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Como a evolução do sistema de armazenamento de energia é impulsionada pela química das células de bateria – e pela eletrônica de controle

À medida que a era digital avança, estamos cada vez mais rodeados por – e dependentes de – dispositivos eletrônicos de todos os tipos e tamanhos. E, quer sejam os smartwatches em nossos pulsos, os veículos elétricos (EVs) que dirigimos, ou as fontes de energia renovável e centros de dados que nos fornecem recursos de energia e TI em larga escala, todos dependem de energia armazenada por uma razão ou outra.

Alguns precisam desta energia armazenada para operar, enquanto outros a utilizam como um buffer de deslocamento de tempo entre a disponibilidade de energia da rede e a demanda do usuário.  No entanto, em ambos os cenários os dispositivos são alimentados por um sistema de armazenamento de energia (ESS). Isso compreende uma bateria controlada por um sistema eletrônico de gerenciamento de baterias (BMS).

Todos os projetistas de dispositivos estão sob constante pressão para melhorar o desempenho, funcionalidade e confiabilidade de seus produtos, enquanto reduzem o tamanho, peso, custo e consumo de energia. Sistemas ESS bem projetados podem contribuir significativamente para esses objetivos, e sua contribuição pode ser aprimorada tanto por avanços na química das células de bateria quanto no design da eletrônica de BMS.

Este artigo analisa ambos os aspectos dos sistemas ESS – química das células de bateria e eletrônica de controle – e como os últimos desenvolvimentos em ambas as tecnologias estão possibilitando avanços empolgantes nos produtos que os utilizam. No entanto, reconhece que diferentes aplicações têm prioridades muito diferentes. Por exemplo, a economia de tamanho e peso do ESS é primordial no design de um EV; em uma instalação de armazenamento de energia renovável estática, ainda é importante, mas de prioridade menor.

Assim, começamos revisando os fundamentos da química das células de bateria e dos sistemas BMS. Em seguida, analisamos diversas aplicações de ESS, seus desafios específicos e como os últimos desenvolvimentos em ESS estão superando esses desafios.

Baterias e Química das Células de Bateria

A química das células de bateria é a base dos sistemas de armazenamento de energia, e ela determina o desempenho, a segurança e o custo do sistema. Os tipos mais comuns de baterias usados em sistemas de armazenamento de energia são as baterias de íon de lítio, conhecidas por sua alta densidade de energia, longa vida útil e baixa taxa de autodescarga. O íon-lítio é extremamente importante porque, além de sua forma básica, possui muitos derivados, cada um oferecendo um equilíbrio único de benefícios.

Abaixo está uma visão geral de algumas das variantes de de íons de lítio mais importantes:

  • Óxido de Cobalto de Lítio (LCO): O LCO é um dos materiais catódicos mais comumente usados em baterias de íon-lítio. Possui alta densidade de energia, o que o torna ideal para uso em eletrônicos portáteis.
  • Óxido de Manganês de Lítio (LMO): O LMO é outro material catódico popular, conhecido por sua estabilidade e segurança. Tem uma densidade de energia inferior à do LCO, mas é mais barato e mais ecológico.
  • Óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC): O NMC é um material catódico mais recente que oferece um equilíbrio entre densidade de energia, potência e segurança. É comumente usado em veículos elétricos e outras aplicações de alto desempenho.
  • Fosfato de Ferro Lítio (LFP): O LFP é conhecido por sua longa vida útil, excelente estabilidade térmica e segurança. Tem uma densidade de energia inferior à de outros materiais catódicos, mas é mais barato e mais ecológico.
  • Óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio (NCA): O NCA é outro material catódico mais recente que oferece alta densidade de energia e potência. É comumente usado em veículos elétricos.
  • Titânio de Lítio (LTO): O LTO é conhecido por sua longa vida útil, excelente estabilidade térmica e segurança. Tem uma densidade de energia inferior à de outros materiais catódicos, mas pode carregar e descarregar rapidamente.
  • Baterias de estado sólido: Uma alternativa emergente à tecnologia de íon-lítio e polímero de lítio que apresenta um grande potencial, baseia-se nas baterias de estado sólido – um novo tipo de bateria recarregável. Elas usam eletrodos sólidos e um eletrólito sólido, em vez dos eletrólitos líquidos ou de gel de polímero encontrados nas baterias de íon-lítio ou polímero de lítio. Elas têm uma densidade de energia maior, carregam mais rápido, têm uma vida útil prolongada e são muito mais seguras em comparação com as baterias convencionais. O eletrólito sólido pode ser composto por cerâmicas, vidro, sulfetos ou polímeros sólidos.

