Os veículos elétricos (EVs) têm muitos benefícios em relação aos veículos com motor de combustão interna, incluindo desempenho superior, alta densidade de energia, menos poluição, excelente aceleração e muito mais. Mas os VEs não são perfeitos. Uma grande desvantagem é a necessidade de um sistema de bateria caro, com requisitos específicos de manutenção, incluindo um longo tempo de carga.
Um dos principais componentes dos EVs é o sistema de gerenciamento de bateria (BMS). Para atender aos maiores requisitos de potência e tensão, os VEs usam conjuntos de baterias com centenas de células de bateria conectadas em série ou em paralelo – isso forma um sistema de bateria complexo.
Qualquer condição de bateria abaixo do ideal – como sobrecorrente, sobretensão, carga excessiva ou descarga excessiva – leva a danos e envelhecimento. Nos piores cenários, existe o risco de incêndio e explosão. Por estas razões, é necessário um BMS para fornecer uma “trava de segurança” para garantir o desempenho adequado da bateria.
No entanto, os recursos do BMS (como proteção de corrente e tensão durante os processos de carga e descarga) dependem das condições de operação da bateria (carga, vida útil, temperatura, etc.). Isto é parcialmente feito através da modelagem da bateria, que oferece um modelo matemático de uma célula virtual que verifica se o BMS funcionará adequadamente para a bateria correspondente.
A modelagem da bateria inclui a bateria:
- Monitoramento estadual
- Projeto do controlador em tempo real
- Análise de falhas
- Gerenciamento termal
- Interpretação geral do comportamento
Monitoramento
O monitoramento do estado da bateria é necessário para otimizar a segurança e o desempenho de uma bateria, bem como suas previsões de vida útil e diagnósticos de envelhecimento. As baterias desbotadas acumulam uma interface eletrolítica robusta no eletrodo negativo. O design da célula, o desempenho da bateria e as circunstâncias ambientais estão entre os muitos fatores que afetam a vida útil de uma bateria.
A avaliação do estado de carga (SoC) da bateria fornece informações sobre a capacidade restante da bateria como uma porcentagem de sua capacidade total. A estimativa do SoC tem duas abordagens geralmente usadas: estimativa direta e avaliação baseada em modelo.
A estimativa direta é baseada na medição primária dos parâmetros da bateria elétrica (tensão e corrente). Os dois métodos de cálculo utilizados são sistemas baseados em Ampere-hora (Ah) e tensão de circuito aberto (OCV). No entanto, planejar o SoC inicial e a precisão da medição pode ser um processo desafiador ao ajustar o método Ah para o algoritmo de estimativa do SOC.
Esta abordagem é altamente dependente da corrente medida, onde os erros acumulados ao longo do tempo influenciam significativamente a precisão da estimativa do SoC. Também é um desafio determinar o SoC inicial preciso em situações reais (por exemplo, no caso em que uma bateria é carregada apenas dentro de uma faixa insuficiente, digamos, de 10 a 90 por cento).
Por outro lado, o método baseado em OCV produz alta precisão de estimativa e tem sido aceito como um método eficiente e popular para cálculo de SoC. Existe uma relação não linear entre o SoC e o OCV de uma bateria. O procedimento requer descanso suficiente da bateria (a bateria precisa ser desconectada dos carregadores e cargas). O principal ponto fraco deste método é o horário de silêncio. Geralmente, leva muito tempo para atingir a estabilidade depois de desconectar a bateria da carga (pode levar mais de duas horas em circunstâncias de baixa temperatura).
A relação OCV-SoC também depende da vida útil e da temperatura da bateria.
Temperatura
A temperatura da bateria é um fator fundamental que afeta o desempenho, vida útil, desempenho e segurança da bateria. Os sensores térmicos são adequados para medir a temperatura externa de uma bateria.
Contudo, esta informação por si só não é adequada porque a temperatura interna da bateria é um parâmetro crítico para o gerenciamento adequado da bateria. A alta temperatura interna estimula o envelhecimento da bateria e causa problemas de segurança (por exemplo, incêndio). A temperatura interna da bateria geralmente é significativamente alterada em relação à temperatura da superfície (até 12° C em aplicações de alta potência).
Produzir uma abordagem adequada para avaliação da temperatura interna da bateria evita o envelhecimento acelerado das baterias e apoia o algoritmo BMS na otimização da descarga de energia da bateria.
Classificações
Em geral, os modelos de baterias podem ser classificados em três tipos principais:
1. Elétrico
2. Térmico
3. Modelos acoplados (outros modelos, como modelos cinéticos, raramente são usados no projeto de BMS).
O modelo elétrico a bateria envolve o modelo eletroquímico, o modelo de ordem reduzida, o modelo de circuito proporcional e o modelo baseado em dados. O modelo eletroquímico apresenta informações sobre o comportamento eletroquímico da bateria. Este modelo pode ser extremamente preciso, mas requer simulação avançada e esforço computacional. Como resultado, é um desafio empregar totalmente esse modelo em uma aplicação em tempo real.
Consequentemente, a ordem reduzida modelo elétrico é produzido como um modelo eletroquímico simplificado baseado na física para determinar o estado de carga (SoC) da bateria de íons de lítio. Modelos elétricos descomplicados de pedido reduzido fornecem menos informações, mas são convenientes para aplicações de bateria em tempo real.
A chave é monitorar a temperatura da bateria como parte de um BMS bem-sucedido. O desempenho de uma bateria pode deteriorar-se se for operada em temperaturas mais altas ou mais baixas. Sistemas de resfriamento separados são normalmente usados para manter a temperatura adequada da bateria. Por exemplo, a Tesla usa uma configuração de bateria patenteada com um sistema de resfriamento baseado em placa para dissipar o calor e monitorar a temperatura da bateria.
A bateria acoplado O modelo eletrotérmico apreende as operações elétricas (corrente, tensão, SoC) e térmicas (temperatura superficial e interna) da bateria – simultaneamente. Vários modelos eletrotérmicos acoplados já foram desenvolvidos.
Por exemplo, um modelo eletrotérmico 3D mede o SoC da bateria e calcula a geração e distribuição de calor sob correntes contínuas e dinâmicas. Este modelo contém um modelo de entrega potencial 2D e um modelo de distribuição de temperatura 3D. As baterias validaram um modelo eletrotérmico reduzido de baixa temperatura com três materiais catódicos. Este modelo é ideal para desenvolver aquecimento rápido e solicitações de carregamento ideais em condições de baixa temperatura.
(tagsParaTraduzir)pic
