O método de medição em tempo real prolonga o tempo de vida e aumenta a segurança das pilhas
Método de medição de alta resolução e análise direta
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Um método de medição inovador permite uma gestão optimizada da bateria em veículos eléctricos, ajudando a torná-los mais seguros e a prolongar a sua vida útil. A espetroscopia de impedância do Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Fabrico e Materiais Avançados IFAM analisa dados de medição detalhados sobre o estado da bateria em tempo real durante o funcionamento. Isto significa que as baterias também podem ser utilizadas em aplicações críticas para a segurança.
Configuração de laboratório para medição em tempo real assistida por computador da impedância numa célula de bateria de iões de lítio para analisar o seu estado.
© Fraunhofer IFAM
Baterias potentes e seguras são um componente chave para o sucesso da mobilidade eléctrica. Por isso, a medição da capacidade e do estado de uma bateria é um fator crucial. O método mais informativo para o fazer é a espetroscopia de impedância. A impedância em si não pode ser medida diretamente; em vez disso, é calculada a partir da relação entre a corrente e a tensão. A impedância fornece informações sobre o estado de carga (SoC) da bateria e permite tirar conclusões sobre o seu estado de saúde (SoH, ou seja, o estado no interior da bateria, onde se encontram o cátodo, o ânodo e o eletrólito) ou o seu estado de segurança.
A recolha de todos os dados necessários requer medições demoradas e métodos analíticos. Além disso, até à data, a medição da impedância só tem sido possível em estado de repouso. Normalmente, pode demorar até 20 minutos até que os dados necessários para caraterizar a bateria estejam prontos e disponíveis.
Os investigadores do Fraunhofer IFAM desenvolveram este método sob a direção de Fabio La Mantia. Agora, pela primeira vez, a espetroscopia de impedância dinâmica permite calcular medições relativas ao estado da bateria durante o funcionamento em direto e disponibilizá-las em tempo real. As informações obtidas desta forma abrangem muito mais do que simples dados sobre a capacidade de carga ou o tempo de funcionamento restante. Fornece uma imagem detalhada, exacta e aprofundada do que se passa no interior da bateria. Isto também torna possível prever o potencial tempo de vida útil da célula da bateria individualmente.
Embora os actuais indicadores do estado de carga da bateria - que estão incorporados na eletrónica dos veículos eléctricos, por exemplo - também efectuem medições numa base contínua durante a utilização, oferecem menos informações, são muito mais lentos a responder e não são tão precisos.
"Em primeiro lugar, a espetroscopia de impedância dinâmica abre novas possibilidades para otimizar a gestão das baterias, prolongando assim o seu tempo de vida. Também abre caminho para que estas baterias sejam utilizadas em aplicações críticas para a segurança", explica Hermann Pleteit, responsável pelo projeto.
Método de medição de alta resolução e análise direta
Neste método inovador, a corrente de descarga ou de carga é sobreposta por um sinal de teste multifrequencial. As diferentes frequências permitem tirar conclusões sobre o estado de determinados componentes ou processos no interior da bateria. O sinal de resposta da corrente e da tensão é medido até um milhão de vezes por segundo. Todos os dados do método de medição de alta resolução fluem para um sistema de processamento de dados que está a funcionar ao mesmo tempo. Um programa de software utiliza esta informação para calcular a evolução dos valores de impedância e, em seguida, fazer inferências sobre o estado da célula da bateria em causa.
Para obter resultados em tempo real, apesar do grande volume de dados gerados pelas medições de alta resolução, os investigadores do Fraunhofer conceberam outro truque inteligente. "Desenvolvemos algoritmos que reduzem significativamente o volume de dados antes da análise, sem deixar cair informações relevantes", diz Pleteit. De acordo com estes avanços, o controlo em tempo real de todos os aspectos do estado da bateria através da espetroscopia de impedância oferece vantagens significativas.
Desligar rapidamente as células sobreaquecidas
Os sistemas de gestão de baterias podem utilizar os dados de impedância para registar imediatamente quando uma célula fica localmente sobreaquecida durante a condução, por exemplo. Depois, basta desligar a célula ou reduzir a potência. Isto elimina a necessidade de sensores de temperatura convencionais, que são colocados no exterior da célula da bateria, registando assim os problemas térmicos com um atraso. Nessa altura, é muitas vezes demasiado tarde para evitar que a célula seja danificada.
Há também vantagens para os carregadores de veículos eléctricos. Por exemplo, esta tecnologia pode ser utilizada para decidir entre um carregamento extra-rápido e um carregamento mais lento, mas que também reduz o desgaste da bateria. Durante uma breve pausa numa paragem para descanso, o sistema de gestão da bateria carrega a bateria rapidamente, assegurando ao mesmo tempo que não há picos de temperatura perigosos e que os componentes internos não são indevidamente sujeitos a tensões. Se o veículo estiver ligado a um carregador durante várias horas, o sistema de gestão carrega a bateria lentamente para reduzir o desgaste e prolongar a sua vida útil.
Aplicação às energias renováveis e à aviação
Os fornecedores de energias renováveis, como a energia eólica ou fotovoltaica, que necessitam de compensar as flutuações na produção de eletricidade com o armazenamento de energia, dispõem de sistemas de módulos de bateria estáveis que podem ser controlados a qualquer momento graças à tecnologia Fraunhofer.
A monitorização em tempo real do estado das baterias permitirá mesmo a sua utilização em cenários críticos de segurança. "Este tipo de sistemas poderia ser utilizado, por exemplo, em aviões eléctricos ecológicos. Este mercado está a dar os primeiros passos neste momento. E a indústria naval também está a mostrar interesse nesta tecnologia", diz Pleteit.
A espetroscopia de impedância também não é apenas adequada para as baterias de iões de lítio que se encontram habitualmente hoje em dia. Este método também pode ser aplicado a baterias de estado sólido, de iões de sódio ou de lítio-enxofre - ou a qualquer outra tecnologia futura.
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