As baterias de estado sólido ainda estão na fase de pesquisa e desenvolvimento, mas podem potencialmente revolucionar a indústria de baterias. Elas poderiam ser usadas em veículos elétricos, smartphones, laptops e outros dispositivos eletrônicos. A Toyota parece estar perto de um avanço na fabricação que poderia acelerar a transição para veículos elétricos.

Operação Básica de Íon-Lítio

Como qualquer outra bateria, uma bateria recarregável de íon-lítio é composta por um ou mais compartimentos geradores de energia chamados células. Cada célula possui três componentes: um eletrodo positivo (conectado ao terminal positivo ou + da bateria), um eletrodo negativo (conectado ao terminal negativo ou −) e uma substância química chamada eletrólito entre eles. O eletrodo positivo é tipicamente feito de um composto químico chamado óxido de cobalto-lítio (LiCoO2) ou, em baterias mais novas, de fosfato de ferro-lítio (LiFePO4). O eletrodo negativo é geralmente feito de carbono (grafite) e o eletrólito varia de um tipo de bateria para outro.

Todas as baterias de íon-lítio funcionam basicamente da mesma maneira. Quando a bateria está carregando, o eletrodo positivo de óxido de cobalto-lítio libera alguns de seus íons de lítio, que se movem através do eletrólito para o eletrodo negativo de grafite e permanecem lá. A bateria absorve e armazena energia durante esse processo. Quando a bateria está descarregando, os íons de lítio se movem de volta através do eletrólito para o eletrodo positivo, produzindo a energia que alimenta a bateria. Em ambos os casos, os elétrons fluem na direção oposta aos íons ao redor do circuito externo. Os elétrons não fluem através do eletrólito: ele é efetivamente uma barreira isolante, no que diz respeito aos elétrons.

Ao contrário de baterias mais simples, as de íon-lítio têm controladores eletrônicos integrados que regulam como elas carregam e descarregam. Esses controladores evitam a sobrecarga e o superaquecimento que podem causar a explosão das baterias de íon-lítio em algumas circunstâncias.

Figura 1: Bateria recarregável de íon-lítio Ansmann 14,54 V 7Ah com fios

Supercapacitores

Embora, como o nome sugere, sejam capacitores e não baterias, vale mencioná-los porque contribuem significativamente para alguns projetos de sistemas de armazenamento de energia (ESS).

Um supercapacitor (SC), também chamado de ultracapacitor, possui um valor de capacitância muito maior do que os capacitores de estado sólido, mas com limites de voltagem mais baixos. Ele preenche a lacuna entre capacitores eletrolíticos e baterias recarregáveis. Tipicamente, armazena de 10 a 100 vezes mais energia por unidade de volume ou massa do que capacitores eletrolíticos, pode aceitar e entregar carga muito mais rapidamente do que baterias, e tolera muitos mais ciclos de carga e descarga do que baterias recarregáveis.

Os supercapacitores são utilizados em aplicações que requerem muitos ciclos rápidos de carga/descarga, em vez de armazenamento compacto de energia a longo prazo – em automóveis, ônibus, trens, guindastes e elevadores, onde são usados para frenagem regenerativa, armazenamento de energia de curto prazo ou entrega de energia em modo de pulsos. Unidades menores são usadas como backup de energia para memória de acesso randômico estática (SRAM).

