O que é armazenamento de energia baseado em baterias e como analisá-lo?
Visão geral do pacote de baterias para armazenamento de energia
Um conjunto de baterias para armazenamento de energia, também conhecido como módulo de bateria ou bateria compacta, consiste em múltiplas células individuais conectadas em série e/ou em paralelo, integradas a um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) e recursos de proteção para formar uma unidade independente de armazenamento de energia recarregável.
No setor de energias renováveis — como a solar e a eólica — devido à intermitência da geração de energia, os sistemas de armazenamento de energia (PACKs) são necessários para armazenar o excesso de eletricidade e liberá-la quando necessário, garantindo um fornecimento de energia estável. Com o rápido crescimento das energias renováveis, a demanda por sistemas de armazenamento de energia continua a aumentar. Por exemplo, em grandes usinas solares, um sistema de armazenamento de energia pode armazenar vários megawatts-hora de eletricidade para garantir a estabilidade da rede.
Na indústria de veículos elétricos (VE), os conjuntos de baterias (PACKs) são a principal fonte de energia, determinando a autonomia e o desempenho do veículo. As baterias de íon-lítio são atualmente a principal escolha para fontes de energia de VEs devido à sua alta densidade de energia e longa vida útil. Os conjuntos de baterias de VEs de alta gama podem ultrapassar 100 kWh, permitindo uma autonomia bem superior a 500 km.
Em resumo, os conjuntos de baterias para armazenamento de energia desempenham um papel crucial nos sistemas de energia renovável e nos veículos elétricos. Eles melhoram a eficiência da utilização de energia, reduzem a dependência de combustíveis fósseis e contribuem ativamente para o desenvolvimento sustentável.
1. Considerações de projeto e análise de caso
1.1 Principais Considerações de Projeto
1.1.1 Projeto à prova de explosão com válvulas de alívio de pressão em PUW para liberação rápida da pressão.
Quando as baterias de lítio sofrem fuga térmica, a pressão interna aumenta drasticamente, representando risco de explosão. As válvulas de alívio à prova de explosão PUW proporcionam uma rápida liberação de pressão para evitar danos catastróficos. Em diversos projetos de armazenamento de energia, os sistemas PACK equipados com válvulas de alívio PUW evitaram com sucesso explosões durante incidentes de fuga térmica, garantindo a segurança do pessoal e dos equipamentos.
1.1.2 Manter o equilíbrio entre as pressões interna e externa para garantir a confiabilidade.
As flutuações de temperatura durante os ciclos de carga/descarga causam alterações de pressão dentro da bateria. As válvulas PUW proporcionam ventilação e, ao mesmo tempo, impedem a entrada de água, mantendo a pressão interna equalizada com a pressão ambiente. As baterias projetadas com esse recurso apresentam menor degradação de desempenho e maior estabilidade a longo prazo.
1.1.3 Projeto do sistema de gerenciamento de bateria garantindo proteção contra sobrecarga e descarga excessiva
Um sistema de gerenciamento de baterias (BMS) bem projetado é essencial para segurança, monitoramento e otimização de desempenho. Ele controla sobrecarga, descarga excessiva, sobretemperatura, precisão de medição e balanceamento de células. Projetos avançados de BMS podem gerenciar com precisão os procedimentos de carga/descarga, minimizando riscos.
1.1.4 Projeto mecânico abordando resistência, resistência à vibração e gerenciamento térmico.
As principais considerações mecânicas incluem resistência, resistência à vibração, aquecimento/resfriamento, impermeabilização e proteção contra poeira. O uso de materiais de alta resistência e estruturas otimizadas garante durabilidade sob forças externas, enquanto a melhor dissipação de calor prolonga a vida útil e o desempenho da bateria.
1.1.5 Design à prova d'água e antivibração para evitar danos estruturais internos.
As baterias de lítio submersas em líquido podem entrar em curto-circuito, levando à descarga contínua e danos internos. Os projetos de baterias devem garantir impermeabilização adequada (classificação IP) e resistência à vibração, especialmente em ambientes agressivos, como regiões sísmicas ou instalações externas.
