sistemas automotivos híbridos e elétricos et06l/el41u aula
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Sistemas automotivos híbridos e elétricos ET06L/EL41U
Aula 9Baterias para aplicação em VEs e VEHs
Profª Fernanda Cristina Corrêa
• Tópicos abordados:
• Requisito básico → fonte portátil de energia elétrica
– convertida em energia mecânica pelo motor elétrico para propulsãoveicular.
• A energia elétrica é proveniente da conversão de energia químicaarmazenada em dispositivos como baterias e células de combustível.
• A fonte de energia elétrica portátil é o maior obstáculo nacomercialização de VEs.
• Uma solução a curto prazo para minimizar o problema da poluiçãoambiental devido à ausência de uma fonte de energia adequada e dealta densidade de energia para VEs é percebida nos veículoselétricos híbridos (VEHs)
– Combinação de esforços de propulsão de motores a gasolina e motoreselétricos.
• Uma comparação da energia específica das fontes de energiadisponíveis é apresentada na Tabela 3.1.
• A energia específica é a energia por unidade de massa da fonte deenergia.
• Entre as opções disponíveis de fontes de energia portáteis, as baterias forama escolha mais popular de fontes de energia para VEs desde o início daspesquisas e programas de desenvolvimento.
• Os VEs e VEHs comercialmente disponíveis hoje usam as baterias comofonte de energia elétrica.
• As várias baterias são geralmente comparadas em termos de parâmetroscomo energia específica, potência específica, vida útil, etc.
• Semelhante a energia específica, a potência específica é a potênciadisponível por unidade de massa.
• A vida útil de uma bateria:
– o número de ciclos de descarga profunda obtidos em sua vida útil;
– o número de anos de serviço esperado em uma determinada aplicação.
• As características desejáveis das baterias para aplicações VE e VEHsão:
– potência específica elevada, alta energia específica, possibilidade dealtas taxas de recarga e frenagem regenerativa e longa vida útil.
• Problemas técnicos adicionais incluem métodos e projetos para:
– equilibrar os bancos de bateria eletricamente e termicamente.
– determinar o estado de carga da bateria.
– instalações de reciclagem de componentes da bateria.
• E acima de tudo, o custo das baterias deve ser razoável para VEs eVEHs serem comercialmente viáveis.
Aspectos básicos da bateria
• As baterias são feitas de células unitárias que contêm a energiaquímica que é conversível em energia elétrica.
– Uma ou mais dessas células eletrolíticas estão conectadas em sériepara formar uma bateria.
– As células agrupadas estão incluídas em uma caixa para formar ummódulo de bateria.
– Uma bateria é uma coleção desses módulos de bateria individuaisconectados em série.
– Uma combinação paralela é usada para fornecer a tensão e a energiadesejadas ao sistema de acionamento eletrônico de potência.
• A energia armazenada em uma bateria é a diferença de energia livreentre componentes químicos nos estados carregado e descarregado.
• Esta energia química disponível em uma célula é convertida emenergia elétrica somente sob demanda, usando os componentesbásicos de uma célula unitária, que são os eletrodos positivos enegativos, os separadores e os eletrólitos.
• O ingrediente eletroquimicamente ativo do eletrodo positivo ounegativo é chamado de material ativo.
• Os processos de oxidação e redução química ocorrem nos doiseletrodos, ligando e liberando elétrons, respectivamente.
• Os eletrodos devem ser eletronicamente condutores e estaremlocalizados em locais diferentes, distanciados por um separador, conformemostrado na Figura:
• Durante a operação da bateria, as reações químicas em cada umdos eletrodos fazem com que os elétrons fluam de um eletrodopara outro.
– o fluxo de elétrons na célula ocorre somente se os elétrons gerados nareação química puderem fluir através de um circuito elétrico externoque conecte os dois eletrodos.
• Os pontos de conexão entre os eletrodos e o circuito externo sãochamados de terminais da bateria.
• O circuito externo garante que a maior parte da energia químicaarmazenada seja liberada apenas sob demanda e é utilizada comoenergia elétrica.
• Somente em uma bateria ideal o fluxo de corrente apenas quando ocircuito entre os eletrodos é completado externamente.