Figura 2: Supercapacitor KEMET FG0H225ZF, EDLC, 2,2 F, 5,5 V, chumbo radial, -20%, +80%, 7,62 mm, 1000 horas a 70°C

Noções básicas do sistema de gerenciamento de bateria

Um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) é um dispositivo que monitora o estado de saúde (SOH), temperatura, voltagem, corrente e estado de carga (SOC) da bateria, além de regular o carregamento e descarregamento de um conjunto de baterias de íon-lítio. Ele assegura que cada célula no conjunto permaneça dentro de sua faixa segura de voltagem operacional, enquanto também protege contra condições de sobrecorrente, sobreaquecimento e sobrecarga. O BMS geralmente consiste em uma placa de controle com uma tela de exibição acoplada, além de vários sensores e interruptores localizados ao longo do conjunto de baterias.

A placa de controle utiliza informações dos sensores para calcular o SOC atual de cada célula, assim como o SOC geral do conjunto. Em seguida, compara esses valores com limites predefinidos para determinar quando ativar ou desativar determinadas funções para manter o conjunto operando com segurança. Por exemplo, se uma célula no conjunto começar a carregar muito rapidamente em relação às outras, o BMS desligará a energia para essa célula até que ela atinja um nível de voltagem seguro.

Da mesma forma, se alguma célula atingir uma temperatura insegura, o BMS reduzirá o fluxo de corrente ou desligará completamente a energia até que as temperaturas voltem ao normal. Desta forma, um BMS que funcione corretamente pode prolongar significativamente a vida útil de um conjunto de baterias de íon-lítio, prevenindo danos causados pelo calor excessivo ou sobrecarga.

Componentes-chave do BMS incluem:

  • Monitor de bateria, que verifica continuamente a voltagem, corrente, temperatura e estado de carga (SOC) de cada célula no conjunto. Ele usa essas informações para calcular parâmetros-chave como capacidade, potência e resistência.
  • Circuito de balanceamento, que mantém todas as células no conjunto com voltagens aproximadamente iguais, redistribuindo a carga entre elas conforme necessário. Isso evita que qualquer célula seja sobrecarregada ou descarregada excessivamente, o que poderia danificá-la.
  • Circuito de proteção, que protege as células de danos causados por correntes ou voltagens excessivas. Ele faz isso desconectando partes do conjunto, se necessário.
  • Unidade de controle, que coleta dados do monitor de bateria e os usa para controlar o circuito de balanceamento e o circuito de proteção. Ela também pode fornecer informações sobre o status do conjunto para uma tela externa ou computador via uma interface de comunicação.

Exemplos de aplicação

Após revisar a química das células de bateria subjacentes ao ESS e a eletrônica de controle da bateria, agora focamos em algumas aplicações chave do ESS.

Dispositivos vestíveis

Relógios inteligentes são apenas uma família de uma gama muito mais ampla de dispositivos vestíveis, que estão se tornando cada vez mais funcionais e populares, especialmente em aplicações médicas.

À medida que essa tendência continua, a necessidade de baterias mais eficientes e duradouras se torna cada vez mais importante. Em resposta, os pesquisadores estão constantemente explorando diferentes materiais que podem melhorar a densidade de energia e o desempenho geral das baterias. Por exemplo, o grafeno, uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal, mostrou grande potencial em aumentar a eficiência e a vida útil das baterias. Ao incorporar o grafeno nas baterias vestíveis, os fabricantes podem criar fontes de energia que são não apenas menores e mais leves, mas também mais poderosas e duradouras.

Pesquisadores de baterias vestíveis também focam no design das próprias baterias. Engenheiros estão trabalhando em baterias que são flexíveis e podem ser integradas ao tecido dos dispositivos vestíveis, proporcionando uma experiência de usuário mais integrada e confortável.

A conveniência e simplicidade de carregamento também são fundamentais; o carregamento sem fio emergiu como uma solução conveniente e eficiente para dispositivos vestíveis. Com o carregamento sem fio, os usuários podem simplesmente colocar seus dispositivos em uma base ou dock de carregamento, eliminando a necessidade de cabos complicados. Isso também pode reduzir o desgaste nas portas de carregamento, que são pontos comuns de falha.

