Soluções para a indústria dos veículos eléctricos através da monitorização da temperatura das baterias de lítio
INTRODUÇÃO
A indústria dos veículos eléctricos ou VE tem crescido exponencialmente nos últimos anos. Ganhou popularidade devido à alarmante crise das alterações climáticas e à necessidade urgente de encontrar uma alternativa aos actuais veículos movidos a combustível.
À medida que a procura de veículos eléctricos aumentou significativamente, também aumentou a produção e o fabrico de baterias e os desafios associados. Este aumento da produção de veículos eléctricos levou também a numerosas manchetes sobre incêndios de baterias. Estes incidentes não se limitam a pequenas empresas, mas incluem também empresas como a Tata, a TESLA e a OLA. Esta questão está a evoluir muito rapidamente e pode haver várias razões por detrás de todos os incêndios de baterias.
Uma das soluções de alta tecnologia que pode ajudar a reduzir alguns incêndios em baterias é a termografia. Este artigo trata da manutenção preditiva e da investigação de materiais para veículos eléctricos.
Para compreender a aplicação, é necessário compreender primeiro alguns conceitos básicos. Por conseguinte, abordá-los-ei antes de discutir as principais aplicações.
NOÇÕES BÁSICAS SOBRE AS BATERIAS DE IÕES DE LÍTIO
Entre os muitos factores atractivos das baterias de iões de lítio, um dos mais notáveis é a combinação da eletronegatividade do lítio com a sua baixa densidade. Esta combinação é responsável por produzir a maior quantidade de energia eléctrica por unidade de peso entre os elementos sólidos.
Uma pilha de iões de lítio normal contém um ânodo e um cátodo. Normalmente, é utilizado óxido de lítio para o cátodo e um composto de carbono para o ânodo. O movimento interno constante de electrões entre o cátodo e o ânodo cria a famosa bateria recarregável.
Quando um composto que aceita lítio é colocado como cátodo da célula química, os iões de lítio começam a fluir na direção oposta durante o ciclo de carga e descarga. As reacções de oxidação e redução na pilha provocam a carga e a descarga da pilha (fig. 1,2).
Fig. 1 Fonte: Institutos de Investigação da UL
FABRICAÇÃO
1. classificação
As células são normalmente importadas pelos fabricantes da Índia e, para garantir que nenhuma célula defeituosa entre na linha de fabrico, são seleccionadas manualmente, verificando cada célula quanto a deformações visíveis, danos, fugas e gama de resistência interna. Estes factores determinam o estado da célula e garantem a qualidade do produto final.
2. fabrico de uma embalagem
Todas as células são soldadas num pacote numa combinação em série ou em paralelo, dependendo das especificações de produção exigidas. Isto forma a estrutura básica do conjunto de baterias. Durante este processo, o conjunto é verificado manualmente quanto a deformações na soldadura. A força e a resistência internas determinam se o conjunto pode prosseguir na linha de produção.
3. Combinação de conjuntos de baterias
Os conjuntos de baterias são ligados por circuitos e um sistema de controlo. O processo de fabrico de uma bateria de iões de lítio fica assim concluído e é distribuído às empresas que fabricam veículos eléctricos.
4. Ensaios
O produto acabado é submetido a ciclos de carga e descarga. Durante este processo, o comportamento da bateria é monitorizado.
(fig. 3)
Fig. 2: Termografia de uma bateria de iões de lítio
Fig. 3. Nissan, Fábrica de Sunderland, Reino Unido
Fonte : www.greencarreports.com
NOÇÕES BÁSICAS DE TERMOGRAFIA
O princípio da imagem térmica é a radiação infravermelha emitida por um objeto. Esta radiação é invisível ao olho humano, mas pode ser vista utilizando câmaras optimizadas para o seu comprimento de onda específico (fig. 4).
Embora seja possível obter uma estimativa da temperatura de um ponto utilizando termopares, estes só podem fornecer dados de um único ponto de cada vez e necessitam de estar em contacto próximo com o objeto a ser medido. Com as câmaras térmicas é possível ver uma vasta gama desses pontos e monitorizar a temperatura do objeto sem contacto, a uma distância segura e em condições de funcionamento. Estas câmaras térmicas podem medir a temperatura com uma precisão de 0,1 graus Celsius.
