Prevenção de fuga térmica em baterias

A maior ameaça às baterias é a fuga térmica, onde o calor gerado excede a taxa de dissipação, desencadeando uma série de reações exotérmicas. Isso pode causar incêndios e falha total da bateria, afetando outros componentes do veículo. Para evitar e conter a fuga térmica, o design da bateria incorpora almofadas de compressão, invólucros de módulos e invólucros de bateria. Almofadas de compressão são colocadas entre as células para evitar a propagação de calor, enquanto os gabinetes dos módulos agrupam as células para conter a fuga térmica dentro dos módulos. Finalmente, estes módulos estão alojados numa caixa de bateria para proteger as outras peças do veículo dos efeitos de fuga térmica.

Projeto de gabinete de bateria

Os gabinetes de baterias de veículos elétricos variam significativamente em design, formato e tamanho, dependendo do tipo de bateria, requisitos de refrigeração, distribuição do módulo e aplicação. Geralmente, um gabinete de módulo consiste em:

1. Uma habitação básica,

2. Um invólucro externo,

3. Uma placa de conexão ligando componentes internos e externos,

4. Uma válvula de escape para equilíbrio de pressão ou liberação de gás durante fuga térmica.

Seleção de materiais para gabinetes de bateria

Os materiais utilizados nos invólucros das baterias devem ter alto desempenho térmico, boas propriedades mecânicas e ser leves. Tradicionalmente, o alumínio e o aço têm sido preferidos pela sua resistência ao calor e adequação para produção em massa. No entanto, a massa dos materiais metálicos não pode ser bem controlada, especialmente para veículos híbridos e elétricos, onde uma menor massa do veículo significa maior densidade de energia e maior autonomia. Atualmente, as baterias podem representar até 50% da massa total de um veículo.

Materiais Compostos

Os materiais compósitos oferecem uma alternativa leve e podem potencialmente superar os metais em muitos aspectos, embora sejam mais complexos e caros. Por exemplo, um invólucro de polímero reforçado com fibra de carbono desenvolvido para clientes de automobilismo substituiu um invólucro de alumínio pesando 6,7 kg (14,8 lbs) por um invólucro composto pesando apenas 616 gramas (1,35 lbs), alcançando uma redução de peso de 91%. Pré-impregnados termofixos de fibra de carbono foram usados ​​por seu alto desempenho térmico e mecânico. A fibra de carbono proporciona resistência e rigidez, enquanto os sistemas de resina de alta qualidade, como o epóxi, são pré-impregnados. No entanto, os processos manuais de disposição, os longos tempos de cura e a dependência de autoclaves limitam a produção de invólucros de baterias pré-impregnadas.

Outra vantagem dos materiais compósitos é a capacidade de otimizar a orientação das fibras para atender aos requisitos de carga específicos de cada gabinete de bateria. A análise de elementos finitos (FEA) é amplamente utilizada no processo de projeto para determinar a direção da fibra e o número necessário de camadas, garantindo alta rigidez e resistência, mantendo ao mesmo tempo o peso leve. As propriedades isotrópicas do metal ainda oferecem vantagens, muitas vezes usadas em conexões aparafusadas para oferecer resistência e rigidez adicionais. Softwares como Hypermesh e Optistruct simulam os materiais compósitos anisotrópicos dos gabinetes das baterias.

Isolamento elétrico

O isolamento elétrico é outra consideração ao desenvolver gabinetes de baterias. Como a fibra de carbono é condutora, camadas de fibra de vidro são integradas ao laminado para isolar componentes eletrônicos específicos.

Certificação

Para garantir o desempenho térmico das baterias e gabinetes, eles devem passar por vários testes e padrões de segurança para certificação. O primeiro padrão é o UN38.8, que garante a segurança das baterias de lítio durante o transporte por meio de oito testes, incluindo simulação de altitude, testes térmicos, vibração, choque, curto-circuito externo, impacto e esmagamento, sobrecarga e descarga forçada. As baterias também precisam de certificação ECE R100 REV2, que descreve os testes necessários para baterias de lítio instaladas em veículos elétricos de quatro rodas para transporte de pessoas ou mercadorias. Na aviação, outras normas como DO311A e DO160G devem ser consideradas.

Simulação Térmica de Bateria

Para gabinetes de bateria, os materiais compostos devem atender aos padrões de segurança contra inflamabilidade UL94, envolvendo vários testes de queima superficial, vertical e horizontal. Chamas controladas são aplicadas ao material várias vezes durante um período específico, e o tempo de queima contínua do material, bem como evidências de queima ou gotejamento de chamas, determinam se ele atende às classificações V0, V1 ou V2 da UL94. Quanto mais rápido a chama se autoextingue, maior será a resistência do material, sendo V0 a classificação mais alta, extinguindo-se em 10 segundos sem respingos de chama.