Por Jake Sanders, Gerente de desenvolvimento de produto, Donaldson Integrated Venting Solutions
Com o crescimento dos veículos elétricos e híbridos, as baterias de íons de lítio estão desempenhando um papel cada vez mais crítico no mundo automotivo. As baterias recarregáveis oferecem um alto volume de taxa de energia por unidade e podem ser dispostas eficientemente em pacotes para alimentar veículos. Ao contrário das baterias menores de íons de lítio usadas em eletrodomésticos, as baterias automotivas de íons de lítio precisam de proteção robusta contra condições externas adversas, juntamente com ventilação adequada contra flutuações de temperatura e pressão.
A ventilação de duplo estágio de proteção de invólucro provou ser eficaz para atender às necessidades das baterias automotivas. A primeira etapa equaliza a pressão ao mesmo tempo em que evita a entrada de água e contaminantes. A segunda etapa de ventilação é totalmente aberta no caso de acúmulo rápido de pressão e calor para permitir a fuga dos gases em expansão, evitando danos adicionais às células restantes. Na maioria dos casos, um único conjunto de ventilação pode desempenhar ambas as funções.
Por que a ventilação de proteção de invólucro é necessária
Normalmente, os invólucros de bateria são carcaças metálicas ou plásticas seladas com o intuito de proteger a bateria contra poeira, detritos e umidade, tais como chuva, neve e jatos de lavagem de carros. Qualquer um desses elementos pode danificar as células da bateria e os componentes eletrônicos auxiliares, de modo que um invólucro eficaz mantém esses materiais potencialmente prejudiciais afastados da bateria. Uma bateria para um veículo elétrico pode ter centenas de células contidas em vários módulos, como mostrado na Figura 1.
Além de manter os contaminantes fora, os invólucros de bateria precisam resistir aos diferenciais de pressão entre o interior do invólucro e a atmosfera ao redor. O diferencial de pressão pode flutuar amplamente durante a operação normal do veículo devido às mudanças de temperatura ambiente, geração de calor nas células e mudanças de pressão atmosférica. Assim como um passageiro de automóvel pode sentir os “ouvidos tampados” enquanto atravessa um terreno montanhoso, os invólucros de bateria sofrem flutuações de pressão semelhantes às mudanças de elevação.
Para evitar o colapso ou comprometimento da carcaça de proteção, os invólucros devem ser ventilados para equalizar as pressões internas e externas, enquanto liberam os gases produzidos em um rápido acúmulo de pressão frequentemente chamado “fuga térmica”. Seja gradual ou repentino, o acúmulo de pressão pode tensionar as vedações, provocando vazamentos e possíveis explosões.
Os efeitos específicos da ventilação podem ser mais bem compreendidos pela análise do interior de uma bateria automotiva de íons de lítio. Uma bateria geralmente consiste de duas seções presas juntas, com uma junta vedando a conexão. Se o invólucro for inadequadamente ventilado, pode-se desenvolver vazamentos após o invólucro apresentar várias pequenas diferenças de pressão. Como, às vezes, os fabricantes de automóveis elétricos oferecem garantias de oito anos, pode-se esperar que os invólucros de bateria durem pelo menos esse tempo. A ventilação adequada reduz o número e a intensidade dos diferenciais de pressão experimentados pelas vedações, prolongando a expectativa de vida útil das vedações e dos invólucros.
Ventilação da primeira etapa
A ventilação da primeira etapa, também chamada de ventilação passiva, normalmente depende de uma ventilação de politetrafluoretileno expandido (ePTFE) para permitir a equalização da pressão, ao mesmo tempo em que impede a entrada de contaminantes no invólucro. As membranas de ePTFE, como as mostradas na Figura 2, parecem opacas a olho nu e oferecem proteção contra entrada de água, poeira, solventes e outros contaminantes. Entretanto, as aberturas submicrônicas na membrana permitem a passagem de gases, equalizando as pressões.