A termografia é amplamente utilizada noutros sectores industriais para incêndios e segurança, uma vez que é um método de ensaio e monitorização sem contacto e não destrutivo.
Fig. 4: Espectros electromagnéticos e de infravermelhos
VISÍVEL VS IR
Só é possível ver a assinatura térmica de um objeto quando este atinge uma temperatura de 1.000 graus Celsius. No entanto, uma câmara de infravermelhos pode captar assinaturas térmicas de objectos a uma temperatura tão baixa como -60 graus.
A tecnologia de infravermelhos é acessível na ausência de luz, mas é muito diferente de uma câmara de visão nocturna. Os comprimentos de onda das duas câmaras são diferentes.
Uma câmara de visão nocturna amplifica pequenas quantidades de luz, mas uma câmara de imagem térmica detecta a temperatura emitida pelos objectos. As câmaras de imagem térmica podem ser utilizadas na escuridão absoluta.
Fig. 5: Um leão em infravermelhos vs. visão nocturna
ALGUMAS CARACTERÍSTICAS
Esta tecnologia tem algumas limitações; uma câmara de infravermelhos não consegue ver através do vidro, uma vez que apenas lê as temperaturas da superfície. No entanto, esta tecnologia tem a capacidade de ver através de nevoeiro, plástico fino e uma janela de inspeção por infravermelhos que pode ser instalada em factores para ver através de superfícies. A resolução, o tamanho da lente e o número de detectores determinam a distância que pode ser vista a partir da câmara de infravermelhos.
Fig. 6: Janela de inspeção por infravermelhos
ALGUMAS APLICAÇÕES
As câmaras termográficas são utilizadas ativamente para várias aplicações em diferentes indústrias. Alguns dos exemplos das suas aplicações são:
- Serviços eléctricos para manutenção preditiva
- Indústria do petróleo e do gás, visualização de COV, inspeção de fornos e monitorização de queimadores
- Empresas transformadoras
- Manutenção preventiva
- Seguro de qualidade
- I&D
APLICAÇÕES DA IMAGIOLOGIA TERMOGRÁFICA NA INDÚSTRIA DOS VEÍCULOS ELÉCTRICOS
Soldadura
As células de lítio devem ser soldadas entre si para formar uma bateria. No entanto, se a soldadura não for feita corretamente, podem ocorrer falhas no produto final. A resistência e a potência podem ser afectadas e a longevidade da bateria é diretamente afetada. Normalmente, a soldadura é verificada manualmente pelos trabalhadores da fábrica, o que constitui um método de ensaio destrutivo, podendo a célula partir-se. Um método não destrutivo e sem contacto para verificar a junta de soldadura é a utilização de imagens térmicas. Podemos detetar facilmente uma junta mal soldada devido à temperatura ligeiramente diferente apresentada pela sua costura. Uma costura irregular ou uma temperatura ligeiramente elevada indica uma soldadura defeituosa. Este método de teste já é predominante em todas as indústrias nos Estados Unidos.
Fuga de células
Quase invisível a olho nu, a fuga de células pode ocorrer em qualquer altura durante o processo de fabrico e pode mesmo danificar a bateria. Uma célula com fuga pode ser extremamente perigosa se entrar em contacto com a pele. Podemos utilizar métodos como a espetrometria de massa para detetar fugas, mas existe um método melhor para detetar estas pequenas fugas: a imagem térmica. Quando o selo da célula é quebrado, o líquido deposita-se na camada exterior da célula e é detectada uma diferença de temperatura. Uma câmara térmica de alta resolução pode identificar eficazmente estas pequenas fugas numa questão de segundos sem contacto, como mostra a figura.
Fig. 7: Identificação da fuga de células utilizando uma câmara da série T.