• Infelizmente, muitas baterias permitem uma descarga lenta, devidoaos efeitos de difusão, razão pela qual não são particularmente bonspara o armazenamento de energia a longo prazo.
• Esta descarga lenta com terminais de circuito aberto é conhecidacomo auto-descarga, que também é usada como parâmetro daqualidade da bateria.
• Os componentes da célula da bateria são descritos da seguintemaneira:
1. Eletrodo positivo: é um óxido ou sulfureto ou algum outrocomposto que seja capaz de ser reduzido durante a operação dedescarga.
2. Eletrodo negativo: é um metal ou uma liga que é capaz de seroxidado durante a operação de descarga.
3. Eletrólito: é o meio que permite a condução iónica entre eletrodospositivos e negativos de uma célula.
4. Separador: é a camada de material eletricamente isolante quesepara fisicamente eletrodos de polaridade oposta.
• Nas baterias de chumbo-ácido, o eletrólito é a solução aquosa deácido sulfúrico [H2SO4 (aq)].
• As baterias atualmente em desenvolvimento para VEs, como bateriasseladas de chumbo-ácido, níquel-metal-hidreto (NiMH) e lítio-íonusam um eletrólito que é gel, pasta ou resina.
• As baterias de polímero de lítio utilizam um eletrólito sólido.
• Existem dois tipos básicos de baterias: baterias primárias e bateriassecundárias.
• As baterias que não podem ser recarregadas e são projetadas parauma única descarga são conhecidas como baterias primárias.
• Exemplos disso são as baterias de lítio usadas em relógios,calculadoras, câmeras, etc., e as baterias de dióxido de manganêsutilizadas para alimentar brinquedos, rádios, etc.
• As baterias que podem ser recarregadas pela corrente de fluxo nadireção oposta àquela durante a descarga são conhecidas comobaterias secundárias.
• O processo de reação química durante a operação de carga quandoa energia elétrica é convertida em energia química é o inversodaquela durante a descarga.
• As baterias necessárias e usadas para VEs e VEHs são todas asbaterias secundárias porque são recarregadas durante os ciclos defrenagem regenerativa ou durante o ciclo de recarga da bateria,estacionado, usando um carregador.
• Todas as baterias que serão discutidas a seguir são exemplos debaterias secundárias.
• Os principais tipos de baterias recarregáveis consideradas para aplicaçõesVE e VEH são:
– Chumbo-ácido (ácido-Pb)
– Níquel-cádmio (NiCd)
– Níquel-metal-hidreto (NiMH)
– Íons de lítio (íons de lítio)
– Lítio-polímero (Li-poli)
– Sódio-enxofre (NaS)
– Zinco-ar (Zn-Air)
• O tipo de bateria de chumbo-ácido tem o maior histórico dedesenvolvimento de toda a tecnologia de baterias,
– aplicações como carros de golfe, carros de passageiros em aeroportos eempilhadeiras em instalações de armazenamento e supermercados.
• A pesquisa e o desenvolvimento das baterias ganharam impulsoapós o ressurgimento do interesse em VEs e VEHs no final da décadade 1960 e início da década de 1970.
• As baterias de sódio e enxofre mostraram grande promessa nadécada de 1980, com altas densidades de potência e energia, mas asdificuldades de segurança e fabricação levaram ao abandono datecnologia.
• O desenvolvimento da tecnologia da bateria para aplicações debaixa potência, como telefones celulares e calculadoras, abriu apossibilidade de dimensionar a energia e a potência das baterias deníquel-cádmio e de íons de lítio para aplicações VE e VEH.
• O desenvolvimento de baterias é direcionado para superardificuldades práticas de fabricação.
– As energias específicas teóricas e práticas de várias baterias sãoapresentadas na Tabela para comparação.
• As baterias de chumbo-ácido foram a escolha mais popular debaterias para VEs.
• As baterias de chumbo-ácido podem ser projetadas para serem dealta potência e são baratas, seguras e confiáveis.
• Existe uma infra-estrutura de reciclagem para estas baterias.
• No entanto, a baixa energia específica, o mau desempenho embaixas temperaturas e a vida útil do ciclo estão entre os obstáculosao seu uso em VEs e VEHs.
• A bateria de chumbo-ácido tem uma história que data de meadosdo século 19, e atualmente é uma tecnologia madura.