1.1.6 Gestão de temperatura para otimizar o desempenho e a longevidade
A temperatura é um fator determinante que afeta a estrutura e o desempenho do PACK. O calor excessivo impacta a resistência interna, a tensão, o SOC (estado de carga), a capacidade disponível, a eficiência e a vida útil. Um gerenciamento térmico eficaz — como resfriamento a ar ou resfriamento líquido — ajuda a manter as temperaturas operacionais ideais.
1.1.7 Seleção de materiais que garantam isolamento de alta tensão e resistência estrutural.
O isolamento e a resistência mecânica são cruciais. Materiais de nylon reforçados com 5% a 45% de fibra de vidro proporcionam maior resistência à tração e à vibração, garantindo operação segura em alta tensão e confiabilidade estrutural.
1.2 Estudos de Caso
1.2.1 Projeto de placas de resfriamento líquido — características e seleção
As placas de refrigeração líquida são essenciais para o gerenciamento térmico. Diferentes tipos oferecem vantagens e desvantagens em termos de desempenho e custo. Aplicações de alto desempenho podem exigir placas de refrigeração premium, enquanto cenários com restrições de custo podem optar por soluções mais simples.
1.2.2 Análise do projeto do módulo de armazenamento de energia e do PACK da LG
Os projetos da LG apresentam uma clara diferenciação entre células de armazenamento de energia e células de potência. Estruturalmente, a LG utiliza pequenos módulos padronizados empilhados em módulos maiores, oferecendo flexibilidade e escalabilidade para diferentes sistemas de armazenamento de energia.
1.2.3 Simulação e pesquisa experimental sobre o projeto térmico do PACK
Pesquisas avançadas combinam simulação térmica com experimentos físicos para otimizar o projeto térmico de baterias. Abordagens de otimização multiobjetivo consideram segurança, desempenho e custo, alcançando maior uniformidade térmica e confiabilidade do sistema.
2. Componentes e parâmetros técnicos
2.1 Componentes principais
2.1.1 Células individuais — unidades de armazenamento de energia
Os tipos de células mais comuns incluem íon-lítio, chumbo-ácido e níquel-hidreto metálico. As células de íon-lítio predominam devido à sua alta densidade de energia e longa vida útil. As células de chumbo-ácido continuam viáveis para aplicações de baixo custo. As células de níquel-hidreto metálico são valorizadas em certos segmentos que exigem alta segurança.
2.1.2
Sistema de gerenciamento de bateria (BMS)
—monitoramento e proteção
O BMS monitora tensão, corrente e temperatura, controla carga/descarga, previne sobrecarga, descarga excessiva e sobrecarga de corrente, além de realizar o balanceamento. Também permite o monitoramento remoto e a comunicação com sistemas externos.
2.1.3 Sistema de gestão térmica — manutenção da temperatura ideal
Os sistemas térmicos (resfriamento a ar, resfriamento líquido) mantêm a uniformidade da temperatura do PACK. O resfriamento líquido é preferido em sistemas de armazenamento de energia de alta potência devido à sua maior eficiência de resfriamento. Um requisito típico é uma diferença de temperatura ≤ 5 °C.
2.1.4 Sistema elétrico — transmissão e distribuição de energia
O chicote elétrico inclui fios de alta e baixa tensão. Os cabos de alta tensão atuam como as "artérias" do PACK, enquanto os chicotes de baixa tensão servem como o "sistema nervoso", transmitindo sinais e comandos de controle.
2.1.5 Envoltório e estrutura de suporte — proteção e sustentação
A caixa protege os componentes contra impactos mecânicos, vibrações, água e poeira. A estrutura interna garante a integridade estrutural e posiciona todos os componentes com segurança.
2.2 Parâmetros Técnicos
2.2.1 Capacidade — medida da energia armazenada
Medido em Ah ou kWh. Maior capacidade significa mais energia armazenada. Exemplo: um PACK de 100 kWh pode abastecer uma casa por vários dias.
2.2.2 Densidade energética — indicador de desempenho
Maior densidade de energia significa maior desempenho e menor peso/volume. Células de íon-lítio de alta qualidade ultrapassam 200 Wh/kg.
2.2.3 Eficiência de carga/descarga — eficiência de conversão de energia
As baterias de lítio geralmente atingem uma eficiência superior a 90%. Uma maior eficiência reduz as perdas de energia e os custos operacionais.
