Segurança e desempenho em baterias de alta tensão

Bateria de alta tensão personalizada para um guindaste híbrido de esteiras no mercado de construção. (Foto: Flash Battery)

A crescente participação de modelos eletrificados no mercado de veículos industriais agora se estende a máquinas maiores e com maior potência. O atendimento à crescente demanda de potência dos modelos neste segmento tem sido apoiado por uma série de avanços tecnológicos em baterias de lítio, em particular baterias de lítio de alta tensão.

O quê e o porquê

Em aplicações industriais e fora de estrada, baterias de baixa tensão são comumente definidas como unidades de até 102,4 V nominais. Isso apesar das regulamentações definirem baterias de baixa tensão como 60 V. Baterias de alta tensão começam em 300 V e podem fornecer mais de 800 V.

A Flash Battery explicou que o custo de uma bateria de baixa tensão é menor do que uma solução de alta tensão porque os componentes nos modelos de baixa tensão são fáceis de obter e não precisam de componentes aprimorados necessários para lidar com correntes mais altas, como conectores dedicados ou dispositivos de segurança.

No entanto, uma solução de baixa tensão simplesmente não pode ser adaptada para uso em um sistema de alta potência. Isso se deve, em grande parte, à potência de saída do motor elétrico, que influencia diretamente a escolha da tensão; em aplicações industriais e fora de estrada, motores acima de 20 ou 30 kW precisam de uma tensão mais alta para serem compactos e operarem com eficiência.

A Flash Battery afirmou que alguns fabricantes de equipamentos originais (OEMs) ainda são céticos em relação a soluções de alta tensão, muitas vezes por preocupações com os aspectos de segurança. No entanto, é importante ressaltar que as baterias de alta tensão exigem medidas e protocolos de segurança rigorosos para garantir a segurança do operador e a confiabilidade do sistema.

O Como

Correspondência entre a tensão da bateria e a potência do motor (estas tabelas apresentam parâmetros genéricos como exemplos). (Ilustrações: Bateria Flash)

A Flash Battery desenvolveu recentemente uma bateria de 396,8 V e 420 Ah (166,6 kWh) para um guindaste híbrido sobre esteiras. Dada a alta demanda de energia, a solução exigiu quatro conjuntos de baterias em configuração em série, porém separados em duas áreas diferentes da estrutura. O sistema incluía um sistema de controle integrado utilizando um sistema de intertravamento de alta tensão isolado (HVIL) para atender aos padrões de segurança exigidos por aplicações de alta tensão. O projeto exigiu um estudo mecânico para o posicionamento das baterias dentro da estrutura do veículo.

O projeto foi baseado em três pilares principais: química, montagem inteligente e eletrônica de controle proprietária avançada.

Pacotes de bateria

De acordo com a Flash Battery, a química das células de ferrofosfato de lítio (LFP) é agora considerada a melhor escolha para aplicações industriais, tanto por sua eficiência quanto por sua segurança. Além disso, o LFP tem uma longa vida útil – mais de 4.000 ciclos de carga – além de ser a química mais estável disponível atualmente.

A montagem das células da bateria é outro aspecto importante da segurança. Particularmente preocupante é a capacidade da célula e, consequentemente, o número de células conectadas em paralelo dentro de um conjunto de baterias.

O uso de células de bateria menores inevitavelmente requer mais conexões paralelas dentro do conjunto para atingir a capacidade necessária, mas aumentar o número de conexões aumenta o risco de curto-circuito. Os conjuntos produzidos pela Flash Battery utilizam no máximo quatro células em paralelo: testes demonstraram que o design oferece a solução mais segura.

Chamada de Componentes

Existem outros componentes que desempenham um papel fundamental na segurança de uma bateria de alta tensão. Entre eles, estão fusíveis para interromper a corrente em caso de sobrecarga ou curto-circuito, além de contatores que podem interromper o circuito e limitar os danos aos componentes do sistema.

Os componentes de segurança em uma bateria de alta tensão da Flash Battery, (Imagem: Flash Battery)

Além disso, o sistema de intertravamento de alta tensão utiliza um circuito contínuo de baixa tensão para monitorar a conexão correta de todos os componentes de alta tensão no veículo. Se o sinal HVIL for interrompido, a corrente de alta tensão é imediatamente interrompida.

Quando todos esses são sistemas automatizados, o desconector mecânico de segurança (MSD) é um dispositivo manual ativado durante operações de manutenção para desconectar fisicamente o circuito. Ele também atua como uma camada adicional de segurança em caso de emergência.

Além de todos esses elementos, um pacote de eletrônica de controle inteligente é essencial para fornecer controle completo e contínuo da bateria. Isso ajuda a garantir um desempenho estável ao longo de sua vida útil de ciclos de carga/descarga.

Uma parte fundamental disso é o BMS, que monitora continuamente a temperatura e a voltagem de cada célula da bateria e inicia o protocolo necessário caso haja algum problema de segurança. A importância do BMS é tamanha que a Flash Battery desenvolveu seu próprio BMS, o Flash Balancing System.

A Flash Battery também opera seu Flash Data Center, um sistema remoto que utiliza o poder de processamento da nuvem, aprendizado de máquina e tecnologia de IA para coletar e analisar dados em tempo real dos produtos Flash Battery em operação em todo o mundo. A análise desses dados auxilia na manutenção preditiva para maior longevidade.

O Flash Data Center foi um dos finalistas na categoria Sistema de Controle/Solução de Monitoramento do Ano no Power Progress Summit 2024.

Nota do editor: esta história apareceu pela primeira vez na edição de outubro a dezembro de 2024 da Power Progress International.