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quarta-feira, 4 de julho de 2012

Bateria de Veículos Elétricos (VEs) - Nissan LEAF


A bateria de Íons de Lítio (Li-ion), de 24kW·h do Nissan LEAF, possui refrigeração a ar (o que representa um de seus principais diferenciais sobre outras baterias de VEs, até então), e consiste de 48 módulos e cada módulo contém quatro células, totalizando de 192 células, e é montada pela Automotive Energy Supply Corp  (AESC) - uma joint venture entre a Nissan, a NEC e a NEC Dispositivos de Energia, em Zama, Japão.

O LEAF tem um motor elétrico CA síncrono (de imãs permanentes) de 80 kW e a bateria do LEAF precisou ser dimensionada para fornecer uma energia, algo quase quatro vezes maior, do que aquela que se dá em um carro híbrido típico. Para isso, a bateria do LEAF se tornou bastante grande e pesada, em comparação com as baterias típicas dos carros híbridos.

Os EVs (Electric Vehicles), em português VEs (Veículos Elétricos), com suas relativamente enormes baterias têm uma vantagem sobre os híbridos, que é justamente a questão da estabilidade da tensão da bateria, mesmo em alta demanda, enquanto que, num híbrido a bateria é utilizada para mover o carro, apenas em condições de torque e velocidade menores, ou seja, de potência mais baixa, onde as demandas de energia são modestas.

No hibrido a bateria é considerada, apenas, como uma fonte extra de energia e assim, é dimensionada de modo que podem ocorrer afundamentos do valor da tensão fornecida de até cerca de 25% sob carga e para resolver este problema alguns híbridos precisaram introduzir um regulador de tensão bidirecional entre a bateria e o inversor, encarecendo o projeto, uma vez que isso corresponde, essencialmente, a adicionar um segundo inversor de alta potência em série com o inversor principal que aciona o motor.

Os novos EVs e híbridos passam a abrigar células prismáticas de Lítio-íon em suas baterias, a medida que estas provam as suas melhores qualidades. Uma das razões da opção por bateria de íons de Lítio é justamente pela característica que esta apresenta de maior estabilidade da tensão fornecida sob variação de caraga, onde os afundamentos da tensão não passam de 10%. Isso simplifica o projeto elétrico e a bateria pode ser conectada diretamente ao inversor, sem a necessidade de pre reguladores de tensão, nem de capacitores extra no barramento CC, e a autoestabilização da tensão propiciada pela enorme bateria, ainda protege os transistores de sobretensão.
Cada uma das 192 célula (4 células por módulo, portanto 48 módulos) do pacote de bateria
do Nissan LEAF é especificada para uma capacidade de 32,5 A.h (ampere-hora)
e tensão nominal de 3,75 V (4,2 V no máximo)

A tecnologia Lítio-íon permite fornecer até 11 vezes a densidade de potência de uma bateria NiMH em aplicações híbridas ou duas vezes a densidade de energia em carros elétricos. Ao contrário de Níquel-Cádmio, baterias de íons de células não têm efeito de memória que, após uso repetido, diminui a sua capacidade de armazenamento. E não se esgotam quando o carro fica estacionado por períodos prolongados. As células mais comuns atualmente em uso automotivo possuem dimensões aproximadas de 160 mm por 226 mm por 7,2 mm.



As células individuais são interligadas para formar os módulos e os módulos são embalados, juntamente com monitores de estado de carga, reguladores de tensão e termopares para fazer um pacote. Um sistema de bateria completo também tem o seu próprio arrefecimento e aquecimento, arrefecido a água, ou simplesmente ventilado, para manter as temperaturas ideais de funcionamento.

Cada um dos 48 módulos (tais como o que é mostrado a esquerda) do pacote de baterias do Nissan LEAF contém, em seu interior, 4 células (tal como a que é mostrada à direita)

Como em outra bateria qualquer, os três principais componentes funcionais de uma bateria de íons de Lítio são o eletrodo negativo (ânodo), eletrodo positivo (catodo), e o eletrólito. Em cada célula, existem múltiplos cátodos (placas positivas) e ânodos (placas negativas) ensanduichados com material dielétrico de separação e um gel eletrólito condutor que consiste em sal de Lítio num solvente orgânico.

Os cátodos podem ser constituídos por finas folhas de colectores de corrente de alumínio eletrolítico, revestidos com um material de fosfato de Lítio e os ânodos são feitos de uma fina folha de cobre revestida com carbono. Em uma célula completamente carregada, os íons de Lítio são armazenados no ânodo, mas quando a bateria fornece energia ao motor, os íons de passam através do eletrólito através do separador para o cátodo. Este processo é invertido durante o carregamento.

