Com o desenvolvimento de novas tecnologias energéticas e a melhoria da consciência ambiental, os veículos movidos a bateria são agora uma visão comum na vida quotidiana. Já alguma vez se perguntou porque é que os veículos eléctricos carregam mais lentamente e descarregam mais rapidamente no inverno? Será que isso afecta a vida útil da bateria? Porque é que alguns veículos eléctricos também têm um desempenho estável num ambiente de -20℃?

Isto está intimamente relacionado com uma etapa fundamental da I&D: o teste de baixa temperatura da bateria. O que é o teste de baixa temperatura da bateria? Porque é que se faz este teste? O que acontece quando a bateria é congelada? Como é efectuado o teste de congelação? Este artigo revela-lhe o mistério do teste da bateria.

Porquê congelar a bateria?

O teste de congelamento da bateria destina-se a simular o ambiente de baixa temperatura que pode ser encontrado na utilização efectiva. Na América do Norte, no Norte da Europa, na Rússia e noutros locais, a temperatura no inverno é muito baixa, o que pode dificultar o arranque dos veículos eléctricos. No equipamento de transporte da cadeia de frio e em alguns equipamentos de exploração polar, o sistema de bateria pode funcionar mal ou mesmo entrar em curto-circuito devido às baixas temperaturas.

Para evitar que estes problemas ocorram durante a utilização, o pessoal de I&D deve compreender antecipadamente o seu desempenho a baixas temperaturas. Avaliar a resistência ao frio dos materiais, a vida útil das baterias, as reacções químicas internas e os valores críticos a baixas temperaturas.

O que acontece quando a bateria está congelada?

Como é que uma bateria se comporta em ambientes de baixa temperatura? Eis os principais efeitos:

Carregamento lento

Ao carregar um carro elétrico no inverno, demora muito tempo a carregar completamente, porque a baixa temperatura afecta a velocidade de carregamento da bateria. A baixas temperaturas, a viscosidade do eletrólito aumenta, a resistência ao movimento dos iões de lítio no eletrólito aumenta e a eficiência de carregamento da bateria diminui. Se o carregamento continuar num ambiente de baixa temperatura, pode ocorrer a deposição de lítio metálico, o que, por sua vez, danifica a bateria e até provoca um descontrolo térmico.

Descarga acelerada

Talvez tenha descoberto que a carga da bateria diminui muito depois de conduzir um automóvel elétrico durante uma curta distância no inverno. A razão pela qual a bateria pode fornecer energia é que ocorre uma reação química no seu interior, convertendo energia química em energia eléctrica. Depois de a bateria ser ligada ao circuito externo, os iões de lítio saem do elétrodo negativo e chegam ao elétrodo positivo através do circuito externo, formando assim uma corrente. A baixas temperaturas, a migração dos iões de lítio será dificultada, a resistência interna da pilha aumentará, a tensão diminuirá durante a descarga e a potência disponível será reduzida.

Riscos para a segurança

A temperaturas extremamente baixas, o eletrólito pode cristalizar ou precipitar parcialmente o lítio, ou podem mesmo ocorrer danos estruturais, como abaulamentos, fugas, curto-circuitos, etc. O aparecimento destes problemas num automóvel em movimento colocará em grande perigo a segurança do condutor e dos passageiros.

Desempenho da bateria a diferentes temperaturas baixas

As pilhas têm um desempenho diferente em diferentes gamas de baixas temperaturas. Os testes em diferentes zonas de temperatura podem ajudar o pessoal de I&D a otimizar as fórmulas das pilhas e a avaliar a estabilidade da embalagem das células das pilhas.

Gama de temperaturas	Desempenho da bateria
0℃ ~ -10℃	Ligeira quebra de desempenho, mas ainda operacional
-10℃ ~ -20℃	Perda de capacidade percetível, tensão de arranque insuficiente, tempo de descarga mais curto
-20℃ ~ -40℃	A maioria das pilhas de lítio não funciona corretamente; são necessárias pilhas especiais para baixas temperaturas
-40℃ ~ -80℃	Gama de testes extremos para aplicações aeroespaciais, militares e outras aplicações em ambientes agressivos

Normas de ensaio de congelação da bateria

A fim de verificar a fiabilidade das baterias e facilitar a comparação e a certificação, muitos países e regiões emitiram normas de ensaio de congelação das baterias.