• A primeira bateria de chumbo-ácido foi produzida já em 1859.
• No início da década de 80, mais de 100.000.000 de baterias dechumbo-ácido foram produzidas por ano.
• A longa existência da bateria de chumbo-ácido é devido aos seguintesfatores:– Custo relativamente baixo;
– Fácil disponibilidade de matérias-primas (chumbo, enxofre)
– Facilidade de fabricação
• A operação da célula da bateria consiste em:– uma operação de descarga celular quando a energia é fornecida da
bateria ao motor elétrico para fornecer a potência de propulsão.
– uma operação de carga celular, quando a energia é fornecida a partir deuma fonte externa para armazenar energia na bateria.
Operação de descarga da célula
• Os elétrons são consumidosno eletrodo positivo, cujaalimentação é provenientedo eletrodo negativo.
• O fluxo de corrente é,portanto, do eletrodopositivo para a carga domotor.
Operação de carga da célula
• O sulfato de chumbo éconvertido de volta aos estadosreagentes de chumbo e óxido dechumbo.
• Os elétrons são consumidos dafonte externa no eletrodonegativo, enquanto o eletrodopositivo libera os elétrons.
• A corrente flui para o eletrodopositivo da fonte externa,fornecendo assim energiaelétrica para a célula, onde éconvertida em energia química.
Parâmetros da Bateria
• Capacidade da bateria:
– A quantidade de carga livre gerada pelo material ativo no eletrodonegativo e consumida pelo eletrodo positivo é chamada de capacidadeda bateria.
– A capacidade é medida em Ah (1 Ah = 3600 C, ou coulomb, onde 1 C é acarga transferida em 1 s por 1 A de corrente).
– A capacidade teórica de uma bateria (em C) é
• onde x é o número de moles de reagente limitante associado à descargacompleta da bateria, n é o número de elétrons produzidos pela reação dedescarga de eletrodo negativo e F = Le.
• L é o número de moléculas ou átomos em um mol (conhecida como constantede Avogadro), e e0 é a carga de elétrons.
• F é a constante de Faraday. Os valores para as constantes são:
• A capacidade teórica em Ah é:
– onde mR é a massa de reagente limitante (em kg) e M é a massa molarde reagente limitante (em g/mol).
– As células de uma bateria normalmente são conectadas em série e acapacidade da bateria é ditada pela menor capacidade celular. Portanto,QTbattery = QTcell.
Taxa de descarga
• A taxa de descarga é a corrente na qual a bateria é descarregada.
• A taxa é expressa como Q/h, onde Q tem capacidade nominal dabateria e seu tempo de descarga em horas.
• Para uma bateria que tenha uma capacidade de QT Ah e que sejadescarregada sobre Δt, a taxa de descarga é QT/Δt.
• Por exemplo, se a capacidade de uma bateria é 1 Q = 100 Ah. (1 Qgeralmente indica a capacidade nominal da bateria). Portanto,
Estado da carga (SOC)
• O estado da carga (SoC) é a capacidade atual da bateria.
• É a quantidade de capacidade que permanece após a descarga deuma condição máxima de carga.
• A corrente é a taxa de mudança de carga dada por
– onde q é a carga que se desloca pelo circuito.
– o estado de carga teórico instantâneo SoCT (t) é a quantidade de cargapositiva equivalente no eletrodo positivo. Se o estado de carga for QT notempo inicial t, então SOCT(0) = QT. Por um intervalo de tempo dt,
• Integrando do tempo inicial t0 ao tempo final t, a expressão para oestado de carga instantâneo é obtida da seguinte forma:
• Circuito para medir SOC:
Estado de descarga
• O estado de descarga (SoD) é uma medida da carga que foi extraídade uma bateria.
• Matematicamente, o estado de descarga é o seguinte:
Profundidade de descarga
• A profundidade de descarga (DoD) é a porcentagem de capacidadeda bateria para a qual uma bateria é descarregada.
• A profundidade de descarga é dada por:
• A retirada de pelo menos 80% da capacidade da bateria (nominal) éreferida como descarga profunda.
Características técnicas
• A bateria na sua forma mais simples pode ser representada por umatensão interna Ev e uma resistência série Ri:
• A tensão interna Ev aparece nos terminais da bateria como tensão decircuito aberto quando não há carga conectada à bateria.