Existem muitas outras maneiras pelas quais as tecnologias de baterias e controladores podem contribuir para o desenvolvimento de dispositivos vestíveis:

  • Baterias de estado sólido são uma alternativa promissora aos tipos tradicionais de íon-lítio. Potencialmente, elas podem aumentar significativamente a vida útil e a capacidade de armazenamento de energia dos dispositivos vestíveis.
  • Dispositivos vestíveis muitas vezes têm espaço limitado para baterias, por isso a otimização do uso de energia é crucial. Sistemas inteligentes de gerenciamento de energia podem ajustar dinamicamente o consumo de energia com base nos padrões de uso, garantindo que a bateria dure mais tempo sem sacrificar o desempenho.
  • Sistemas de baterias híbridas combinam diferentes tipos de baterias para maximizar o armazenamento de energia e a eficiência. Por exemplo, um dispositivo vestível pode usar uma combinação de baterias de íon-lítio e supercapacitores para fornecer tanto alta densidade de energia quanto capacidades de carregamento rápido.
  • Baterias imprimíveis são um desenvolvimento relativamente novo na tecnologia de baterias para dispositivos vestíveis. Essas baterias podem ser impressas em substratos flexíveis, permitindo formas e tamanhos personalizados. Isso abre novas possibilidades para o design e a integração de baterias em dispositivos vestíveis.
  • Tecnologias de coleta de energia estão sendo exploradas para alimentar dispositivos vestíveis usando fontes de energia ambiente, como solar, térmica, RF e energia cinética. Ao aproveitar a energia do ambiente, os dispositivos vestíveis podem se tornar mais auto suficientes e reduzir a dependência de métodos tradicionais de carregamento de baterias.

Em dispositivos vestíveis, a escala de coleta de energia é pequena, com fluxos de coleta medidos em μW a mW. Técnicas de design de baixo consumo de energia são fundamentais, por isso a seleção do processador, IC de gerenciamento de energia, bateria e coletor de energia são cruciais.

A Renesas oferece um microcontrolador (MCU) RX111 de 32 bits, que é idealmente configurado para aplicações de coleta de energia, e suas soluções de coleta de energia podem atender aos requisitos de design de dispositivos vestíveis.

O Grupo RX111 (ver Fig.3) possui uma linha abrangente de ROM de baixa capacidade/baixo número de pinos. Com USB 2.0 para carregamento de bateria (BC 1.2), baixo consumo de corrente e rápida ativação a partir do modo de espera, esses microcontroladores são adequados para uso em periféricos de computador, dispositivos de saúde e vestíveis.

Os dispositivos oferecem excelente desempenho de custo, com 50DMIPS a 32MHz. Uma versão com memória Flash está disponível.

Figura 3: Microcontrolador Renesas de 32 bits, família RX, série RX100, microcontroladores do grupo RX111, 32 bits, 32 MHz

Veículos elétricos

Avanços na tecnologia de baterias para VE

Já mencionamos o domínio da química de íon-lítio e algumas de suas variantes. No entanto, com as limitações das baterias de íon-lítio atuais tornando-se evidentes, pesquisadores, startups e fabricantes de automóveis estão correndo para desenvolver inovações revolucionárias. Alguns desses avanços empolgantes na tecnologia de baterias para VE prometem eliminar a ansiedade de alcance, reduzir os tempos de carregamento e tornar a posse de um VE mais acessível do que nunca. Aqui estão alguns exemplos:

  • Eletrodos de nanotubos de carbono: A NAWA Technologies desenvolveu um Eletrodo de Carbono Ultrarrápido baseado em nanotubos de carbono verticalmente alinhados. Essa inovação oferece um aumento significativo na potência da bateria, três vezes a capacidade de armazenamento de energia e uma vida útil prolongada da bateria. A NAWA prevê que sua tecnologia permitirá um carregamento de 80% em apenas cinco minutos.
  • Baterias sem cobalto: Para resolver a escassez, o custo e as preocupações ambientais associadas ao cobalto, pesquisadores da Universidade do Texas desenvolveram uma bateria de íon-lítio que substitui o cobalto por até 89% de níquel, juntamente com alumínio e manganês.
  • Baterias com ânodo de silício: Pesquisadores da Universidade da Finlândia Oriental fizeram progressos na estabilização do silício em baterias de íon-lítio. Seu ânodo híbrido, que combina micropartículas de silício mesoporoso e nanotubos de carbono, tem o potencial de aumentar significativamente o desempenho da bateria, aproveitando a maior capacidade do silício. Importante, o silício utilizado nessas baterias é proveniente de cinzas de casca de cevada, uma fonte ambientalmente amigável.
  • Carregue seu carro em cinco minutos: A StoreDot, uma startup originada do departamento de nanotecnologia da Universidade de Tel Aviv, desenvolveu um carregador usando compostos peptídicos orgânicos. Este carregador pode recarregar smartphones em apenas 60 segundos e é não inflamável para um carregamento mais seguro. A StoreDot também está trabalhando em baterias para VE que carregam em cinco minutos e oferecem uma autonomia de 300 milhas.

