Não pensem que temos estado parados em relação a este projecto! Têm sido dias de leitura sobre conteúdos de relatório de outros projectos, estudo de tecnologias a implementar no veículo, entre outros.
Temos focado o nosso trabalho no estudo do sistema de tracção a elaborar, no trabalho dos nossos colegas que desenvolveram o projecto "Veículo eléctrico I", "Veículo eléctrico II" e "Veículo eléctrico III".
Para além disso, quisemos também conhecer e estudar as várias tecnologias de baterias existentes para aplicações eléctricas/electrónicas. Assim, apresentamos o seguinte documento para leitura/estudo/análise. Apresentam dúvidas, sugestões e críticas!
Nota: O texto seguinte não consiste num trabalho muito aprofundado e detalhado. Tem apenas como objectivo o conhecimento das várias tecnologias existentes e características.
Fontes de energia
Os veículos eléctricos, tal como qualquer outro sistema eléctrico, necessitam de uma fonte de energia para alimentar todos os seus componentes. No sector automóvel, apesar de existirem outras fontes energéticas, como os “ultracapacitores”, neste documento iremos detalhar as baterias pois são o sistema mais utilizado nos veículos de combustão interna e nos veículos eléctricos e será a tecnologia adoptada neste projecto. Esta nossa escolha prende-se com os meios que temos à nossa disposição para realização e no facto de a alimentação do veículo e seu estudo aprofundado não fazer parte dos objectivos do projecto.
Contudo, na escolha de uma fonte energética, é necessário ter em consideração algumas características importantes, como a energia específica, a potência específica, a eficiência, a manutenção necessária ao longo da vida útil, o custo monetário, entre outros.
Baterias
As baterias podem ser definidas como um dispositivo que transforma energia química em energia eléctrica, através das reacções químicas existentes no seu interior. Mais propriamente, essa transformação acontece aquando da sua utilização num sistema eléctrico (descarga da bateria), executando a transformação contrária (energia eléctrica em energia química) quando esta está a ser carregada.
Características genéricas
A capacidade das baterias é denominada por ampere-hora, sendo a quantidade de carga eléctrica transferida por uma corrente estável de um ampere durante uma hora. Esta capacidade relaciona-se com a corrente de descarga, sendo que o valor de ampere-hora diminui à medida que o valor da corrente de descarga aumenta.
Para além desta característica, as baterias são definidas também pela sua energia específica, sendo esta grandeza a capacidade energética por unidade de massa (Wh/kg). A energia específica consiste na energia máxima da bateria que pode ser gerada por unidade de massa das células onde ocorrem as reacções químicas.
A terceira característica aqui enumerada é a potência específica, sendo este o valor de potência máxima por unidade de massa (V/kg), que a bateria pode produzir num período temporal pequeno. Este valor pode ser calculado com base na seguinte expressão:
Ppeak= Vo2 / 4*(Rc + Rint), onde Rc é a resistência do condutor e Rint é a resistência interna originada pelas reacções químicas.
Tecnologias existentes
Na actualidade, e com ênfase no sector automóvel e industrial, as baterias predominantes são as de chumbo-ácido. Contudo, nos últimos tempos, a investigação e inovação neste ramo tem levado ao aparecimento e implementação de outras tecnologias, ou seja, outros materiais tais como: Níquel-cádmio (NiCad), níquel-hidretos metálicos (NiMH), iões de lítio, entre outros.
Chumbo – ácido (PB-H2SO4)
A capacidade das baterias é denominada por ampere-hora, sendo a quantidade de carga eléctrica transferida por uma corrente estável de um ampere durante uma hora. Esta capacidade relaciona-se com a corrente de descarga, sendo que o valor de ampere-hora diminui à medida que o valor da corrente de descarga aumenta.
Para além desta característica, as baterias são definidas também pela sua energia específica, sendo esta grandeza a capacidade energética por unidade de massa (Wh/kg). A energia específica consiste na energia máxima da bateria que pode ser gerada por unidade de massa das células onde ocorrem as reacções químicas.
A terceira característica aqui enumerada é a potência específica, sendo este o valor de potência máxima por unidade de massa (V/kg), que a bateria pode produzir num período temporal pequeno. Este valor pode ser calculado com base na seguinte expressão:
Ppeak= Vo2 / 4*(Rc + Rint), onde Rc é a resistência do condutor e Rint é a resistência interna originada pelas reacções químicas.
Tecnologias existentes
Na actualidade, e com ênfase no sector automóvel e industrial, as baterias predominantes são as de chumbo-ácido. Contudo, nos últimos tempos, a investigação e inovação neste ramo tem levado ao aparecimento e implementação de outras tecnologias, ou seja, outros materiais tais como: Níquel-cádmio (NiCad), níquel-hidretos metálicos (NiMH), iões de lítio, entre outros.
Chumbo – ácido (PB-H2SO4)
Sendo a tecnologia mais utilizada no mercado, as baterias de chumbo – ácido apesar de possuírem uma densidade energética baixa (devido ao peso molecular do chumbo), apresentam características de temperatura medíocres (sendo que abaixo dos 10ºC a energia e a potência específica decrescem substancialmente), o tempo de carga é muito elevado, possuem ácido sulfúrico altamente corrosivo, entre outras desvantagens, esta tecnologia possui uma vantagem bastante importante: o custo reduzido.