• A tensão interna ou a tensão do circuito aberto dependem do estadoda carga da bateria, temperatura e histórico de carga (efeitomemória), entre outros fatores.
• Características da tensão de circuito aberto:
– À medida que a bateria é descarregada gradualmente, a tensão internadiminui, enquanto aumenta a resistência interna.
– As características de tensão do circuito aberto possuem um patamarbastante prolongado de características lineares, com uma inclinaçãopróxima a zero.
– A tensão de circuito aberto é um bom indicador do estado de descarga.
• A tensão do terminal da bateria é a tensão disponível nos terminaisquando uma carga está conectada à bateria.
– A tensão do terminal é igual à tensão de carga VFC quando o DoD é 0%.
– Vcut é a tensão de corte da bateria, onde a descarga da bateria deve serencerrada.
• Para prever o alcance de um VE, o SoC ou DoD pode ser usado.
• No entanto, a questão é qual será a mais precisa? O SoC e o DoDestão relacionados como
– A confiabilidade do SoC depende da confiabilidade do QT, que é funçãoda corrente e temperatura de descarga, entre outras coisas.
– Será difícil usar SoC para correntes de descarga porque é difícil preverQT.
• Por outro lado, o DoD pode ser expresso com mais precisão,porque é expresso como uma fração de QT, e é mais fácil medir oSoD (Figura 3.12).
Capacidade prática
• A capacidade prática QP de uma bateria é sempre muito menor emcomparação com a capacidade teórica QT, devido à limitaçõespráticas.
• A capacidade prática de uma bateria é fornecida como:
– onde t0 é o momento em que a bateria está totalmente carregada [SoD(t) = 0], e tcut é o tempo em que a tensão do terminal da bateria está emVcut.
• Portanto, Vt (tcut) = Vcut.
Capacidade redefinida
• A capacidade prática de uma bateria é definida na indústria por umaaproximação conveniente e aproximada de Ah em vez de coulomb,sob descarga constante.
• Consideremos o experimento mostrado na Figura abaixo onde abateria é descarregada em corrente constante a partir do tempo t =0.
• A corrente é mantida constante variando a resistência de carga RLaté a tensão do terminal chegar a Vcut.
• As características de descarga de corrente constante sãoapresentadas qualitativamente em dois níveis de correntediferentes na Figura:
• Os seguintes dados são obtidos do experimento:
– Os resultados mostram que a capacidade depende da magnitude dacorrente de descarga.
– Quanto menor a magnitude da corrente de descarga, maior acapacidade da bateria.
– Para ser preciso, quando a capacidade de uma bateria é indicada, amagnitude da corrente de descarga constante também deve serespecificada.
Energia da bateria
• A energia de uma bateria é medida em termos de capacidade etensão de descarga.
• Para calcular a energia, a capacidade da bateria deve ser expressaem coulombs:
– Uma medida de 1 Ah é equivalente a 3600 C.
– 1 V se refere a 1 J (J para joule) de trabalho necessário para mover 1carga C do eletrodo negativo para positivo.
• Portanto, a energia potencial de energia armazenada em umabateria de 12 V, 100 Ah é: (12) (3,6 × 105) J = 4,32 MJ.
• Em geral, a energia armazenada teórica é:
– onde Vbat é a tensão nominal do terminal sem carga, e Q é acapacidade teórica em C.
• A energia prática disponível é:
– onde t0 é o momento em que a bateria está totalmente carregada,tcut é o momento em que a tensão do terminal da bateria está no Vcut,v é a tensão do terminal da bateria e i é a corrente de descarga dabateria.
– O Ep é dependente da maneira como a bateria é descarregada.
• A característica de tensão do terminal da bateria é mostrada naFigura abaixo, indicando a tensão do ponto médio (MPV) em t =1/2 tcut.
• O patamar estendido da tensão do ponto médio pode serrepresentado pela equação linear de linha Vt = mt + b, onde m e bsão as constantes da equação.
• Substitui-se a característica de tensão terminal não-linear da bateriapela equação de linha reta estendido por simplicidade.
