PT2394325E - Processo de gestão térmica de uma bateria elétrica - Google Patents

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Description

1
DESCRIÇÃO "PROCESSO DE GESTÃO TÉRMICA DE UMA BATERIA ELÉTRICA" A presente invenção refere-se a um processo de gestão térmica de uma bateria elétrica que é, nomeadamente, destinada à tração de um veículo automóvel elétrico ou híbrido, ou seja, compreendendo um motor elétrico de acionamento das rodas motrizes, combinado com um motor térmico de acionamento das referidas rodas, ou eventualmente de outras rodas motrizes.
Em particular, a invenção aplica-se para um alto grau de hibridização dos veículos térmicos, que pode ir até uma eletrificação completa da cadeia de tração. Neste caso, as baterias não servem já unicamente para assistir aos veículos nas fases de aceleração, mas também para assegurar a deslocação do veículo de forma autónoma em distâncias mais ou menos consideráveis. A bateria elétrica pode também ter aplicações noutros domínios técnicos, por exemplo, para a armazenagem de energia elétrica noutros modos de transporte, nomeadamente em aeronáutica. Por outro lado, em aplicações estacionárias, tais como para os aerogeradores, a gestão térmica de uma bateria de acordo com a invenção pode ser também utilizada de forma vantajosa.
Para garantir o nível de potência e/ou de energia requeridos para as aplicações consideradas, é necessário criar baterias que contenham uma série de elementos geradores de energia elétrica, que possam ser montados em série. 2
Os elementos geradores compreendem classicamente pelo menos uma célula eletroquímica, por exemplo, de tipo lítio-ião ou de tipo lítio-polímero, que é formada por um empilhamento de camadas eletricamente ativas que agem sucessivamente como cátodos e ânodos, sendo as referidas camadas postas em contacto por intermédio de um eletrólito.
No entanto, quando estes elementos são carregados e descarregados, resulta daí uma produção de calor que, quando não é controlada, pode ter como efeito diminuir a duração de vida dos elementos, ou mesmo dar lugar a condições extremas, a riscos de embalagem térmica para certas composições químicas de células, conduzindo à deterioração da bateria.
Deste modo, para otimizar a segurança, os desempenhos e a duração de vida das baterias, são integrados nas baterias sistemas de condicionamento térmico dos elementos, de forma a manter a temperatura da referida bateria numa margem de temperatura ótima.
Por outro lado, na aplicação no automóvel prevista, a eficácia destes sistemas deve ser grande, uma vez que os picos de dissipação térmica são função das densidades de corrente e das suas variações, que podem atingir valores muito elevados, nomeadamente durante fases de acelerações fortes, de travagens regenerativas, de recargas rápidas da bateria ou de funcionamento em autoestrada no modo elétrico. Por outro lado, as baterias de grande energia, que utilizam elementos espessos, cuja relação entre as superfícies de trocas térmicas e o volume que produz o calor é reduzida, devem, por esta razão, ser arrefecidas de modo particularmente eficiente. 3
Em particular, os sistemas de condicionamento térmico podem compreender uma câmara formada essencialmente em torno dos elementos geradores, na qual circula um fluido de trocas térmicas com os referidos elementos. Por outro lado, para assegurar o condicionamento térmico, os sistemas conhecidos compreendem um dispositivo de reaquecimento e/ou um dispositivo de arrefecimento do fluido em circulação. Deste modo, condicionando-se termicamente o fluido e fazendo-se circular um fluxo continuo do referido fluido em torno dos elementos, pode ser realizado o condicionamento térmico da bateria.
No entanto, esta estratégia de gestão térmica conduz ao aparecimento de um gradiente térmico no seio dos elementos, cuja amplitude é elevada nas baterias de grande energia, visto que depende, entre outros: da diferença de temperaturas entre o fluido e os elementos; da espessura dos elementos; das propriedades de condução térmica entre o conjunto dos elementos e o fluido; da potência térmica libertada pelos elementos em utilização.
Quando se torna demasiado elevado, este gradiente de temperatura provoca um desequilíbrio térmico dos elementos, que cria um risco para a segurança e a duração de vida da bateria. Com efeito, as capacidades e resistências internas locais no interior dos elementos dependem da temperatura local destes. A eletroquímica dos elementos pode pois ser solicitada de forma diferente, podendo uma sobres-solicitação local conduzir a uma aceleração dos fenómenos de envelhecimento. 4
Por outro lado, o condicionamento térmico da bateria consome uma parte importante da energia elétrica a bordo do veiculo. Este acréscimo de consumo energético origina uma perda de autonomia dos veículos elétricos. Para conservar a autonomia visada pela aplicação, pode ser necessário compensar este acréscimo de consumo por meio de um sobredimensionamento da bateria, o que não é rentável de um ponto de vista puramente económico.