Contudo, existem desenvolvimentos tecnológicos para melhorar alguns aspectos negativos destas baterias, de modo a impulsionar esta tecnologia nos veículos eléctricos e híbrido, como por exemplo: o aumento do valor de energia específica acima de 40Wh/kg, a redução do tempo de carga, o aumento de tempo de vida útil em 50%, entre outros. Tendo todas estas características em conta, as baterias de chumbo – ácido apresentam-se mais indicadas para baterias de arranque (para carros com motor de combustão) ao invés de baterias de alimentação para veículos eléctricos.
Baterias MAC, STAND ASLA
Níquel – cádmio (NiCad)
Existem quatro tipos de baterias derivadas do níquel: níquel - cádmio, níquel – hidretos metálicos (a detalhar de seguida), níquel – zinco e níquel – ferro, sendo o níquel um material que apresenta propriedades electromecânicas desejáveis para a produção de baterias.
Quanto à tecnologia níquel – cádmio, apresenta um valor elevado de potência específica (mais de 220W/kg), longo tempo de vida (2000 ciclos), alta tolerância a picos de tensão, ciclo de carga muito rápido (40-80% em 18 minutos), entre outros. Apesar disso, esta tecnologia é caracterizada por desvantagens significativas como custo monetário muito elevado, baixa tensão nas células que constituem a bateria e perigos ambientais muito elevados associados ao cádmio.
Pilhas e baterias, www.electronica-pt.com
Níquel – Hidretos metálicos (NiMH)
Tal como referido anteriormente, esta e a tecnologia anterior derivam do Níquel, sendo a principal diferença entre estas duas baterias o facto de esta (NiMH) apresentar Hidrogénio na sua constituição.
Actualmente, as baterias de Níquel – Hidretos metálicos apresentam uma tensão nominal de 1,2V e podem chegar a 85Wh/kg em termos de energia específica e a 250W/kg ao nível de potência específica, sendo o elevado valor de energia específica e o facto da ausência de características corrosivas, como acontece com o Cádmio, as principais causas desta tecnologia estar a ultrapassar a tecnologia anterior (NiCad).
Actualmente, as baterias de Níquel – Hidretos metálicos apresentam uma tensão nominal de 1,2V e podem chegar a 85Wh/kg em termos de energia específica e a 250W/kg ao nível de potência específica, sendo o elevado valor de energia específica e o facto da ausência de características corrosivas, como acontece com o Cádmio, as principais causas desta tecnologia estar a ultrapassar a tecnologia anterior (NiCad).
Nickel-metal hybride battery, Wikipedia (http:\\en.wikipedia.org)
Iões de Lítio
O lítio apresenta-se como o material mais leve dos vários materiais já aqui referidos, para além disso, a alta tensão termodinâmica origina valores elevados de potência e energia específica.
Utilizando uma solução orgânica como electrólito e um material de carbono e lítio no eléctrodo negativo (em vez do lítio metálico), os iões de lítio são transferidos entre o eléctrodo negativo e positivo durante os ciclos de carga e descarga, ou seja, na carga os iões transferem-se o eléctrodo positivo para o negativo, através do electrólito, e no sentido inverso no processo de descarga.
O lítio apresenta-se como o material mais leve dos vários materiais já aqui referidos, para além disso, a alta tensão termodinâmica origina valores elevados de potência e energia específica.
Utilizando uma solução orgânica como electrólito e um material de carbono e lítio no eléctrodo negativo (em vez do lítio metálico), os iões de lítio são transferidos entre o eléctrodo negativo e positivo durante os ciclos de carga e descarga, ou seja, na carga os iões transferem-se o eléctrodo positivo para o negativo, através do electrólito, e no sentido inverso no processo de descarga.
veiculoselectricospt, www.veiculoselectricospt.com
Fazendo a comparação entre esta tecnologia (presente no mercado desde 1990), as baterias de chumbo – ácido (as mais utilizadas no sector automóvel), e as baterias baseadas no Níquel, podem ser enumeradas as seguintes vantagens (das baterias de iões de lítio):
1. Uso de materiais com baixa ou nula toxicidade;
2. Maior tensão nominal para o mesmo número de células (uma célula de 3.6V pode substituir três células de NiCad ou NiMH);
3. Menor peso;
4. Alta densidade energética, cerca de quatro vezes superior às de chumbo-ácido;
5. Ausência de efeito de memória;
6. Rapidez de carga;
7. Pode ser descarregada até 80% da sua carga e ser carregada de seguida;
8. Entre outros.
Contudo, existem também desvantagens presentes nas baterias de iões de lítio:
1. Requer circuito de protecção, de modo a manter corrente e tensão dentro de limites seguros;
2. A capacidade das células diminui ao longo do tempo, ou seja, uma bateria antiga fornece menor corrente que uma recente;
3. Alta resistência interna (em relação ao NiCad ou NiMH);
4. Funcionamento em temperaturas altas;
5. Maior custo de produção;
6. Tecnologia ainda não totalmente consolidada, estando alguns materiais em alteração;
7. Entre outros.
Outra comparação interessante em relação às diferentes tecnologias existentes, é a densidade de energia volumétrica em função da densidade de energia específica, tal como consta na figura seguinte.
Tecnologias, AUTOSIL (www.autosil.pt)
Referências Bibliográficas:
BatteryUniversity, www.batteryuniversity.com
Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cells Vehicles: Fundamentals, Theory and Design: CRC Press, 2010
Batteries for Electric Cars, The Boston Consulting Group
Grid-Scale Energy Storage, ARPA-E Pre-Summit Workshop
AUTOSIL, www.autosil.pt
The 21st Century Electric Car, Martin Eberhard and Marc Tarpenning
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