• A energia de uma bateria com descarga de corrente constante é:
• Se a tensão média do terminal da bateria sobre o intervalo dedescarga 0 para tcut for <vt>:
• Assim sendo,
– onde A1 e A2 são as áreas indicadas na Figura. Pode-se assumir que asáreas A1 e A2 são aproximadamente iguais, A1 A2.
– No entanto, m (1/2tcut) + b = MPV (o MPV é a tensão do ponto médio).
• Resulta em:
• Substituindo:
• Uma relação empírica frequentemente usada para descrever ascaracterísticas da bateria é a equação de Peukert.
• A equação de Peukert relativa à corrente constante com tcut é aseguinte:
– onde λ e n são constantes. Substituindo a equação de Peukert naequação de energia,
Energia específica
• A energia específica de uma bateria é dada por:
– A unidade para energia específica é Wh/kg.
• A energia específica de uma bateria de chumbo-ácido é de 35 a 50Wh/kg.
• Como o Ep varia com a taxa de descarga, a SEP também é variável.
• O termo densidade de energia também é usado na literatura paraquantificar a qualidade de uma bateria ou outra fonte de energia.
• A densidade de energia refere-se à energia por unidade de volumede uma bateria.
• A unidade para densidade de energia é Wh/litro.
Potência da bateria
• As características de energia da bateria são ilustradas na Figura 3.16.
• A potência instantânea do terminal da bateria é:
– onde Vt é a tensão do terminal da bateria, e i é a corrente de descargada bateria.
• Usando a lei de tensão de Kirchoff para o circuito equivalente debateria:
• Substituindo a Equação 3.12 pela Equação 3.11 produz:
– A potência máxima é necessária a partir da bateria em condições dedescarga rápida, que ocorrem quando o motor elétrico está fortementecarregado.
• A aceleração em uma pista inclinada => condição quando o motorrequer muita corrente para fornecer a potência máxima necessáriapara a tração.
• Usando a teoria de transferência de potência máxima em circuitoselétricos:
– a bateria pode fornecer potência máxima para uma carga CC quando aimpedância da carga coincide com a impedância interna da bateria.
• A potência máxima é:
– Porque Ev e Ri variam com o estado da carga, a Pmax também varia.
• O desempenho das baterias para atender aos requisitos deaceleração e inclinação pode ser avaliado com a ajuda dasespecificações de potência nominal, que se baseiam na capacidadeda bateria.
• A potência nominal é a potência máxima que a bateria podefornecer durante longos intervalos de descarga sem danificar abateria.
– não corresponde necessariamente a Pmax na curva p-i das característicasda bateria.
– a potência instantânea nominal é a potência máxima que a bateria podefornecer durante um curto intervalo de descarga sem danificar abateria.
Potência específica
• A potência específica de uma bateria é
– onde P é a energia fornecida pela bateria, e MB é a massa da bateria.
• A potência máxima específica da bateria de chumbo-ácido é 280W/kg.
• Semelhante à energia específica e à densidade energética, adensidade de potência refere-se à potência da bateria por unidadede volume, com unidade de W/litro.
Projeto de banco de baterias
• As baterias podem ser configuradas em série ou em paralelo ou emuma combinação delas.
• O projeto depende da tensão de saída e dos requisitos de descarga.
– A conexão em série produz a tensão necessária.
– A conexão paralela entrega a capacidade desejada para a bateria paraum tempo de execução mínimo antes de ser recarregada.
• A bateria também inclui circuitos eletrônicos, que normalmenteestão localizados fora da bateria.– controla o processo de carga e garante confiabilidade e proteção contra
sobrecarga, descarga excessiva, curto-circuito e variação térmica.
Gráfico Ragone
• Em baterias de chumbo e outras, há uma diminuição na capacidadede carga em relação ao aumento da corrente.
• Relacionamento Ragone e é descrito por gráficos Ragone.
• As parcelas de Ragone geralmente são obtidas a partir de testes dedescarga com energia constante ou corrente constante.
• O experimento é realizado em vários níveis de potência, e osseguintes dados são gravados: potência p(t) = Vti = P, tempo paratensão de corte tcut e energia prática EP = Ptcut.
• A trama de SP vs. SE na escala log-log é conhecido como o gráficoRagone.
