Medições para uma longa duração da bateria

Uma visita ao laboratório de baterias

 

O que se espera de uma bateria instalada em um trem com vida útil de 30 anos? A questão da vida útil foi provavelmente a mais importante enfrentada pela equipe que desenvolveu o trem movido a bateria. Afinal de contas, quanto melhor entenderem o desempenho da bateria, mais poderão sair dela. O laboratório de baterias realizou as medições

"Imagine um triângulo com os cantos que representam a vida útil, o desempenho e o peso. Você quer otimizar o triângulo, mas puxar uma ponta destorce as outras no extremo oposto". É assim que Andreas Meyer, líder da equipe de tecnologia de baterias de íons de lítio na Engeneering, descreve os esforços para desenvolver o sistema de baterias para os novos trens movidos a baterias da Siemens Mobility. "Quanto mais soubermos sobre a vida útil da bateria e seu desempenho elétrico e térmico, mais poderemos manter este triângulo em equilíbrio. O elemento mais importante neste momento é a vida útil".

 

A prova será fornecida pelas baterias dos 20 trens Mireo Plus B que entrarão em serviço em Baden-Wuerttemberg a partir de Dezembro de 2023. A Siemens Mobility já tem em funcionamento um projeto conjunto de serviço de transporte de passageiros com os caminhos-de-ferro federais austríacos (ÖBB), sob a forma do Desiro ML ÖBB Cityjet eco. Em Setembro de 2019, este projeto tornou-se o primeiro deste tipo a ser registado em toda a Europa.

Sem emissões em linhas não eletrificados

Os trens movidos a bateria são a chave para a componente ferroviária da transformação do setor dos transportes. Em muitos países, partes significativas da rede ferroviária não são eletrificadas ou, por outras palavras, não existem linhas aéreas. Na Alemanha, por exemplo, isso se aplica a 40 por cento das vias, principalmente linhas regionais. Estes utilizam vagões diesel, embora os serviços ferroviários esperem avançar para sistemas de acionamento sem poluição atmosférica ou sonora, e especialmente sem emissões deCO2.

 

Os trens alimentados por baterias são particularmente adequados em situações em que o trem se pode ligar a uma linha aérea em partes da via. Os trens também podem recarregar na estação. E cada vez que os freios são aplicados, a energia cinética que é recuperada é alimentada no sistema de armazenamento de eletricidade.

Desenvolvimento alinhado que sustenta o sistema de bateria

O módulo de bateria do trem é composto por muitas células de bateria individuais de alto desempenho, que a Siemens Mobility projetou em estreita colaboração com os fabricantes de baterias. Meyer também observa a estreita colaboração com o laboratório de baterias da Siemens Technology: "Graças às medições que eles forneceram, conseguimos reduzir substancialmente a quantidade de energia de bateria necessária em cada linha. Como a bateria é a componente de tracção mais cara do comboio, isso tem um impacto direto no preço global do sistema"

O conhecimento acumulado ao longo de décadas pelo laboratório auxilia todas as Unidades de Negócios Siemens que utilizam baterias em seus produtos ou planejam fazê-lo. Para o trem, ele investigou as células que estavam sendo consideradas. Uma única célula tem aproximadamente o mesmo tamanho que dois smartphones ao lado e em cima um do outro em uma caixa sólida de metal. Nas câmaras de temperatura e clima, as células foram expostas a perfis de carga típicos em temperaturas ambientes que vão desde muito quentes até ao frio glacial, ou seja, uma sequência de ciclos de carga e descarga.

 

Às vezes o trem tira muita eletricidade da bateria e às vezes muita energia de frenagem flui de volta para o sistema; às vezes ele tem que carregar rapidamente usando correntes potentes, e então ele irá rolar novamente com carga mínima na bateria. Dependendo da questão a ser investigada, as medições foram feitas em alta resolução ou utilizando perfis altamente simplificados. Uma corrente de até 400 amperes foi aplicada às células a uma tensão de aproximadamente 3V. Quanto mais fortes as correntes, mais quentes as células se tornam, e seu desempenho cai, explica o cientista de materiais Frank Steinbacher. O laboratório mede a intensidade do aquecimento da célula e o local exato onde o aquecimento tem lugar. As sondas de temperatura medem o calor dos contactos e as câmaras de infravermelhos registam a distribuição da temperatura à superfície.

A manutenção dos trens beneficia do modelo de bateria

Nos testes de envelhecimento, as células foram expostas a perfis de carga simplificados e típicos durante longos períodos de 9 a 18 meses. A tendência representada pelas curvas de medição pode ser extrapolada ao longo da idade da bateria, que é actualmente o parâmetro mais importante para a Siemens Mobility. Também foram feitas medições no módulo da bateria para otimizar seu design, comenta Barbara Schricker, engenheira física com foco em eletroquímica: "Há muitos lugares onde você pode errar, tanto no design e geometria do resfriamento quanto no sistema de conexão elétrica"

 

Com base nas medições, os pesquisadores da bateria criam um modelo da bateria, uma espécie de gêmeo digital, que é integrado no modelo de simulação do trem. Isso permite que o trem percorra os itinerários planejados em um nível virtual para permitir que os valores sejam derivados para o alcance e a vida útil, entre outros fatores. O gêmeo digital da bateria também será valioso quando o trem estiver operando de verdade. A Siemens é responsável pela manutenção e garante a disponibilidade dos comboios durante 30 anos. Comparando os dados das condições reais da bateria com as previsões baseadas no modelo, eles podem calcular sua vida útil com certeza, uma vez que as medições indicarão quando a bateria deverá ser substituída com até 1-2 anos de antecedência.  

Habilidades para todos os que usam pilhas

O laboratório de baterias da Technology trabalha com todas as empresas Siemens que utilizam baterias. A estrutura das tecnologias centrais, neste caso o armazenamento de energia, serve como uma plataforma de colaboração e compartilhamento de informações em toda a empresa. Exemplos deste tipo de colaboração incluem ferries com acionamentos elétricos, construídos pela Siemens Energy na Noruega, soluções descentralizadas usando dispositivos de armazenamento de energia e conversores como os implementados nas Ilhas Galápagos pela Smart Infrastructure, e sistemas móveis de raios-X da Siemens Healthineers.

 

Com a Infraestrutura Inteligente, o laboratório de baterias está trabalhando em conjunto com analistas de dados da Technology para desenvolver uma solução para determinar a condição e a vida útil dos dispositivos de armazenamento de baterias. Essas percepções são então utilizadas para otimizar o funcionamento do sistema de armazenamento. "É aqui que a nossa compreensão dos factores que influenciam o desempenho da bateria desempenha um papel. Nossos colegas na análise de dados identificam padrões nos enormes volumes de dados coletados em uso real", explica Manfred Baldauf, Principal Especialista em Sistemas de Armazenamento de Baterias da Technology.

 

As baterias do futuro ainda são um tópico importante, também: atualmente, o laboratório de baterias está trabalhando com colegas da França em software para a simulação e design de futuras baterias, como parte do projeto Modalis2 da UE. "Isto também envolve a simulação da próxima geração de baterias de iõns de lítio usando software de simulação", explica Steinbacher. Neste projecto, a Tecnologia é responsável pela caracterização da bateria. O projeto também envolve fabricantes de materiais e baterias, montadoras e a Unidade de Negócios de Software da Siemens Indústrias Digitais

Christine Rüth, Outubro de 2020

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