Edição Agosto 2021

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Segurança no trabalho em Alta Tensão (Parte 2)

Sistemas de Segurança das Baterias de HV

Neste mesmo mês do ano passado falamos que o técnico de oficina iria ganhar valências relativamente ao sistema de HV mais propriamente relativamente ao diagnóstico e reparação de baterias de HV e de alguns componentes da mesma rede.
Como não poderia deixar de ser isto só é possível com um conhecimento mais profundo de todo o sistema e desta "nova" rede elétrica caracterizada com a cor laranja. Pensamos que podemos falar que ainda estamos à espera desta informação pormenorizada que tanto nos vai ajudar a perceber um bocado melhor como certos componentes trabalham e qual é a lógica por de trás de tantas decisões digitais das unidades de comando tanto para segurança como para eficiência.

Neste momento as baterias de lítio que usamos no ramo automóvel são altamente eficientes mas ao mesmo tempo complexas, são capazes de armazenar uma quantidade incrível de energia mas ao mesmo tempo existem vários cérebros a trabalhar e a calcular qual será a melhor estratégia para que tudo funcione na perfeição. No lado dos utilizadores a tarefa não podia ser mais simples - acelerar, travar e manobrar o volante, isto é pelo menos por agora!

Esta inteligência, eficiência e segurança toda não pode ser atribuída a um componente ou a um sistema mas a uma rede que está em constante evolução.
Antes de avançar para os sistemas de segurança vamos tentar perceber um bocado melhor que componentes temos dentro da bateria e como eles se relacionam.

A bateria que normalmente associamos a várias células de lítio (seleção laranja na imagem) é mais complexa que isso mas podemos dizer a célula é a "unidade" mais pequena de toda esta estrutura. (Não vamos explorar a fundo a célula porque já foi feito na edição de Junho 2021)

As células podem ser de 3 tipos:

As células tipo pouch ou "bolsa" são as utilizada hoje em dia nas nossas baterias. As mesmas são caracterizadas por unidades bastante finas e revestida a alumínio o que as torna ultra leves.

Uma grande vantagem é poderem ser adapatadas a diferentes espaços com facilidade tornando a organização eficiente e aumentado a densidade energética da bateria. Este design é apontado, em vários estudos, como um possivel favorito nas futuras gerações de viaturas elétricas.
Em termos de desvantagens temos o processo de fabrico que ainda não está no seu auge nem consegue atingir volumes significativos para seresm comparados com os outros tipos. Tecnicamente, ainda existem trabalhos a serem feitos em termos de resistencia interna das células e gestão do envelhecimento e por sua vez o "inchar" da célula devido a libertação de gases (também relacionado com a resistencia interna).
Neste momento são as células que estão a ser usadas em toda a gama atual de hibridos plug-in da MB (A/CLA/B 250e, C/E300de).

No caso das prismáticas são células já massivamente usadas em muitos dispositivos eletrónicos e com uma longa vida de prova de conceito. Cada fabricante tem a liberdade de desenhar a caixa rígida exterior com as dimensões que mais convém para a aplicação.
Este tipo de células foram usadas nos primeiros híbridos plug-ins que a MB lançou (ex: C/e 350e)

Um estudo recente indica que o mercado de células cilíndricas está valorizado em quase 8000 Milhões de dólares, tornando-se o design mais valioso.
Estas células são de barata e fácil produção e como existem standards de dimensões torna este design versátil e apetecível especialmente num mundo de hoje em dia que com a pandemia muitos fabricantes não estão a trabalhar a 100%.

A par das células pouch podemos dizer que as cilíndricas também estão na corrida para a nova geração.
Por outro lado, a sua forma não permite que o espaço seja completamente utilizado ficando com volume "morte entre células (se isso não for aproveitado para o sistema de arrefecimento como acontece em alguns construtores).
As células cilíndricas podemos dizer que foram as primeiras a aparecer no antiguinho S400 híbrido e que neste momento vão ser adotadas outra vez na nova geração da gama AMG.

Após conhecer a "unidade" (célula de lítio) percebemos que estas estão agrupadas por blocos /bancadas de células (seleção vermelha na imagem). Nos blocos as células podem estar em paralelo ou em serie e isso vai fazer a diferença toda. Numa configuração em serie a tensão é aumentada, já no caso de uma configuração em paralelo a corrente é aumentada, tudo vai depender da estratégia de desenvolvimento de cada marca.

O sistema de refrigeração é um dos pontos essenciais e que tem um papel fundamental (seleção verde na imagem). O sistema utiliza liquido refrigerante e um PTC para aquecer ou no case de arrefecer um chiller (permutador entre liquido refrigerante e agente refrigerante do ar condicionado).

Em termos de gerenciamento temos a BMS (seleção a amarelo na imagem) e a CSC (selação a azul na imagem). Vamos pensar que a BMS é o general, a CSC os sargentos e as células os praças.
A BMS (Battery Management System) é uma unidade que comanda e que serve de interface de comunicação para o resto do sistema de HV. Dentro das várias funções encontramos:

Controlar limites de correntes e tensões para evitar tanto sobrecargas como descargas profundas de células;
Controlo do arrefecimento da bateria;
Controlo dos contactores;
Determinar resistência de isolamento;
Gerador do sinal interlock;
Balanceamento das células;
Determinação do envelhecimento da bateria (SoH)...

O CSC (Cell Supervision Circuit) faz parte integrante da BMS e podem ser duas ou mais unidades (dependendo do numero de células e / ou blocos). As suas funções principais são monitorizar temperaturas (manter temperatural ideal) e tensões (balanceamento) das células, mas sempre com a supervisão da BMS.

