Contextualização

Entende-se que, com a demanda crescente de veículos elétricos no mercado mundial, devido a motivos como sustentabilidade, eficiência energética e emissões totais, ocorrerá um período de alta demanda para fabricação e substituição de baterias para tais veículos elétricos, cuja produção gera emissões significativas em si. A degradação e consequente troca destes conjuntos é associada à alta temperatura de funcionamento, uma vez que a perda de capacidade é diretamente associada a tal, como comprovado cientificamente através de múltiplos estudos. Sendo assim, para reduzir tais intervalos de troca, bem como manter uma segurança geral do veículo e melhorar o business case da aquisição de veículos comerciais elétricos, motiva-se o uso de sistemas de arrefecimento ativo, de forma a refrigerar as células do pacote de baterias e permitindo seu trabalho em uma faixa de temperaturas ideal. O target do projeto foi definido de forma a possibilitar uma vida útil de 10 anos, período em que a SP Trans limita a vida de seus veículos na Cidade de São Paulo.

Solução Proposta

O Projeto Control-e desenvolve um sistema de arrefecimento a líquido indireto para ônibus urbanos elétricos, tornando a temperatura de trabalho das baterias próxima à ideal, entre 15 °C e 40 °C, e reduzindo a degradação do conjunto ao longo do tempo. O sistema possui três interfaces de troca térmica, sendo uma associada à retirada de calor nos módulos de baterias, outra um radiador convencional automotivo (cuja troca térmica é limitada pela temperatura externa) e outra próxima ao sistema de ar-condicionado da cabine, através de uma serpentina de troca térmica aletada. Durante a descarga, em temperaturas externas inferiores a 30 °C, utiliza-se exclusivamente o radiador, devido à baixa geração de calor do pacote. Em temperaturas superiores a 30 °C, utiliza-se exclusivamente o ar condicionado, devido à ineficácia do radiador em temperaturas externas mais altas. Durante a recarga, por outro lado, utiliza-se uma combinação de ambos os mecanismos de arrefecimento, de acordo com a temperatura externa e, consequentemente, a limitação de troca térmica do radiador. Os componentes do sistema térmico e hidráulico foram dimensionados de forma a minimizar ao máximo as perdas parasíticas do sistema, viabilizando seu uso. Os valores de geração de calor foram obtidos através da taxa de descarga média de um veículo comercial urbano, valor obtido pelo Projeto Control-e através de simulações em um modelo estabelecido no software AVL Cruise.

Fluxo de Cálculo

Através do entendimento e dimensionamento do sistema térmico para possibilitar um limite superior de 40 °C e assumindo esta temperatura como sendo constante, é possível calcular a degradação passo a passo através dos valores de taxa de descarga (obtidos através do AVL Cruise) e informações do pacote de baterias e modelo veicular.

Resultados

Os resultados de cálculo térmico e hidráulico mostraram que o projeto é viável, bem como as condições, parâmetros e hipóteses estabelecidas anteriormente. A vida útil do pacote, para degradação de 20 % em relação à capacidade original, foi calculada entre 12 e 14 anos, promovendo um ganho de 100 % com relação a um modelo que não utiliza um sistema de arrefecimento ativo (temperatura considerada como 50 °C, constante). Os resultados financeiros do projeto também foram positivos, comparando um cenário em que utiliza-se arrefecimento ativo (Projeto Control-e) e arrefecimento passivo (modelo de referência), sendo o investimento dos componentes de arrefecimento pago em menos de 7 anos, tempo inferior à vida do veículo em uma Cidade como São Paulo. Além disso, entende-se como ganho substancial do projeto a redução do descarte de tais conjuntos, viabilizando assim a introdução da mobilidade elétrica em regiões com climas tropicais e temperaturas elevadas.