Por outro lado, os elementos de bateria de lítio-ião de alta densidade energética apresentam resistências internas que são muito sensíveis à temperatura. Esta particularidade faz com que, se se pretender preservar a autonomia e o desempenho das baterias para veículos elétricos no tempo frio, torna-se necessário reaquecê-los por meio de um sistema de condicionamento térmico. Este reaquecimento pode ser também uma fonte de consumo de energia nas fases de rolagem.
Por fim, o aumento do tamanho dos elementos para se obter uma bateria de grande densidade energética, pode ser vista como uma colocação em paralelo de vários empilhamentos eletroativos elementares. No caso de grandes chamadas de energia, e tomando a corrente, de preferência, o trajeto menos resistivo, o equilíbrio das resistências entre cada ramo elementar colocado em paralelo torna-se primordial.
Estas diferenças de resistências internas podem gerar uma sobreconcentração local de corrente, que provoca uma queda de potencial no seio de um elemento. Não podendo esta queda ser detetada por uma medição da tensão global do elemento, resulta daqui um risco de franquear localmente um limiar de tensão "perigoso" para a eletroquímica do referido elemento. 5 0 documento JP 09019074 A descreve um processo de gestão térmica que permite manter uma bateria numa margem de funcionamento de temperatura determinada. Os documentos EP 1876051 e US 2008/0311466 AI descrevem igualmente um processo de gestão térmica de uma bateria elétrica. A invenção tem como objetivo resolver os problemas da técnica anterior, propondo nomeadamente um processo de gestão térmica de uma bateria, que permite limitar o consumo elétrico necessário ao seu condicionamento térmico de forma a aumentar a sua autonomia, preservando ao mesmo tempo a sua duração de vida, assim como a sua segurança de funcionamento.
Para este efeito, a invenção propõe um processo de gestão térmica de uma bateria elétrica, que compreende uma série de elementos geradores de energia elétrica, prevendo o referido processo, aquando da recarga da bateria numa fonte externa de eletricidade, pré-condicionar a referida bateria a uma temperatura média T0 e, aquando da utilização da referida bateria, determinar o valor absoluto ΔΤ2 da diferença entre a temperatura T0 e a temperatura média T da referida bateria, prevendo o referido processo a ativação de um dispositivo de condicionamento térmico da referida bateria quando a diferença Δτ2 é superior a um valor de referência C2, sendo o referido valor de referência estabelecido em função do estado de carga SOC da referida bateria.
Outras particularidades e vantagens da invenção surgirão na descrição que se segue, feita com referência à figura anexa, que representa uma arquitetura para a realização de um processo de gestão térmica de uma bateria elétrica, de acordo com um modo de realização da invenção. 6 0 processo permite a gestão térmica de uma bateria elétrica 1, entendendo-se a referida gestão tanto em fornecimento como em remoção de calorias, de forma a manter a bateria 1 numa margem de funcionamento de temperatura que é ótima. Em particular, o processo permite assegurar rápida e eficazmente um fornecimento ou uma remoção de calorias na bateria 1, de forma a assegurar a regulação térmica, quaisquer que sejam as condições de utilização. A bateria 1 compreende uma série de elementos 2 geradores de energia elétrica. Em particular, os elementos 2 compreendem pelo menos uma célula eletroquímica, por exemplo, do tipo litio-ião ou litio-polimero.
Cada célula é formada por um empilhamento de camadas eletricamente ativas que agem sucessivamente como cátodos e ânodos, sendo as referidas camadas postas em contacto por intermédio de um eletrólito. As camadas podem ser condicionadas num invólucro macio. Numa variante, podem ser condicionadas num recipiente rígido.
Num exemplo de realização, os elementos 2 são formados, cada um, por duas células eletroquímicas montadas eletricamente em paralelo. Por outro lado, a bateria 1 compreende uma série de módulos que são formados por vários elementos 2 montados eletricamente em série, sendo os referidos módulos montados também eletricamente em série.