Sistemas de segurança nas Células

Como muitas outras tecnologias, as células de iões de lítio têm alguns desafios de segurança inerentes. Não podemos esquecer que não deixamos de ter um "recipiente de energia" que, sob certas condições / anomalias / danos, pode ser liberado.
Para ajudar a mitigar esses riscos, existem vários recursos de segurança que muitos fabricantes integraram nos seus projetos.
O primeiro e mais comum entre uma ampla variedade de tipos de células é o "respiro". A ventilação da célula é basicamente projetada como um ponto de falha de engenharia dentro da célula no caso de um aumento de pressão dentro da mesma. Normalmente este respiro só é incluído nas células rígidas isto é, prismáticas ou cilíndricas.

Outro mecanismo é o CID (Current Interrupt Device) é como se fosse um fusível não revertível, isto é, vamos pensar no CID como uma tampa que está a fazer contacto como a parte positiva (cátodo) e quando existe demasiada pressão interna essa tampa "incha" deixando o circuito aberto. Por isso quando encontrar uma célula de iões de lítio com 0V deve ser devido a este sistema de segurança, visto que como já falamos uma célula mesmo com uma descarga profunda nunca vai a 0V. Mais uma vez, este sistema só é incluído nas células rígidas isto é, prismáticas ou cilíndricas.

Por último (mas existem mais) vamos falar de um sistema incorporado no separador (componente que isola o cátodo do ânodo). O separador pode ser composto por material plástico ou cerâmico, em todo o caso, este deve suportar o ambiente corrosivo do eletrólito e ao mesmo tempo manter o isolamento entre os dois polos.
A proteção pode ser com múltiplas camadas de plástico PP ou PE ou em casos extremos camadas triplas (PP/PE/PP). Estas camadas especiais permitem aguentar temperaturas entre 135ºC e 155ºC antes de derreter e provocar a junção do cátodo com o ânodo levando a um curto-circuito e possível risco de fogo / explosão.

Sistemas de segurança na Rede

O sistema de alta tensão tem inúmeros sistemas de proteção que tentam ao máximo proteger os utilizadores. No final do dia todos tem a mesma finalidade (1º passo na cadeia de salvamento - desligar o sistema que está a colocar o utilizador em risco) que passa por desligar / separar / descarregar o sistema de alta tensão.
As descargas conhecidas são:

Descarga ativa - Quando em casos extremos a rede é interrompida por algum problema, acidente ou mesmo má utilização do utilizador. Neste caso o sistema consegue reduzir a tensão para valores inferiores a 60V (DC) em menos de 5 segundos;
Descarga passiva - Acontece quando desligamos de forma correta o sistema e o mesmo consegue reduzir a tensão do sistema para valores inferiores a 60V (DC) em menos de 120 segundos).

Na rede podemos identificar vários componentes alusivos à segurança. Vamos tentar falar de cada um deles e de forma clara explicar a sua função.

Contactor de HV

Os contactores são os equipamentos que abrem ou fecham o sistema, e por isso podem ser considerados interruptores. Em vez de serem interruptores normais são como potentes relés que para além de serem operadas por sinal de ativação tem o poder de evitar o arco voltaico (ou mais corretamente, não evita mas este é contido dentro de uma camara evitando riscos ou perigos). Existe uma sequencia de ativação dos mesmos para uma ligação segura. No caso de desligamento também estão preparados para abertura rápida.

HVIL - Interlock

O interlock não é nada mais nada menos que uma rede em anel fechada onde circula um sinal de 12V a 88Hz gerado normalmente pela unidade BMS (atualmente também a unidade carregador DC pode gerar este sinal). O sinal percorre todos os componentes de HV e respetivos pontos de ligação. Qualquer descontinuidade ou curto será reconhecido e utilizado para gerar um corte ao sinal 30c (alimentação de componentes de HV). Assim garantimos que é evitado um dano / perigo no desligamento improprio ou mesmo numa manutenção/reparação.

No dispositivo S7 mais conhecido por interlock temos duas pontes (4 fios), uma corresponde ao interlock e a outra ao 30c.

Terminal 30c com fusível pirotécnico

O sinal 30c é usado para um desligamento da alimentação dos componentes de HV. Quando uma viatura sofre um acidente em que a gravidade do embate e a desaceleração justifique o disparar do fusível (F63) o mesmo faz com que a alimentação 30c seja interrompida e que os contactores se abram.

Resistência de Isolamento

A resistência de isolamento já foi explorada em edições anteriores mas dá vida a um sistema de proteção ativo que monitoriza a toda a hora por curto-circuitos no sistema de alta tensão e falhas de baixa resistência de isolamento. O componente responsável por esta análise é a BMS.
Para o utilizador existem vários nível de perigo:

No caso de estar tudo bem, nenhum sinal ou aviso será apresentado no painel de instrumentos e isto quer dizer que a resistência de isolamento é superior a 500 ohms/V;

Para valores iguais ou inferiores a 500 ohms/V é que começam os problemas:

Entre 500 e 100 ohms/V uma luz amarela aparece no painel de instrumentos e uma verificação forçada do isolamento é feita na reinicialização, mas a viatura vai trabalhar. Contudo deve sempre recorrer a uma oficina para se perceber onde está o problema!
Se o valor for igual ou inferior a 100 ohms/V o sinal já vai ser vermelho e após desligar a ignição a viatura já não vai mais trabalhar/ligar. Aqui é um caso grave, o carregamento não é possível, os contactores de HV não podem ser reativados e o desligamento da rede de HV pela oficina terá de ser manual ("Bombeiro").

Válvula de despressurização

Como já foi mencionada as células também respiram devido a um acumular de pressão interna e por conseguinte o alojamento onde estão todas as células também tem de o fazer. O mecanismo não passa de uma fina camada de um material frágil e que liberta a pressão acumulada dentro da bateria.