Por que razão a bateria do seu carro elétrico perde autonomia mais rapidamente do que os testes de laboratório prevêem, assim que começa a carregá-la rapidamente em condições de calor

Passei doze anos a analisar baterias de iões de lítio em veículos elétricos, e a diferença entre os dados dos ciclos de laboratório e o que realmente acontece na estrada continua a ser maior do que a maioria das pessoas imagina. As baterias que parecem estar em bom estado após alguns milhares de ciclos controlados numa câmara climática apresentam frequentemente uma perda de capacidade mais rápida assim que são submetidas a carregamentos rápidos em corrente contínua (CC) regulares a temperaturas ambientes superiores a 30 °C. O principal fator não é a idade cronológica — é a combinação de taxas de carga elevadas e temperaturas elevadas das células que o sistema de gestão térmica não controla totalmente durante sessões consecutivas.

Atualmente, a maioria das baterias de veículos elétricos utiliza células NMC ou LFP com arrefecimento líquido. Em laboratório, é possível controlar rigorosamente a temperatura das células e limitar a taxa de carga, pelo que a retenção de capacidade após 1 000 ciclos completos equivalentes se mantém frequentemente acima dos 90%. Na estrada, o circuito de refrigeração tem de lidar tanto com o calor das células como com o aquecimento proveniente do ar ambiente e da estrada. Quando um condutor liga o veículo a um carregador de 150–250 kW num dia quente, as temperaturas das células podem subir até aos 40 °C, mesmo com o sistema de arrefecimento a funcionar a pleno regime. Esse intervalo de temperatura acelera as reações secundárias nas interfaces do ânodo e do cátodo.

Resultados laboratoriais de um estudo comparativo controlado

Submetemos dois conjuntos de módulos, provenientes do mesmo lote de produção, a ensaios acelerados. Um conjunto foi submetido a ciclos a 25 °C, com uma taxa de carga máxima de 1C. O outro conjunto foi submetido a ciclos a uma temperatura da célula de 40 °C, com taxas de carga até 2,5C, para simular carregamentos rápidos repetidos em corrente contínua. Após 800 ciclos completos equivalentes, o grupo dos 25 °C tinha perdido cerca de 6 % da capacidade. O grupo de alta taxa dos 40 °C tinha perdido entre 11 % e 13 %. O aumento da impedância também foi maior no grupo submetido a temperaturas mais elevadas — cerca de 18 % contra 9 %. As análises pós-teste revelaram camadas de SEI mais espessas e mais indícios de deposição de lítio nos ânodos das células submetidas a alta temperatura e alta taxa de carga. A diferença não foi dramática em termos absolutos, mas foi consistente e suficientemente grande para explicar por que razão alguns veículos perdem autonomia de forma percetível muito antes de o conta-quilómetros atingir a quilometragem em que, segundo os cálculos da garantia, tal deveria acontecer.

Caso prático de uma frota em clima quente

Uma frota de entregas que utiliza carrinhas elétricas numa região onde as temperaturas diurnas atingem regularmente os 35–38 °C começou a registar uma perda de autonomia mais rápida do que o esperado após cerca de 18 meses. As carrinhas eram, na sua maioria, carregadas durante a noite em corrente alternada (CA), mas os condutores também utilizavam carregadores rápidos de corrente contínua (CC) duas ou três vezes por semana durante os turnos. Os dados de bordo revelaram que as temperaturas das células atingiam frequentemente os 42–46 °C durante essas sessões de carregamento rápido, apesar de o sistema de arrefecimento estar ativo. A perda média de capacidade em toda a frota situava-se em cerca de 8–9% ao ano, em vez dos 3–4% sugeridos pela projeção do fabricante para um ciclo de utilização mais moderado. Os veículos que se mantiveram em carregamento CA e evitaram a altura mais quente do dia apresentaram aproximadamente metade dessa taxa. Assim que a frota adotou uma regra simples — limitar o carregamento rápido em corrente contínua quando a temperatura ambiente estivesse acima dos 32 °C e proporcionar à bateria 20 a 30 minutos de arrefecimento ativo a seguir —, a taxa de perda anual baixou para cerca de 5%. As próprias baterias não tinham mudado; o que mudou foi o ciclo de utilização.

O que se verifica, na prática, no uso diário

Os sistemas de gestão térmica na maioria dos carros elétricos atuais são dimensionados para uma combinação de condução e carregamento rápido ocasional, e não para sessões repetidas de alta potência em condições de calor ambiente elevado. O líquido de arrefecimento consegue dissipar o calor, mas há um atraso, e as células no centro de um módulo costumam aquecer mais do que os sensores próximos das placas de arrefecimento. As baterias LFP lidam melhor com o calor do ponto de vista da longevidade do que muitas baterias NMC, mas ainda assim perdem mais capacidade quando são regularmente submetidas a temperaturas superiores a 40 °C durante o carregamento do que os dados dos ciclos à temperatura ambiente sugerem.

A perda de autonomia em condições reais agrava-se ainda mais porque os condutores notam essa diminuição e começam a carregar com mais frequência, o que aumenta o número de eventos de carregamento a alta intensidade. Os testes laboratoriais que indicam 1 000 ou 1 500 ciclos até 80 % da capacidade partem normalmente do princípio de que a temperatura é controlada e as taxas de carga são moderadas. Quando se acrescentam temperaturas sustentadas das células na faixa dos 40 °C (baixa a média) e múltiplas cargas rápidas em corrente contínua por semana, os mecanismos de envelhecimento por tempo e por ciclos acumulam-se mais rapidamente do que os gráficos mostram.

Se um carro elétrico estiver a perder autonomia mais rapidamente do que o esperado num clima quente, o primeiro a verificar é a frequência com que é submetido a carregamento rápido em corrente contínua (CC) e quais as temperaturas reais que as células atingem durante essas sessões. A diferença entre uma bateria que se mantém perto dos 30 °C e outra que atinge regularmente os 45 °C sob carga é suficientemente grande para alterar a taxa de degradação em vários pontos percentuais por ano, mesmo quando tudo o resto parece normal.