De acordo com uma forma de realização, o processo prevê a utilização de um sistema de condicionamento térmico, compreendendo uma câmara que contém um fluido de trocas térmicas com os elementos 2, estendendo-se a referida câmara essencialmente em torno dos referidos elementos, para assegurar as trocas térmicas ao nível da sua parede. 0 7 fluido pode ser um gás, nomeadamente o ar, ou um líquido, nomeadamente um líquido dielétrico de baixa tensão de vapor, ou água, eventualmente glicolada.
Em relação com a figura, a câmara compreende invólucros 3, que são formados, cada um, em torno de um elemento 2, sendo os referidos invólucros alimentados com fluido por um circuito fechado. Por outro lado, o sistema de condicionamento compreende um dispositivo para pôr em circulação fluido na câmara, que, na figura, é formado por uma bomba 4. Mais precisamente, o circuito apresenta uma parte a montante 5 e uma parte a jusante 6, entre as quais o fluido pode circular através dos invólucros 3, compreendendo igualmente, o referido circuito, um vaso de expansão 7.
Em particular, os invólucros 3 permitem assegurar um condicionamento térmico em paralelo de cada um dos elementos 2, ou seja, o fluido que percorre um invólucro 3 é proveniente diretamente da parte a montante 5, sem ter percorrido previamente um outro invólucro 3. Resulta pois, daqui, uma excelente homogeneidade térmica, evitando a acumulação de calor ligado a uma sucessão de trocas térmicas com os elementos 2.
Para assegurar o condicionamento térmico, o sistema compreende igualmente, pelo menos, um dispositivo de condicionamento térmico do referido fluido. 0 circuito representado integra um dispositivo de reaquecimento do fluido, por exemplo, sob a forma de um aquecedor de imersão 8, assim como um dispositivo de arrefecimento do fluido. Em particular, o dispositivo de arrefecimento compreende um permutador térmico 9 com o exterior ou com um circuito fechado frio, nomeadamente equipado com um ventilador 10.
Numa variante, não representada, os dispositivos de arrefecimento e de reaquecimento podem ser integrados num mesmo permutador, por exemplo, ar-ar, água-água ou ar-água, capaz de arrefecer ou de reaquecer o fluido em função das necessidades. 0 processo prevê, aquando da recarga da bateria 1 numa fonte elétrica externa, pré-condicionar a referida bateria a uma temperatura média T0. Em particular, esta temperatura de pré-condicionamento pode ser prevista, nomeadamente, em função da estação, para assegurar um funcionamento ótimo da bateria 1, por exemplo, sendo estabelecida entre 15 e 30°C para uma eletroquimica à base de litio. Deste modo, qualquer que seja a temperatura ambiente, nomeadamente em função da estação, o funcionamento da bateria 1 pode ser otimizado desde o inicio da sua utilização.
Por outro lado, este pré-condicionamento permite que a autonomia da bateria 1 não seja afetada, visto que a energia necessária é consumida da fonte externa, nomeadamente da rede elétrica à qual a bateria 1 é ligada aquando da sua recarga.
Por sua vez, durante o pré-condicionamento térmico da bateria 1, o dispositivo de circulação 4, isolado ou respetivamente em associação com um dos dispositivos de condicionamento térmico 8, 9, pode ser ativado, a fim de manter ou, respetivamente, atingir, a temperatura T0 de pré-condicionamento de forma homogénea em toda a bateria 1.
Durante a utilização da bateria 1, o processo prevê várias etapas iterativas que são realizadas com uma frequência suficiente para assegurar um bom condicionamento térmico da bateria 1 relativamente à sua autonomia, à sua duração de vida, assim como à sua segurança. 9 0 processo prevê a determinação do valor absoluto Δτ2 da diferença entre a temperatura T0 e a temperatura média T da bateria 1. Para determinar a temperatura média da bateria 1, o sistema de condicionamento pode compreender vários sensores 11 de medição da temperatura do fluido. 0 modo de realização representado prevê sensores 11 de temperatura respetivamente à entrada da parte a montante 5, à saida da parte a jusante 6, e a jusante do dispositivo de arrefecimento 9.
Em seguida, o processo prevê controlar-se especificamente um dispositivo de condicionamento em função da diferença Δτ2 determinada. Em particular, é ativado um dispositivo de condicionamento térmico quando a diferença ΔΤ2 é superior a um valor de referência C2. 0 processo permite, deste modo, economizar o consumo elétrico dos dispositivos de condicionamento 8, 9, quando a diferença Δτ2 for inferior ao valor de referência C2. Por consequência, o valor de referência C2 é estabelecido de forma que não seja necessário qualquer condicionamento térmico, desde que não seja excedida a diferença Δτ2. É assim garantida a segurança da bateria 1 contra uma temperatura de funcionamento demasiado alta ou demasiado baixa, e unicamente quando este cenário surge, a fim de limitar o consumo elétrico necessário ao condicionamento térmico.