Requisitos rigorosos para gerenciamento de baterias de VE

As baterias colocam pressão sobre as equipes de design, pois precisam considerar prioridades como preço, confiabilidade e segurança. Ao lidar com sistemas de VE que fornecem de 48 a 800 volts, não se pode correr riscos.

Um sistema de baterias que se espera fornecer mais de cem quilowatts de energia com o pressionar de um pedal deve operar a centenas de volts para ser eficiente. No entanto, as células de bateria de lítio fornecem apenas alguns volts. Para extrair energia suficiente, um grande número de células de bateria são conectadas em série como uma longa pilha. Um veículo elétrico padrão pode utilizar 100 células de bateria individuais, fornecendo 350 volts no topo da pilha. E isso apresenta alguns desafios.

Se uma célula falhar em uma longa pilha de células de bateria, você efetivamente perde todas elas. Portanto, é necessário monitorar e gerenciar todas elas—carregando-as e descarregando-as—todos os dias durante a vida útil do veículo. As células de bateria de lítio não podem ser operadas em toda a extensão de sua faixa de carga e descarga. Elas devem ser mantidas em uma faixa muito específica, como de 15% a 85%, caso contrário, as células são enfraquecidas.

O BMS da ADI fornece medições precisas das células desde o momento em que o pacote é fabricado até a sua retirada. Os componentes eletrônicos são conectados diretamente a cada célula na pilha, reportando de volta a voltagem e a temperatura, coordenados com a corrente da célula. O sistema determina o estado de carga e o estado de saúde. A corrente e a temperatura de cada célula devem ser monitoradas através de um algoritmo complexo no processador central. A Analog Devices (ADI) incorpora uma interface de comunicação robusta enquanto permite uma arquitetura de design modular. Ele é totalmente extensível para sua variada base de clientes.

Figura 4: Sistema de gerenciamento de bateria com fio ADI

A Figura 4 mostra que a supervisão geral é realizada por um Monitor de Pacote; a ADI realiza essa função em seu chip LTC2949. Este é um medidor de corrente, voltagem, temperatura, carga e energia de alta precisão para veículos elétricos e híbridos e outras aplicações de detecção de corrente isolada. Ele infere a carga e a energia que fluem para dentro e para fora do pacote de baterias monitorando simultaneamente a queda de voltagem sobre até dois resistores de detecção e a voltagem do pacote de baterias.

Figura 5: Dispositivos analógicos LTC2949, monitor de bateria IC LTC2949, multiquímica, I2C, serial, LQFP-EP, 48 pinos, -40 a 125 °C, AEC-Q100

Tecnologia de gerenciamento de baterias sem fio

Embora a Analog Devices forneça os sistemas de gerenciamento de baterias com fio mais precisos do mercado, conforme mostrado na Fig. 4, a empresa foi inspirada a desenvolver a tecnologia de gerenciamento de baterias sem fio (wBMS). Essa inspiração veio de sua análise das desvantagens da fiação de comunicações nos pacotes de baterias convencionais de veículos elétricos (VEs).

A bateria de um VE requer um meio de transferir dados de cada módulo — onde são medidos a voltagem, corrente e temperatura — para o processador da unidade de controle eletrônico (ECU) (veja a Fig. 6). Tradicionalmente, essas conexões são feitas com fios: conexões com fio têm a vantagem de serem familiares e bem compreendidas.

Figura 6: Uma rede padrão BMS com fio multicomponente complexa (esquerda) e o arranjo mais simples possibilitado pela tecnologia wBMS da Analog Devices (direita).