Dependendo do tipo de exposição a contaminantes previsto, as ventilações podem ser projetadas para vários níveis de proteção contra corpos estranhos e/ou umidade. Um invólucro de bateria típico pode ser projetado para fornecer proteção contra poeira, submersão e jato d’água de alta pressão, e suportar água a pressões de até 690 milibares.
A redução dos diferenciais de pressão através da ventilação da primeira etapa pode ser vista na Figura 3. Um invólucro de bateria exposto a um aumento de temperatura de 50 °C em 60 minutos, o que simula aproximadamente um carro ligado em um dia frio e conduzido em alta velocidade, experimentaria diferenciais de pressão de até 180 milibares sem ventilação. Um invólucro com um conjunto de ventilação de 50 mm de diâmetro experimentaria diferenciais de menos de 10 milibares.
Ventilação da segunda etapa
Enquanto a ventilação de primeira etapa lida com as mudanças graduais de pressão, ela pode não ser capaz de lidar com o rápido acúmulo de pressão em um evento de fuga térmica. A ventilação da segunda etapa, também chamada de ventilação ativa, é projetada para resistir a estas situações, com uma ventilação que se abre totalmente para permitir a rápida expansão dos gases de forma controlada, evitando danos adicionais às células restantes, bem como a explosão descontrolada do próprio invólucro.
A ventilação de segunda etapa é frequentemente fornecida com características mecânicas integradas à membrana de ePTFE para permitir uma rápida desgaseificação durante eventos térmicos, quando o gás está se expandindo em um ritmo que o material ePTFE não consegue equilibrar passivamente. Basicamente, a ventilação evita que o invólucro exceda uma pressão que causaria uma falha catastrófica durante um evento de fuga térmica, quando gases e altas temperaturas são gerados rapidamente.
A Figura 4 mostra como um sistema combinado de ventilação passiva e ativa pode evitar a ruptura do invólucro. Um invólucro que se romperia a uma pressão de 1.500 milibares pode ser equipado com um sistema de ventilação ativa que se abre a 500 milibares. O sistema combinado limitaria o diferencial de pressão a aproximadamente 750 milibares, bem abaixo da pressão de ruptura. Sem ventilação, o invólucro se romperia rapidamente.
Para incorporar um ventilador de segunda etapa, os projetistas devem considerar a rapidez com que os gases serão liberados e a que pressão o ventilador se abrirá completamente. A ventilação deve, então, ser projetada para manter a pressão abaixo da pressão explosiva, que é, basicamente, a pressão máxima que o invólucro pode suportar antes de se partir.
Outra consideração de projeto é a pressão na qual o invólucro poderia sofrer deformação plástica, uma mudança irreversível na forma. Isso produz danos indesejáveis ao invólucro, mas não necessariamente problemas de segurança. Em invólucros metálicos, a deformação plástica ocorre a uma pressão muito menor do que a pressão explosiva. Em invólucros plásticos, a deformação plástica ocorre a uma pressão mais próxima à pressão explosiva. Consequentemente, o projeto adequado de ventilação deve levar em conta a diferença de materiais nos invólucros.
Quando ocorrer a fuga térmica, a bateria necessitará de manutenção e/ou substituição. A ventilação de segunda etapa não está focada na longevidade da bateria, mas sim na segurança. Os gases precisam ser ventilados para reduzir o calor, difundindo produtos químicos nocivos gradualmente para evitar nuvens de alta concentração, e evitar estilhaços que poderiam resultar em uma explosão.
Resumo/Conclusão
Como as baterias de íons de lítio fornecem o principal meio de propulsão de veículos elétricos, a importância de uma ventilação adequada torna-se imprescindível. Sistemas de ventilação projetados adequadamente proporcionam proteção contra contaminantes junto com a equalização da pressão durante condições normais de operação, promovendo invólucros e ciclos de vida útil da bateria mais duradouros. No caso raro de a bateria estar em processo de queima e a proteção contra umidade e detritos ser menos importante, o sistema de ventilação também deve ser capaz de proporcionar alívio imediato da pressão, evitando possíveis explosões e outros resultados catastróficos. O uso de sistemas de ventilação de duas etapas é a chave para lidar com uma ampla gama de necessidades de ventilação automotiva.
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