Em particular, se a diferença ΔΤ2 for superior ao valor de referência C2, o processo prevê a ativação do dispositivo de reaquecimento 8 — ou respetivamente, de arrefecimento 9 — quando a temperatura T for inferior — ou, respetivamente, superior — à temperatura T0. De acordo com uma forma de 10 realização, o valor de referência C2 apresenta um primeiro valor C2c, para além do qual o dispositivo de reaquecimento 8 é ativado, e um segundo valor C2f, para além do qual o dispositivo de arrefecimento 9 é ativado.
No modo de realização representado, a desativação — respetivamente, a ativação — do dispositivo de arrefecimento 9 é realizada por shuntagem — ou, respetivamente, alimentação — da circulação do fluido no permutador 9.
Para este efeito, o circuito apresenta um circuito primário 12, equipado com uma primeira válvula 13, sendo que o referido circuito primário liga a bateria 1 ao dispositivo de reaquecimento 8, e um circuito secundário 14, equipado com uma segunda válvula 15, sendo que o circuito secundário ligando o referido circuito primário ao permutador 9. Deste modo, o acionamento seletivo das válvulas 13, 15 permite a shuntagem ou alimentação da circulação do fluido no permutador 9.
Para melhorar a duração de vida da bateria 1 e limitar o consumo elétrico necessário ao seu condicionamento térmico, o processo prevê, por outro lado, que o valor de referência C2 seja estabelecido em função do estado de carga SOC da bateria 1.
Em particular, a lei de estabelecimento do valor de referência C2 é decrescente em função do estado de carga SOC. Com efeito, os elementos são tanto menos sensíveis ao envelhecimento térmico, quanto menor for o seu estado de carga.
De acordo com uma forma de realização, a lei de estabelecimento pode ser escrita sob a forma: 11 C2 = C0 - a(SOC) - b(SOC)2, variando SOC entre 0 e 1 em função do estado de carga da bateria 1, sendo a e b parâmetros estabelecidos em função das características da bateria 1, sendo C0 um valor de referência máximo.
Em particular, o valor de referência máximo C0 pode ser igual ou da ordem de a + b. Assim, para um SOC máximo, o valor de referência C2 é próximo de zero, de forma a preservar os elementos 2 contra qualquer envelhecimento térmico quando a sua carga é máxima. Por exemplo, b pode ser da ordem do dobro de a, nomeadamente utilizando a = 5 e b = 10. O processo descrito prevê, por outro lado, a determinação da diferença ΔΤι entre as temperaturas do elemento 2 mais quente e do elemento 2 mais frio. Para este efeito, pode ser previsto um sensor de temperatura para medir a temperatura diretamente sobre o elemento 2, nomeadamente sobre os contatos do referido elemento. Numa variante, as diferenças de temperatura ΔΤι e/ou ΔΤ2 podem ser determinadas de forma indireta, por meio de um parâmetro de funcionamento da bateria 1, nomeadamente por análise da intensidade da corrente que é fornecida pela referida bateria.
Em seguida, o processo prevê controlar concretamente o sistema de condicionamento em função das diferenças ΔΤι, ΔΤ2 determinadas. Deste modo, quando a diferença ΔΤι é inferior a um valor de referência Ci, o processo prevê a desativação do dispositivo de colocação em circulação 4, assim como dos dispositivos de condicionamento térmico 8, 9. Tipicamente, o valor de referência C2 pode ser 12 estabelecido entre 2 e 5 °C, sem impacto sobre o bom funcionamento da bateria 1.
Deste modo, com base na inércia térmica da bateria 1, nomeadamente em virtude da grande quantidade de fluido contida na câmara, o condicionamento térmico é assegurado sem consumir energia elétrica da referida bateria. Por outro lado, a invenção evita a utilização de um fluxo continuo de fluido condicionado termicamente, de forma a limitar a criação de um gradiente térmico entre as paredes e o interior dos referidos elementos.
No entanto, quando a diferença ΔΤχ for superior ao valor de referência Ci, o processo prevê a ativação do dispositivo 4 de colocação em circulação do fluido, mantendo desativados os dispositivos de condicionamento térmico 8, 9 se a diferença Δτ2 for inferior ao valor de referência C2. Em particular, a ativação do dispositivo de colocação em circulação 4 e/ou a ativação do dispositivo de condicionamento térmico 8, 9 pode corresponder a um funcionamento dos referidos dispositivos segundo um valor de referência pré-definido, ou a uma subordinação do referido funcionamento em função das diferenças ΔΤι e/ou Δτ2.