A bateria atual do Nissan LEAF (desde o seu lançamento até agora, 2012) é fruto de uma parceia da Nissan com a também japonesa AESC - Automotive Energy Supply Corp, cujo capital é representado por Nissan Motor Co., Ltd.: 51 % e NEC Corp. + NEC Energy Devices, Ltd.: 49 %.

A tecnologia é baseada em  Espinela de Lítio Manganês (LMO) - LiMn2O que, das cinco tecnologias atuais de baterias de Íons de Lítio, é aquela é aquela que mais se destaca no quesito "Segurança" e "Performance", todavia, em detrimento aos quesitos "Custos" e "Energia Específica" (mais detalhes técnicos, por favor, veja em:

Baterias de Íons de Lítio – Tecnologias e Bases de Custos (Parte 1/3)


O fato é que a Nissan foi bastante esperta e, apostou na formação de uma boa reputação para a bateria do seu carro nestes primeiros anos de lançamento, dotando-o de uma bateria de elevada segurança, que trabalha relativamente fria e não requer um sistema de refrigeração, como ocorre com outros EVs e cuja performance, em geral, dispensa a necessidade de climatização específica, seja para atender diferentes estações do ano, ou mesmo de regiões dos países em que o Nissan LEAF está sendo vendido e utilizado, mesmo com isso implicando em alto custo de entrada para o usuário, ou a necessidade de descontos para atingir as vendas, ou mesmo que a bateria seja, relativamente, pesada e volumosa.

Enquanto a boa reputação se forma junto a opinião pública, a Nissan vem trabalhando na segunda geração de sua bateria para o LEAF (ou para outro modelo de VE que venha a ser, eventualmente, projetado e lançado). Isto tem implicado em migração da tecnologia base, da atual LMO para a futura tecnologia NMC (LiNiMnCoO2).

Muito provavelmente, a bateria de íons de Lítio de tecnologia NMC, que deverá estar pronta, produzida e embalada para o LEAF 2015 e poderá dotá-lo de uma autonomia algo superior a 180 milhas (290 km), bem mais que as 109 milhas (175 km) atuais. Tal relação sugere que a capacidade da nova bateria do LEAF seja de cerca de 40 kW.h (comparados com os atuais 24 kW.h).

Uma outra coisa interessante, é que essa nova bateria (NMC) poderá, até mesmo, ser mais barata que a atual (LMO). Eu digo "poderá" pois, podemos ter surpresas: assim como todos os demais concorrentes, a Nissan (e a AESC) está correndo atrás de quebra de paradigmas, tentando mesmo inventar coisas novas. A tecnologia NMC atual, mesmo provendo uma maior energia, é, de fato, ainda, mais barata que a LMO mas, no estágio comercial em que ela se encontra, produz baterias que resultam em menor segurança e performance.

Seja o que for que eles estejam aprontando, não creio que a Nissan irá por em risco a sua reputação, recém adquirida, de estar produzindo a bateria mais segura do mercado e isso me faz crer que poderá surgir dai, alguma coisa realmente nova, derivada da tecnologia NMC. Como consumidor, é sentar e esperar, para ver o que será.

Quanto a bateria atual, visando uma tendência de padronização em "tensão total", tanto o Nissan LEAF quanto o Chevy VOLT, que utilizam diferentes arranjos de associação de células em cada módulo, utilizam o mesmo arranjo de módulos: são 48 módulos prismáticos em série e, embora a química da ambas baterias seja um pouco diferente, as células de íons de Lítio em ambos são de 3,6V a 3,8V, de modo que ambos os carros têm uma tensão de bateria de 345 VCC a 365 VCC (em circuito aberto).

Especificação dos Módulos de Bateria do Nissan LEAF:
Numero de células
4
Construção
2 pares em série, em paralelo (desenho abaixo)
Comprimento
11.9291" (303 mm)
Largura
8.7795" (223 mm)
Espessura
1.3779" (35 mm)
Peso
8.3775 lbs (3.8 kgs)
Terminal de Saída
M6 nut
Terminal do Sensor de Tensão
M4 nut
Diâmetro do Furo de Fixação do Módulo
0.3582" (9.1 mm)

Todavia, o VOLT utiliza seis células em cada módulo (dois grupos associados em série com três células em paralelo em cada grupo), totalizando 288 células, e o LEAF utiliza quatro células em cada módulo (dois grupos associados em série com duas células em paralelo em cada grupo), totalizando 192 células, todavia, no LEAF, o tamanho de cada célula é aproximadamente duas vezes maior.