– Os gráficos Ragone de algumas baterias comuns são mostrados:
• Para uma aproximação de primeira ordem, pode-se usar um gráficolinear de Ragone (em uma escala log) de acordo com a seguinterelação entre potência específica e energia específica:
– onde n e λ são constantes de ajuste de curva.
– as parcelas Ragone de várias baterias, juntamente com fontes deenergia alternativas e MCI, são dadas na Figura anterior para dar umaideia das capacidades relativas de energia e potência dessas diferentesunidades.
OBJETIVOS E PROPRIEDADES DAS BATERIAS
• Os mandatos legislativos da Califórnia no início da década de 1990levaram à formação do US Advanced Battery Consortium (USABC)para supervisionar o desenvolvimento de fontes de energia para VEs.
• O USABC estabeleceu objetivos focados em desenvolvimento debaterias para meio termo (1995 a 1998) e critérios de longo prazo.
• O objetivo dos critérios de médio prazo era desenvolver bateriascom um objetivo razoável, enquanto os critérios de longo prazoeram definidos para desenvolver baterias para VEs, o que seriadiretamente competitivo com veículos de MCI.
• Os principais objetivos para os três critérios estão resumidos naTabela:
• As duas tecnologias de bateria mais desenvolvidas até hoje sãobaterias de chumbo e de níquel-cádmio.
• No entanto, estas baterias não são adequadas para VEs, porque aantiga armazena pouca energia, enquanto a última tem problemasde custo e toxicidade.
• O status das baterias promissoras descritas é resumido na Tabela 3.5a partir de informações obtidas da literatura.
Modelagem de baterias
• A equação de Peukert é uma relação empírica amplamente aceitaentre capacidade (Q), corrente de descarga (I) e tempo (t) ou entrepotência específica (SP), energia específica (SE) e tempo (t).
• A equação de Peukert é usada no desenvolvimento de um modelo dedepleção (FDM) de baterias.
– pode ser usado para prever a autonomia de um VE.
– pode ser desenvolvido usando a abordagem de descarga com correnteconstante ou a abordagem de densidade de potência associada às duasformas da equação de Peukert.
Abordagem para descarga em corrente constante
• Considerando o experimento de descarga de corrente constante, abateria é descarregada em corrente constante até a tensão de corteser atingida.
• A resistência de carga RL é variada para mudar o nível de correnteconstante e também para manter a corrente constante para cadaexperimento.
• Os dados I vs. tcut são usados para ajustar a equação de Peukert(Equação 3.9) com corrente constante:
– onde I é a corrente de descarga constante; e λ e n são constantes deajuste da curva, com n → 1 para pequenas correntes e n → 2 paragrandes correntes.
Modelo de depleção fracionada
• Usando a equação de Peukert, pode-se estabelecer a relação entre Q e I.
• A capacidade prática de uma bateria é
• Substituindo na equação de Peukert:
– Porque 0 <n-1 <1, para I> 1, Q diminui à medida que I aumentar.
• Sabe-se que:
• e
– SoD é a quantidade de carga que a bateria gera no circuito. Suponhaque em t = t0, a bateria está totalmente carregada.
– Considere-se um pequeno intervalo de tempo dt.
• Portanto:
• Onde:– Sabe-se que Q = λ/In-1 para descarga de corrente constante → Q = λ/in-1
• Assim sendo,
• Integrando, obtém-se:
– DoD (t0) = 0 se a bateria estiver totalmente carregada em t = t0.
• O modelo de depleção fracional (FDM) é assim obtido como:
• O FDM com base na descarga atual requer conhecimento da correntede descarga i(t).
• Portanto, este modelo para prever a autonomia do VE deve ser usadoquando i(t) é conhecido.
Referências:
• HUSAIN, Iqbal. Electric and hybrid vehicles: design fundamentals.CRC press, 2011.
Exercício AdvisorEntrega:moodle
• Usando a configuração de veículo elétrico presente no ADVISOR(EV_defaults_in) (VEH_EV1), com motor de ímã permanente(MC_PM49) de W:
a) Usando uma bateria de chumbo ácido verifique qual deve ser apotência mínima da bateria para conseguir acompanhar o ciclo de condução CYC_UDDS.
b) Dentre as baterias disponíveis encontrar qual delas agrega maioreficiência ao veículo.