2.2.4 Ciclo de vida — longevidade do serviço
As baterias de lítio de alta qualidade oferecem de milhares a dezenas de milhares de ciclos, dependendo da composição química e da aplicação.
2.2.5 Segurança — proteção e gestão térmica
A segurança inclui proteção contra sobrecarga, descarga excessiva, curto-circuito e mitigação de fuga térmica. Alguns PACKs incluem sistemas de supressão de incêndio, como agentes extintores FK-6.
3. Processo de projeto e métodos analíticos
3.1 Processo de Projeto
3.1.1 Seleção e classificação de células
As células devem ser testadas e classificadas quanto à consistência em capacidade, resistência interna e voltagem. De acordo com as estatísticas, ao testar e classificar um grande número de células de bateria, é possível garantir uma consistência de desempenho e qualidade superior a 98%. Após a classificação da capacidade da bateria por
máquina de classificação de células de íon-lítio
e a tensão e a resistência interna da bateria são classificadas por
máquina de triagem de células de lítio
As células da bateria podem ser classificadas e armazenadas de acordo com diferentes níveis de desempenho, preparando-as para o trabalho de montagem subsequente.
3.1.2 Montagem e conexão da célula
As células são conectadas por meio de soldagem ou compressão. A soldagem a laser é amplamente utilizada devido à sua precisão, pequena zona afetada pelo calor, baixa resistência e adequação para soldagem de múltiplos materiais.
3.1.3 Integração do BMS
A integração do BMS garante monitoramento, comunicação, balanceamento e proteção. Calibração e testes adequados são essenciais para a confiabilidade do PACK.
3.1.4 Vedação do invólucro e considerações térmicas
Os invólucros — geralmente de liga de alumínio — exigem boa resistência mecânica, dissipação de calor e proteção ambiental. A montagem adequada evita vibrações e garante uma operação estável.
3.1.5 Testes de sistema e controle de qualidade
Os testes incluem desempenho, capacidade, vida útil e segurança (sobrecarga, curto-circuito, impacto). Testes rigorosos garantem a conformidade com as especificações do projeto.
3.2 Métodos Analíticos
3.2.1 Compreendendo a definição de PACK
Um PACK é formado pela conexão de múltiplas células em série/paralelo e pela integração de sistemas mecânicos, térmicos e elétricos. As principais tecnologias incluem projeto estrutural, processo de soldagem, classificação de proteção e resfriamento ativo.
3.2.2 Compreendendo os componentes do PACK
Os componentes incluem módulos de células, sistemas elétricos, gerenciamento térmico, invólucro e BMS (Sistema de Gerenciamento de Biossegurança) — cada um desempenhando funções essenciais análogas ao coração, nervos, esqueleto e cérebro humanos.
3.2.3 Compreendendo as características e os requisitos de projeto do PACK
As baterias PACK exigem alta consistência entre as células, correspondência adequada entre tensão e capacidade, carregamento balanceado e monitoramento de corrente, tensão e temperatura.
3.2.4 Configuração e métodos de fabricação do PACK
A ligação em série aumenta a tensão, enquanto a ligação em paralelo aumenta a capacidade. Os métodos de soldagem mais comuns incluem soldagem a laser, soldagem ultrassônica, soldagem por pulso e contato elástico de metal. Modelos como o 1P24S representam 24 células em série e 1 em paralelo.
3.2.5 Compreendendo as especificações de desempenho do PACK
Tensão nominal = tensão da célula × número de células em série.
Energia nominal = capacidade × tensão.
A vida útil do ciclo e a eficiência determinam o desempenho a longo prazo.
Os recursos de segurança incluem proteções e gerenciamento térmico.
Em meio à transição global para energias limpas, as baterias de armazenamento de energia tornaram-se um pilar fundamental para a construção dos sistemas de energia do futuro. Com a capacidade de energia renovável em rápida expansão e a crescente popularidade dos veículos elétricos, a demanda por soluções de armazenamento de energia está em alta. As aplicações estão se diversificando rapidamente — desde a redução de picos de demanda para empresas e residências até a regulação da frequência da rede e o fornecimento de energia de reserva —, tornando as perspectivas para este setor excepcionalmente promissoras.
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