IEC 62660

A Comissão Eletrotécnica Internacional emitiu a norma IEC 62660 em 2010, que se aplica a todas as células de iões de lítio utilizadas em sistemas de alimentação de veículos eléctricos. Esta norma estipula que o teste de capacidade da bateria, o teste de retenção de tensão e o teste de ciclo de vida devem ser efectuados a -20°C. São estipulados o ambiente de teste, os métodos de teste e as normas de qualificação das baterias.

ONU 38.3

A Comissão Económica das Nações Unidas emitiu a norma UN 38.3 em 1999 e esta norma é continuamente actualizada. Aplica-se a todas as baterias de lítio e conjuntos de baterias acabados utilizados para transporte internacional, incluindo veículos eléctricos, telemóveis, ferramentas eléctricas, etc. A bateria deve ser armazenada a -40°C±2°C durante 6 horas, seguida de +75°C±2°C durante mais 6 horas, repetindo o ciclo 10 vezes ao longo de 5 dias. Durante o teste, a bateria não deve apresentar fugas, inchar, incendiar-se, explodir e cumprir os requisitos de tensão nominal para ser qualificada.

SAE J2929

A Society of Automotive Engineers (SAE) publicou a norma SAE J2929 em 2008 e reviu-a em 2020. Esta norma aplica-se aos sistemas de baterias de veículos eléctricos e híbridos vendidos nos Estados Unidos. Requer a simulação ambiental de todo o sistema de bateria, incluindo o funcionamento a baixa temperatura, o carregamento a baixa temperatura e os modos de falha a baixa temperatura. Recomenda-se que a temperatura de ensaio seja controlada a -30°C para simular a temperatura do inverno norte-americano.

NASA-STD-4009

A Administração Nacional da Aeronáutica e do Espaço (NASA) reviu a norma NASA-STD-4009 em 2021. Esta norma aplica-se a sistemas de baterias para naves espaciais, satélites e equipamento de exploração do espaço profundo. É necessário testar a -60°C ou até menos para avaliar a estanquidade ao ar, a capacidade de controlo térmico e a estabilidade eletroquímica do sistema de bateria a temperaturas extremamente baixas.

GB/T 31467

A Administração Estatal para a Regulamentação do Mercado da China publicou o GB/T 31467 em 2015. Aplica-se a sistemas de baterias de iões de lítio para veículos eléctricos. A bateria deve ser submetida a testes de capacidade, potência e desempenho de carga e descarga a -20°C, e o método de teste e o erro da caixa de controlo de temperatura (±2°C) são especificados.

Nome padrão	País/Organização	Requisitos de temperatura	Aplicação principal	Ano de lançamento
IEC 62660	Internacional / IEC	-20℃	Ensaios de desempenho e segurança de células individuais EV	Desde 2010
ONU 38.3	Nações Unidas / UNECE	-40℃ de ciclismo	Adaptabilidade ao transporte e ensaios de segurança das baterias	Desde 1999
GB/T 31467	China	-20℃	Ensaios de desempenho e segurança de baterias de veículos eléctricos	Desde 2015
SAE J2929	EUA / SAE	-30℃	Segurança e desempenho dos sistemas de baterias	Desde 2008
NASA-STD-4009	EUA / NASA	-60℃ e inferior	Ensaios especiais de baterias para aplicações aeroespaciais	Edição de 2021

Como é efectuado o teste de congelação da bateria?

Seguem-se os procedimentos básicos e as precauções para o teste de congelação da bateria.

Preparar amostras

É necessário selecionar células e conjuntos de baterias representativos e inspecionar cuidadosamente as amostras para garantir que não apresentam defeitos óbvios, como abaulamentos e fugas.

Registar o estado inicial

Para facilitar a comparação, registe a tensão inicial, a resistência, o estado de carga e outros dados da bateria. Se pretender efetuar um teste de ciclo, também precisa de registar os dados do último teste.

Definir um ambiente de baixa temperatura

De acordo com os padrões de teste correspondentes, defina a temperatura alvo na tela de toque da caixa de teste da bateria, que geralmente é de -20 e -40°C. Se for uma bateria usada para aviação, ela precisa ser ajustada para cerca de -70 ℃. Para evitar choque térmico, você precisa definir uma taxa de resfriamento razoável.