Para manter a temperatura da bateria dentro de uma gama estreita, de 70ºF ± 2ºF (de 20ºC a 22,2ºC), o Chevy VOLT utiliza um subsistema de aquecimento/arrefecimento dos módulos de bateria a água, usado para proteger a bateria caso ela fique muito quente ou muito fria. Em contrapartida, o LEAF resfria a bateria a ar, com emprego de um ventilador de modo que a temperatura da bateria fica mais suscetível a variar com ambiente e não existe indicação com respeito a temperatura da bateria no painel do LEAF, todavia, a estrutura em camadas planas além de ser uma composição simples, fornece uma melhor dissipação térmica.

Apenas o tempo de uso poderá dizer se, com isso, haverá ou não alguma significativa diferença de perda de capacidade ao longo da vida útil, a se constituir um problema que venha surpreender para os usuários, comparativamente a essas duas tecnologias, uma vez que a perda de metade da capacidade da bateria, já passar a tornar a condução do carro algo quase impossível.

O AESC indica a bateria do LEAF como sendo de 360VCC nominais, todavia, uma bateria nova, plenamente carregada, pode chegar, de fato, até algo bem próximo de 400VCC.

O desenho do LEAF posiciona a bateria, que é a parte mais pesada de qualquer EV, abaixo dos assentos e sob o espaço para os pés do assento traseiro, mantendo o centro de gravidade tão baixo quanto possível e aumentando a rigidez estrutural em comparação com um cinco portas convencional.


Na suas novas instalações industriais em Smyrna, no estado norte-americano do Tennessee, desde 2010, a Nissan anunciou ser capaz de uma produção de 150.000 unidades do veículo Nissan LEAF, bem como de 200.000 unidades do pacote de bateria (a partir de 2012).

Segundo a Nissan, a bateria deverá reter ainda um mínimo de 70% de sua capacidade depois de 10 anos, mas alerta que sua vida útil real dependerá de quantas vezes o carregamento CC rápido (480 VCC) for usado e também do padrão de condução e de fatores ambientais.

A Nissan informa que a bateria perderá a capacidade gradualmente ao longo do tempo, mas que espera uma vida útil de mais de 10 anos em uso normal.

Bateria do LEAF é garantida pela Nissan, para o mercado norte americano, por oito anos ou 100.000 milhas (161.000 km).

Pacote da Baterias Principal do Nissan LEAF Fechado em seu invólucro


Vista do interior do Pacote de Bateria do Nissan Leaf

A Nissan recomenda aos proprietários as seguintes ações preventivas para ajudar a maximizar a vida útil da bateria Lítio-íon e sua capacidade de reter a carga:
  • Evite expor um veículo a temperaturas superiores a 120°F (49°C) durante mais de 24 horas;
  • Evite o armazenamento de um veículo em temperaturas inferiores a -13°F (-25°C) durante mais de 7 dias;
  • Evite exceder mais que 80% da carga quando feita frequentemente (mais de uma vez por semana) por carga rápida ou ultra rápida;
  • Permita que a carga da bateria caia abaixo de 70% antes de carregar;
  • Evite deixar o veículo por mais de 14 dias em que o indicador de estado da carga Lítio-íon disponível atinja um valor zero ou próximo de zero.
Além da bateria principal, o LEAF também tem uma bateria auxiliar de 12 volts de chumbo ácido que fornece energia para os sistemas do carro de computadores e acessórios, tais como o sistema de áudio, sistemas de retenção suplementar, os faróis e limpa para-brisas.

O pequeno painel solar no junto ao spoiler traseiro do LEAF (nos Estados Unidos, só vem na versão com acabamento SL) ajuda a recarregar essa bateria extra em 12VCC.

Ligações:

Baterias de Íons de Lítio – Tecnologias e Bases de Custos (Parte 1/3)




2 comentários:

  1. Capacidade e tensão da bateria do Leaf?

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    1. A bateria de Íons de Lítio (Li-ion) do Nissan LEAF era de capacidade 24 kW·h (desde o seu lançamento até 2012). Depois a Nissan conseguiu que o LEAF tivesse dois aumentos de autonomia, mas sem ela declarar qualquer aumento da capacidade da bateria (o que foi algo estranho). Isso foi assim, até o final de 2014. Depois, eu não sei mais.

      O AESC indicava a bateria do LEAF como sendo de 360 VCC nominais, todavia, uma bateria nova, plenamente carregada, pode chegar, de fato, até algo bem próximo de 400 VCC. Essa informação também é válida, apenas, até 2014.

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Este trabalho de André Luis Lenz, foi licenciado com uma Licença Creative Commons - Atribuição - NãoComercial - CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada.