Sistema de refrigeração direta supera o líquido em baterias de VE
A busca por uma gestão térmica mais eficiente para baterias de veículos elétricos (VE) está no centro da corrida para melhorar a autonomia, a segurança e a vida útil dos pacotes de células de íons de lítio. Enquanto a indústria automotiva global adota a eletrificação, os limites dos sistemas tradicionais de refrigeração por líquido, que utilizam um circuito secundário com água e glicol, tornam-se cada vez mais evidentes, especialmente em cenários de carga rápida ou descarga de alta potência. Uma nova pesquisa da Universidade de Jiangsu desafia o status quo, demonstrando que um sistema de refrigeração direta com o próprio refrigerante do ar-condicionado do veículo não apenas é viável, mas oferece um desempenho térmico superior ao da refrigeração líquida em condições operacionais exigentes.
Liderado pelo professor Chunxian Shan e pelo pesquisador Peng Yang da Escola de Engenharia Energética e de Potência da Universidade de Jiangsu, o estudo apresenta uma solução inovadora de gerenciamento térmico para módulos de baterias. Em vez de depender de um circuito adicional de fluido refrigerante, o sistema proposto utiliza diretamente o refrigerante R134a do sistema de ar-condicionado do veículo, canalizando-o através de uma placa fria do tipo acordeão posicionada diretamente sob as células da bateria. Essa abordagem elimina a necessidade de bombas, reservatórios e tubulações extras, simplificando o sistema e melhorando sua eficiência. O núcleo da inovação está na utilização do calor latente de vaporização. Enquanto a refrigeração por líquido depende apenas da transferência de calor sensível (aumento da temperatura do fluido), a refrigeração direta aproveita o processo de mudança de fase, onde o refrigerante líquido evapora em vapor ao absorver calor da bateria. Esse processo de vaporização absorve uma quantidade massiva de calor por unidade de massa, tornando-o muito mais eficaz do que um simples aumento de temperatura.
O objetivo principal do estudo, publicado na revista Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), foi comparar rigorosamente o desempenho da refrigeração direta com o da refrigeração líquida em condições idênticas. Para garantir uma avaliação justa, os pesquisadores utilizaram o mesmo módulo de bateria, composto por 16 células de fosfato de ferro e lítio (LFP) em uma configuração 8S2P, e a mesma geometria da placa fria. A única variável era o fluido refrigerante: R134a para o sistema direto e água para o sistema líquido. Ambos os fluidos entraram na placa fria à mesma temperatura de entrada de 16,00 °C. Para tornar o teste ainda mais rigoroso, a vazão de água (0,53 g/s) foi aproximadamente o dobro da vazão do refrigerante (0,25 g/s), conferindo uma vantagem teórica ao sistema líquido.
Os resultados foram conclusivos. Durante um ciclo de descarga de 2,0C — um cenário que simula uma aceleração agressiva ou uma carga rápida, gerando calor significativo — o sistema de refrigeração direta manteve a temperatura média do pacote de baterias abaixo do limite crítico de 40,00 °C, atingindo um máximo de 39,60 °C. Em contraste, o sistema de refrigeração líquida superou esse limite, atingindo uma temperatura média de 42,22 °C. Essa diferença de 2,62 °C, alcançada com metade da vazão de refrigerante, é uma prova direta da eficácia superior do calor latente de vaporização. A capacidade do refrigerante de absorver calor durante a mudança de fase é simplesmente muito maior do que a capacidade do líquido de transportar calor apenas por aumento de temperatura.
Além da comparação direta, o estudo aprofundou-se nos parâmetros-chave que governam o desempenho do sistema de refrigeração direta, fornecendo um roteiro para sua otimização em aplicações do mundo real. Um dos fatores mais influentes identificados foi a velocidade do compressor. O compressor de parafuso elétrico, o coração do sistema, opera entre 2.000 e 6.000 rpm. À medida que a velocidade do compressor aumenta, a vazão mássica de refrigerante aumenta e a pressão de evaporação diminui, o que por sua vez reduz a temperatura de evaporação. Os experimentos demonstraram que a uma velocidade de 3.500 rpm, o sistema alcança um controle térmico excepcional. Mesmo sob uma descarga contínua de 2,0C, a temperatura média do pacote permanece abaixo de 40,00 °C, o que é fundamental para permitir operações de alta potência sem comprometer a saúde da bateria.
No entanto, o estudo também revelou um compromisso inerente. Embora uma velocidade mais alta do compressor melhore o resfriamento geral, ela também aumenta o gradiente de temperatura dentro das células individuais. O resfriamento intenso na base da célula, onde está localizada a placa fria, cria um perfil térmico vertical mais acentuado. As seções superior e média da célula, onde o calor é gerado principalmente nos terminais dos eletrodos, permanecem relativamente mais quentes, resultando em uma diferença de temperatura interna maior. Esse achado enfatiza um desafio fundamental no gerenciamento térmico de baterias: otimizar a temperatura média não garante necessariamente uma distribuição uniforme. As baterias de íons de lítio funcionam melhor quando a diferença de temperatura dentro do pacote é mantida abaixo de 5,00 °C, pois gradientes excessivos podem levar ao envelhecimento desigual, à redução da capacidade e a um risco aumentado de falha. No sistema de refrigeração direta testado, a diferença de temperatura dentro do pacote permaneceu dentro dos limites aceitáveis na maioria das condições, mas excedeu os 5,00 °C durante descargas de alta taxa em velocidades mais baixas do compressor.