Mas não é difícil compilar uma longa lista de desvantagens: uma fiação de cobre é pesada e ocupa espaço que, se preenchido por uma célula de bateria, aumentaria a capacidade de energia. Além disso, os conectores podem sofrer falhas mecânicas. Em outras palavras, os fios aumentam o esforço de desenvolvimento, o custo de fabricação e o peso, ao mesmo tempo que reduzem a confiabilidade mecânica e o espaço utilizável. Isso resulta em uma redução na autonomia de condução.

Eliminando a fiação, o fabricante de automóveis também ganhará flexibilidade ao projetar o formato do pacote de baterias para atender aos requisitos de projeto do veículo.

A complexidade da fiação da bateria também torna a montagem do pacote de baterias difícil e cara: pacotes com fio devem ser montados e as conexões terminadas manualmente. Este é um processo caro e perigoso porque os módulos de bateria de alta tensão dos veículos elétricos são fornecidos carregados. Para manter a segurança do processo de montagem e proteger os trabalhadores da linha de produção, são aplicados rigorosos protocolos de segurança.

A vantagem proporcionada pela plataforma de sistema modular e escalável wBMS da Analog Devices é que um OEM pode automatizar completamente a montagem do pacote de baterias. Após a eliminação da fiação (de sinal), as únicas conexões que um módulo de bateria requer são os terminais de energia, que podem ser facilmente feitos por robôs em um processo automatizado. Ao eliminar a mão-de-obra manual, os OEMs também eliminam os riscos de segurança para os trabalhadores da linha de montagem.

Sistemas de energia solar fotovoltaica (PV)

A energia solar coletada por células fotovoltaicas (PV) é atraente como uma fonte de energia renovável e ecologicamente correta.No entanto, não é ideal porque os níveis de luz solar são imprevisíveis e é pouco provável que os períodos de luz solar elevada coincidam com períodos de procura máxima. Portanto, é melhor considerar as fontes fotovoltaicas como um complemento à energia da rede elétrica, em vez de um substituto.

Este conceito pode ser implementado usando um sistema de bateria e ESS. Em um sistema simples fora da rede, o sistema ESS converte a energia solar em energia armazenada na bateria, que então é liberada para a carga local conforme a demanda do consumidor. No entanto, os sistemas conectados à rede elétrica se tornaram predominantes; eles podem fornecer energia excedente à rede durante períodos de alta geração de energia, consumir eletricidade da rede durante períodos de baixa geração ou alta demanda, e fornecer serviços de suporte à rede, como regulação de frequência e controle de tensão, dependendo das capacidades do ESS e da configuração do sistema.

Como uma característica de segurança crítica, todos os sistemas conectados à rede elétrica se desconectam automaticamente da rede na ausência de energia da rede.

Os sistemas PV/ESS usam inversores para converter a saída DC dos PVs em uma tensão AC que pode ser alimentada na rede ou usada localmente. Os sistemas de inversores também participam da interface dos sistemas PV com o ESS, gerenciando o processo de carregamento e descarregamento.

Os inversores podem ser implementados de diferentes maneiras, geralmente baseadas em designs de inversores string ou microinversores. Cada abordagem tem suas próprias vantagens.

Arquiteturas de microinversores dedicam um dispositivo para cada painel solar. Esta abordagem apresenta várias vantagens, incluindo:

  • Uma solução para problemas de sombreamento
  • Permite painéis em diferentes orientações
  • Maior saída de energia
  • Maior segurança devido à voltagem mais baixa
  • Monitoramento individual dos painéis
  • Maior vida útil
  • Fácil expansão do tamanho do sistema
  • Permite um layout e expansão dos painéis mais flexíveis

A NXP oferece uma variedade de produtos para inversores fotovoltaicos utilizados em sistemas de geração de energia residencial, comercial e de utilidade pública que fornecem energia AC para a rede elétrica. As soluções da NXP permitem tanto sistemas conectados à rede quanto sistemas solares off-grid. Quando o armazenamento de energia em baterias é desejado, os inversores fotovoltaicos da NXP podem ser projetados com conversão bidirecional e o excesso de energia também pode ser enviado para a rede.