Arrefecimento lento

Colocar a pilha na caixa de ensaio e fechar a porta, assegurando uma condução térmica uniforme através do suporte da amostra. Aguardar que a temperatura na caixa de ensaio ambiental desça até à temperatura-alvo. Evitar a abertura e o fecho frequentes da porta da caixa durante este processo.

Manter a temperatura constante

Depois de atingir a temperatura alvo, a amostra precisa ser colocada em um ambiente de temperatura constante por pelo menos 6 horas, de acordo com os requisitos da norma. Durante este período, a curva de flutuação de temperatura precisa ser registrada para manter a uniformidade da temperatura dentro de ± 2 ℃.

Ensaios

Efectua o teste de descarga, o teste de carga e o teste de ciclo em condições de baixa temperatura. Registar a capacidade da bateria, a tensão, a resistência interna, a taxa de descarga e outros dados. Comparar com os parâmetros à temperatura ambiente.

Aquecimento

Após o teste, aquecer lentamente a bateria até à temperatura ambiente. É de notar que a bateria não deve ser exposta diretamente à temperatura ambiente, o que causará condensação ou danos por stress térmico. Em seguida, efectue uma verificação de segurança da bateria para verificar se há abaulamentos, fugas e outros problemas.

Nota

- Certifique-se de que a pilha de amostra não apresenta danos evidentes
- Não carregar a temperaturas extremamente baixas
- Antes de descarregar, é necessário manter uma temperatura constante durante um período de tempo suficientemente longo para evitar um arrefecimento irregular da célula da bateria
- É necessário que alguém esteja presente durante o teste

Desempenho de diferentes tipos de pilhas em testes de congelação

Diferentes tipos de baterias têm diferentes desempenhos e comportam-se de forma diferente em ambientes de baixa temperatura.

Tipo de bateria	Caraterísticas a baixa temperatura
Bateria de lítio ternária	Elevada densidade de energia, mas fraco desempenho a baixas temperaturas; rápida perda de capacidade; adequado para climas temperados
Bateria de fosfato de ferro e lítio (LFP)	Alta segurança, melhor desempenho a baixa temperatura; pode descarregar a -20 ℃, mas tem menor densidade de energia
Bateria de estado sólido	Nova tecnologia de bateria com boa estabilidade a baixas temperaturas; a comercialização ainda está em curso
Bateria de hidreto metálico de níquel (NiMH)	Perda significativa de capacidade a baixas temperaturas; adequado para dispositivos de baixa potência
Bateria de iões de sódio	Em desenvolvimento; os primeiros dados mostram um melhor desempenho a baixas temperaturas do que as baterias de lítio tradicionais

Como escolher uma câmara de teste de bateria?

Se comprar uma câmara de bateria com o objetivo de testar baterias de veículos eléctricos, como deve escolher? É necessário ter em conta os seguintes factores:

Item	Descrição
Gama de temperaturas	Recomendado: -70℃ a +100℃ (cobre ambientes extremos)
Precisão do controlo da temperatura	Pelo menos ±0,5℃ (dependendo da norma de ensaio)
Uniformidade de temperatura	≤±2℃ para garantir dados consistentes para várias amostras de bateria
Taxa de arrefecimento	Recomendado ≥1℃/min; algumas normas exigem ≥5℃/min
Registo de dados	Deve registar automaticamente a temperatura, a tensão, o tempo e outros dados de ensaio
Compatibilidade	Suporta testadores de bateria, interfaces de comunicação, módulos de monitorização de gás, etc.
Sistema de segurança	Equipado com alarme de temperatura excessiva, proteção contra falhas de energia, deteção de fugas, etc.
Pós-venda e personalização	Suporta personalização, entrega rápida e consulta técnica

Conclusão

O teste da bateria é necessário para garantir a segurança do equipamento e do pessoal. Geralmente, as baterias especialmente concebidas câmaras de ensaio de baterias são utilizados para simular ambientes de aplicação do mundo real para testar o desempenho das baterias a diferentes temperaturas. Se procura um fabricante fiável de câmaras de teste de baterias, LNEYA tem o prazer de lhe fornecer soluções personalizadas e apoio técnico.

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