Deste modo, mesmo quando a diferença Δτ2 é inferior ao valor de referência C2, o processo permite assegurar a homogeneização da temperatura entre os elementos 2. Por outro lado, esta homogeneização sem condicionamento térmico do fluido limita o gradiente térmico entre o referido fluido e os elementos 2, assim como no interior dos próprios elementos 2. 13 0 valor da temperatura T0 de pré-condicionamento, assim como os valores dos valores de referência Ci, C2, podem ser estabelecidos por programação no algoritmo da gestão térmica da bateria 1, sendo os referidos valores ajustados em função das caracteristicas da bateria 1 e/ou das suas condições climáticas de utilização.
Lisboa,

Claims (11)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo de gestão térmica de uma bateria elétrica (1), que compreende uma série de elementos (2) geradores de energia elétrica, prevendo o referido processo, aquando da recarga da bateria (1) numa fonte externa de eletricidade, pré-condicionar a referida bateria a uma temperatura média T0 e, aquando da utilização da referida bateria, determinar o valor absoluto Δτ2 da diferença entre a temperatura T0 e a temperatura média T da referida bateria, prevendo o referido processo a ativação de um dispositivo de condicionamento térmico da referida bateria quando a diferença Δτ2 for superior a um valor de referência C2, sendo o referido valor de referência estabelecido em função do estado de carga SOC da referida bateria.
2. Processo de gestão térmica, de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por a lei de estabelecimento do valor de referência c2 ser decrescente em função do estado de carga SOC.
3. Processo de gestão térmica, de acordo com a reivindicação 2, caraterizado por a lei de estabelecimento ser escrita sob a forma: C2 = Co - a (SOC) - b(SOC)2, variando SOC entre 0 e 1 em função do estado de carga da bateria(1), sendo a e b parâmetros estabelecidos em função das características da bateria (1), sendo C0 um valor de referência máximo. 2
4. Processo de gestão térmica, de acordo com a reivindicação 3, caraterizado por o valor de referência máximo C0 ser igual ou da ordem de a + b.
5. Processo de gestão térmica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caraterizado por prever, no caso em que a diferença Δτ2 é superior ao valor de referência C2, a ativação de um dispositivo de reaquecimento (8) — respetivamente, de arrefecimento (9) — quando a temperatura T for inferior — respetivamente, superior — à temperatura To.
6. Processo de gestão térmica, de acordo com a reivindicação 5, caraterizado por o valor pré-definido C2 apresentar um primeiro valor C2c, para além do qual o dispositivo de reaquecimento (8) é ativado, e um segundo valor C2f, para além do qual o dispositivo de arrefecimento (9) é ativado.
7. Processo de gestão térmica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caraterizado por a temperatura T0 de pré-condicionamento ser estabelecida entre 15 e 30 °C.
8. Processo de gestão térmica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caraterizado por prever a utilização de um sistema de condicionamento térmico, compreendendo uma câmara que contém um fluido de trocas térmicas com os referidos elementos, compreendendo o referido sistema, adicionalmente, um dispositivo de colocação em circulação do referido fluido na referida câmara e pelo menos um dispositivo de condicionamento térmico do referido fluido. 3
9. Processo de gestão térmica, de acordo com a reivindicação 8, caraterizado por a temperatura do fluido ser medida para determinar a temperatura média T da bateria (1).
10. Processo de gestão térmica, de acordo com as reivindicações 8 ou 9, caraterizado por prever, adicionalmente, durante a utilização da bateria (1), a determinação da diferença ΔΤι entre as temperaturas do elemento (2) mais quente e do elemento (2) mais frio, e: quando a diferença ΔΤι for inferior a um valor de referência Ci, desativar o dispositivo de colocação em circulação (4), assim como o ou os dispositivos de condicionamento térmico (8, 9) ; quando a diferença ΔΤι for superior ao valor de referência Ci, desativar o dispositivo de colocação em circulação (4) do fluido, mantendo desativado ou desativados o ou os dispositivos de condicionamento térmico (8, 9) se a diferença Δτ2 for ao valor de referência C2.
11. Processo de gestão térmica, de acordo com a reivindicação 10, caraterizado por o valor de referência Ci ser estabelecido entre 2 e 5 °C. Lisboa,
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