Aquecimento inesperado
Embora sejam efectuados testes exaustivos em todas as fases, por vezes uma célula defeituosa pode entrar na linha de produção. Durante a fase de teste, as células defeituosas podem apresentar uma ligeira diferença de temperatura. Esta é invisível ao olho humano, mas é perfeitamente captada pelas câmaras de imagem térmica. Como se pode ver na figura 8, a câmara capta a temperatura ligeiramente elevada com uma leitura exacta da temperatura até à casa decimal. Outro exemplo de aquecimento irregular durante o teste de baterias após a montagem. Durante os ciclos de carga e descarga, os conjuntos de baterias
Fig. 8: Aquecimento irregular apresentado pela unidade de bateria de lítio
tendem a aquecer. No entanto, durante esta fase de teste, existe um risco elevado de a bateria se incendiar se a temperatura não for monitorizada. Isto pode ser feito utilizando um termopar, um método de contacto não destrutivo, mas só é possível monitorizar a temperatura de um ponto de cada vez. Se a parte de trás de uma bateria de lítio se incendiar na instalação, será muito difícil de extinguir, uma vez que o lítio reage muito rapidamente e o fogo é difícil de extinguir porque o lítio reage com a água em contacto.
Carga e descarga
A última fase dos testes consiste em carregar e descarregar a bateria de iões de lítio. Durante esta fase, a temperatura da bateria pode subir até 5 ou 6 graus Celsius acima da temperatura ambiente. Com uma câmara de imagem térmica, podemos registar a temperatura da superfície da bateria de iões de lítio e estimar a temperatura interna sem lhe tocar. Podemos ver claramente os pontos quentes da bateria através da superfície enquanto está a carregar. Isto ajuda-nos a isolar um potencial problema e a sua localização. (fig. 9) As baterias em teste podem ser monitorizadas 24 horas por dia para evitar possíveis incêndios se alguma unidade aquecer.
Fig. 9: Uma bateria em ciclo de carga
Veículos eléctricos
O veículo elétrico é composto por três componentes principais: a bateria, o motor e o inversor. Uma vez montado o veículo, a tecnologia térmica pode ser utilizada para monitorizar o seu comportamento térmico durante a utilização. (fig. 10) Esta aplicação é muito valiosa tendo em conta o recente aumento dos incêndios de baterias de veículos eléctricos na Índia, uma vez que não só oferece soluções para o fabrico de baterias, como também é capaz de monitorizar outros componentes da máquina.
Fig. 11. Imagem do interior de um veículo elétrico
Baterias em ciclo de carga e descarga
Fig.10. Imagem do interior de um veículo elétrico
CONCLUSÃO
Embora existam vários métodos preventivos que podem ser utilizados na linha de produção de veículos eléctricos, esta solução proporciona uma manutenção preditiva, de segurança e de incêndio da bateria para esta indústria em particular. A termografia pode ser aplicada em várias etapas durante o processo de fabrico para monitorizar o objeto alvo e verificar a existência de defeitos.
Esta tecnologia não é apenas útil para identificar defeitos e avarias, mas é crucial para a segurança da mão de obra envolvida no fabrico, bem como do cliente que utiliza o produto acabado, como é o caso dos veículos eléctricos, que são propensos a incêndios de baterias se não forem utilizados ou mantidos corretamente. A utilização desta tecnologia contribui para a segurança ao detetar rapidamente ligeiras diferenças de temperatura e ao identificar um aquecimento irregular, sinais de que uma bateria está a arder.
Embora os sistemas defeituosos possam passar despercebidos numa inspeção manual, é altamente improvável que passem despercebidos com uma câmara térmica, uma vez que esta funciona na gama de infravermelhos e converte sinais de calor em imagens.
À medida que a procura e a oferta neste sector aumentam, também aumenta a necessidade de testes e dados mais fiáveis para a prevenção e segurança, em que a termografia se revela uma opção mais do que viável para reduzir a probabilidade de uma falha do veículo elétrico ou de um incêndio na bateria.
A solução ideal para detetar tais problemas e evitar a ocorrência de um incêndio na bateria durante a produção da mesma, é IRTIMo sistema de deteção de pontos quentes que, através da termografia, é capaz de detetar o sobreaquecimento anormal das baterias de iões de lítio na linha de produção. Todas as informações no sítio Web. Não hesite em informar-se e manter a sua empresa protegida.
Está disponível um webinar gratuito sobre IRTIMfire e sistemas termográficos para deteção de incêndios em instalações de resíduos - registe-se agora!
Entradas relacionadas