Outro parâmetro crítico explorado foi a abertura de uma válvula de controle na linha de refrigerante. Ao ajustar essa válvula, os pesquisadores puderam variar a vazão mássica de refrigerante de 0 a 0,70 g/s e alcançar temperaturas de evaporação tão baixas quanto 5,20 °C. Aumentar a abertura da válvula melhorou o desempenho de refrigeração, permitindo que mais refrigerante fluísse pela placa fria, reduzindo assim a temperatura média da bateria. No entanto, semelhante ao efeito da velocidade do compressor, essa melhoria veio com um custo: um aumento na não uniformidade térmica. Com uma abertura de válvula de 11,2%, a diferença de temperatura dentro do pacote atingiu 9,30 °C. O mais revelador foi que, sob condições de alta não uniformidade, a diferença de temperatura dentro das células individuais representou até 88% da diferença total do pacote. Esse achado é crucial, pois indica que o maior desafio para a uniformidade térmica não é a variação entre células, mas a gestão do gradiente térmico dentro de cada célula. Isso sugere que os futuros designs devem focar não apenas na remoção de calor do conjunto, mas também na otimização da geometria da célula e na distribuição do calor interno.
Do ponto de vista de integração do sistema, a abordagem de refrigeração direta oferece vantagens substanciais. Ao compartilhar o circuito de refrigerante com o sistema de ar-condicionado da cabine, elimina a necessidade de um circuito de refrigeração líquida separado, reduzindo assim a complexidade, o peso, o custo e os pontos de falha potenciais. Essa integração também abre portas para estratégias avançadas de gerenciamento térmico, como o uso do calor residual da bateria para auxiliar no aquecimento da cabine em climas frios, melhorando assim a eficiência geral do veículo.
No entanto, a tecnologia não está isenta de desafios. O controle preciso do fluxo e da pressão do refrigerante é essencial para evitar problemas como arraste de líquido ou refrigeração insuficiente. Os pesquisadores observaram uma zona de acúmulo de líquido na saída da placa fria de microcanais, o que causou quedas de temperatura anômalas nas células a jusante, indicando a necessidade de um design de distribuição de fluxo aprimorado. Além disso, o uso de refrigerantes como o R134a, embora eficaz, levanta preocupações ambientais devido ao seu potencial de aquecimento global (GWP). Futuras iterações do sistema podem se beneficiar da adoção de refrigerantes de próxima geração com baixo GWP.
A metodologia experimental empregada neste estudo é notável por seu foco no comportamento real de descarga da bateria, em vez de fontes de calor simuladas. Muitos estudos anteriores dependeram de aquecedores elétricos para simular a geração de calor da bateria, o que não capta a resposta térmica dinâmica dos processos eletroquímicos reais. Ao testar com um pacote de bateria real sob condições de descarga controladas, a equipe da Universidade de Jiangsu forneceu informações mais precisas e aplicáveis sobre o desempenho dos sistemas de refrigeração direta.
As implicações dessa pesquisa são significativas para os fabricantes de veículos elétricos que buscam melhorar o desempenho, a segurança e a longevidade de suas baterias. À medida que a infraestrutura de carga rápida se expande e os consumidores exigem tempos de carregamento mais curtos, a capacidade de gerenciar altas cargas térmicas se tornará cada vez mais importante. A refrigeração direta com refrigerante, com sua capacidade superior de remoção de calor e seus benefícios de integração do sistema, representa um caminho promissor.
Além disso, as descobertas contribuem para um corpo crescente de evidências que apoia a transição da refrigeração líquida para a refrigeração baseada em mudança de fase em aplicações de alto desempenho. Embora a refrigeração líquida ainda seja adequada para muitos veículos elétricos atuais, a próxima geração de veículos, particularmente aqueles voltados para carregamento ultrarrápido e operação de alta potência, pode exigir soluções térmicas mais avançadas. O trabalho de Shan, Yang e seus colegas fornece uma base experimental sólida para tais desenvolvimentos.
Em conclusão, a pesquisa demonstra que a refrigeração direta com refrigerante não é apenas viável, mas superior à refrigeração líquida convencional no gerenciamento da temperatura média de pacotes de baterias de veículos elétricos sob altas cargas térmicas. Parâmetros-chave como a velocidade do compressor e a abertura da válvula oferecem meios eficazes de controle, embora devam ser cuidadosamente equilibrados para evitar gradientes térmicos excessivos. A integração do resfriamento da bateria com o sistema de climatização do veículo apresenta uma oportunidade convincente para simplificar a arquitetura térmica e melhorar a eficiência geral. À medida que a indústria automotiva continua a expandir os limites da tecnologia de baterias, as inovações no gerenciamento térmico desempenharão um papel crucial para desbloquear todo o potencial da mobilidade elétrica.
Chunxian Shan, Peng Yang, Aikun Tang, Dengfu Xia, Escola de Engenharia Energética e de Potência, Universidade de Jiangsu. Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), DOI: 10.3969/j.issn.1671-7775.2024.01.005