Microcontroladores, gate drivers, dispositivos de gerenciamento de energia e vários tipos de dispositivos de conectividade sem fio e com fio são recomendados para inversores string e microinversores (saída de energia AC), bem como inversores otimizadores (saída de energia DC).

A Figura 7 mostra a implementação de um microinversor pela NXP. A empresa também oferece inversores string, inversores centrais, inversores string híbridos, inversores string distribuídos e otimizadores para sistemas de geração de energia fotovoltaica.

Figura 7: Implementação NXP de um microinversor

No entanto, alguns usuários preferem inversores de string em vez dos tipos micro, especialmente se não houver problemas de sombreamento e vários painéis puderem ser instalados unidirecionalmente em uma superfície de telhado. Os inversores de string têm vantagens de redução nos custos de cabeamento, maior redundância, alta eficiência energética e facilidade de substituição.

Onde inversores de string são preferidos, seu design pode ser aprimorado utilizando a tecnologia CoolSIC™ da Infineon. Com MOSFETs CoolSiC™, a potência de um inversor de string pode ser dobrada em comparação com uma solução baseada em IGBT de silício com o mesmo peso do inversor. O CoolSiC™ permite que a densidade de potência aumente em um fator de 2,5, por exemplo, de 50 kW (Si) para 125 kW (SiC), com um peso de menos de 80 kg, o que pode ser carregado por dois montadores. Além disso, as perdas de eficiência em altas temperaturas de operação são significativamente menores do que em uma solução de silício. A eficiência máxima é superior a 99%

Os dispositivos CoolSiC™ MOSFET de 650V e 1200V da Infineon estão reduzindo as perdas em 50% para maior eficiência energética. Como os bancos de bateria representam a maior parte dos custos totais dos sistemas de armazenamento de energia, a transição de MOSFETs de super junção de silício para MOSFETs CoolSIC™ pode resultar em aproximadamente 2% de energia adicional sem aumentar o tamanho da bateria.

Figura 8: Infineon CoolSiC™ IMZ120R140M1H, MOSFET de carbeto de silício com trincheira de SiC de 1200V

Um futuro de contínua evolução

Baterias e sistemas de armazenamento de energia (ESS) são componentes vitais do ambiente digital em constante evolução. No entanto, novas oportunidades inevitavelmente trazem novos desafios – e as aplicações estabelecidas sempre necessitam de melhorias.

Felizmente, novas oportunidades e desafios também impulsionam a inovação. No campo das baterias, os conceitos em desenvolvimento incluem química das células de bateria baseada em água do mar e tecnologia de bateria que utiliza areia para criar silício puro.

A tecnologia de carregamento também está passando por inovações. Por exemplo, pesquisadores desenvolveram uma antena de captação de ondas de rádio usando dissulfeto de molibdênio (MoS2). Essa tecnologia visa recarregar veículos elétricos via Wi-Fi, convertendo energia AC em DC, eliminando a necessidade de carregamento físico. Embora a viabilidade e os aspectos de segurança ainda estejam em pesquisa, o conceito promete um futuro promissor.

Referências

  1. Lithium-ion battery – Wikipedia
  2. Solid-state battery – Wikipedia
  3. Top Solid-State Battery Companies (ai4beginners.com)
  4. How solid-state batteries could transform transport (ft.com)
  5. How do lithium-ion batteries work? – Explain that Stuff
  6. Supercapacitor – Wikipedia
  7. How Does Battery Management System Work? – The Power Facts
  8. Latest Advancements in Wearable Battery Tech: Powering the Future – (lambdageeks.com)
  9. Energy Harvesting with RX111 MCUs | Renesas
  10. 2023 Top 10 Revolutionary Advances in EV Battery Technology (steerev.com)
  11. wBMS Technology: The New Competitive Edge for EV Manufacturers | Analog Devices
  12. Micro Inverters – When Do You Need Them? | Solar Calculator
  13. Solar Photovoltaic (PV) Energy Generation | NXP Semiconductors
  14. Systems and Applications – Infineon Technologies
  15. 2023 Top 10 Revolutionary Advances in EV Battery Technology (steerev.com)

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* Texto originalmente publicado no link, adaptado pela Equipe Embarcados.

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