante, a diferença de temperatura na superfície das amostras foi de aproximadamente 41°C, o que corresponde a uma redução de 46% na temperatura.

Fraunhofer LBF alcançou redução de 46% de temperatura usando o novo compósito PCM grafite/PE ("neu") no painel vs. composto convencional de polipropileno-talco. FONTE: Fraunhofer LBF.