Cientistas Alemães Criam Sistema de Comunicação Interna para Baterias que Elimina a Fiação dos Sensores

Pesquisadores da Universidade de Kiel deram um passo decisivo para resolver um dos grandes desafios da indústria energética: saber com precisão o que acontece dentro de cada célula da bateria enquanto ela está em operação.

A equipe desenvolveu um novo sistema de comunicação que permite instalar sensores no interior das células e transmitir suas medições para o exterior utilizando as próprias conexões elétricas que já existem para carga e descarga – sem precisar de cabos de comunicação extras.

Esse avanço, apelidado pelos criadores de “bateria comunicativa” ou “talkative battery”, representa uma mudança de paradigma na gestão dos sistemas de armazenamento de energia.

Segundo uma estimativa inicial de custos da equipe, o sistema pode reduzir as despesas em cerca de 35% na comparação com as soluções convencionais, que dependem de uma fiação independente para os sensores. O conceito foi apresentado pelo Dr. Hamzeh Beiranvand, da Cátedra de Eletrônica de Potência da Universidade de Kiel, na revista Communications Engineering.

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O Problema de Monitorar uma Bateria por Fora

As baterias modernas – sejam as de veículos elétricos ou os grandes sistemas de armazenamento estacionário para energias renováveis – são formadas por centenas ou milhares de células individuais. E cada uma delas apresenta pequenas variações de temperatura, pressão e comportamento eletroquímico durante os ciclos de carga e descarga.

Os atuais sistemas de gerenciamento de bateria (BMS) coletam informações sobre tensão, corrente e temperatura para controlar o funcionamento do conjunto, mas a maioria dos sensores térmicos é colocada na superfície externa das células.

Essa localização traz uma limitação crítica: o calor perigoso pode começar a se acumular dentro da bateria antes que seja detectado do lado de fora. Quando o aumento da temperatura chega à superfície, o problema interno pode já estar em estágio avançado.

Por isso, instalar sensores no interior das células permitiria obter informações muito mais precisas e precoces. Mas, até agora, cada sensor precisava de componentes eletrônicos e conexões adicionais para transmitir os dados, ocupando um espaço valioso e complicando o design.

Uma Bateria que Usa os Próprios Terminais

A solução desenvolvida em Kiel parte de uma ideia engenhosa: aproveitar as conexões elétricas existentes para transportar também os dados dos sensores. A equipe integrou um pequeno circuito eletrônico diretamente dentro da célula da bateria.

Esse dispositivo, que ocupa muito pouco espaço, recebe as medições do sensor de temperatura e as transforma em um sinal digital. A informação viaja então para o exterior usando os mesmos terminais empregados para carregar e descarregar a bateria, sem necessidade de conexões independentes.

Além disso, o sistema se aproveita da eletrônica de potência que já controla o processo de carga e descarga para facilitar a comunicação. Dessa forma, a bateria usa sua própria infraestrutura elétrica para informar sobre o que acontece dentro dela.

“Nosso trabalho é um primeiro passo em direção a baterias inteligentes que monitoram e relatam continuamente seu próprio estado”, afirmou Beiranvand. “Isso poderia tornar os sistemas de baterias mais seguros e econômicos.”

Detectar Sinais Antes que o Problema Avance

A temperatura é um dos parâmetros mais importantes para controlar a segurança de uma bateria. Um aumento anormal pode indicar defeitos internos, reações químicas indesejadas ou o início de processos que deterioram rapidamente a célula.

Ter sensores internos permitiria detectar essas mudanças muito antes do que os sistemas que medem apenas pelo exterior. As informações poderiam ser enviadas continuamente ao sistema de gerenciamento da bateria, que poderia então reduzir a potência de carga, limitar a corrente, ativar os sistemas de refrigeração ou isolar uma célula problemática antes que a falha afete o restante do pacote.

A grande vantagem é que a bateria deixaria de ser um componente relativamente opaco para se tornar uma fonte de informações detalhadas e em tempo real sobre seu próprio estado.

O conceito desenvolvido pela Universidade de Kiel não se limita a sensores térmicos. Johannes Diers, pesquisador de doutorado na Cátedra de Eletrônica de Potência e primeiro autor do estudo, destacou que “em princípio, o conceito não se limita a sensores de temperatura. Sensores de pressão, de gás ou outros tipos também poderiam transmitir informações do interior da bateria exatamente da mesma maneira”.

Essa capacidade seria especialmente interessante para detectar processos de degradação. Durante o envelhecimento da bateria, podem ocorrer mudanças internas que afetam o desempenho muito antes de provocar uma falha evidente.

Conhecer essas variações permitiria desenvolver sistemas de diagnóstico mais precisos e estimar melhor o real estado de saúde de cada bateria.

Da Manutenção Programada à Preditiva

Atualmente, muitas baterias são revisadas por meio de calendários de manutenção ou quando aparecem sintomas de perda de desempenho. A disponibilidade de dados internos permitiria avançar em direção a modelos preditivos.

Os algoritmos de gestão poderiam analisar a evolução de cada célula e detectar padrões anormais. Um pequeno aumento recorrente de temperatura, mudanças de pressão ou formação de gases poderiam servir como sinais precoces. A manutenção poderia ser realizada exatamente quando necessária: nem cedo demais, nem tarde demais.

Para os grandes operadores de armazenamento, essa capacidade pode se traduzir em menores custos de operação e maior disponibilidade das instalações. Para os usuários domésticos, poderia significar baterias solares capazes de informar com mais precisão sobre seu estado real e a vida útil restante.

O sistema desenvolvido pelos pesquisadores de Kiel ainda está em fase de pesquisa. Antes de ser incorporado a baterias comerciais, terá que demonstrar funcionamento a longo prazo, suportar milhares de ciclos de carga e descarga e se adaptar a diferentes químicas e formatos de célula.

Também será necessário estudar como fabricar esses circuitos em grande escala sem introduzir novos riscos nem complicar os processos industriais. A miniaturização será outro aspecto importante: quanto menor for o tamanho dos sensores e da eletrônica necessária, mais simples será integrá-los dentro das baterias.

Ainda assim, o princípio demonstrado abre um caminho interessante: obter informações diretamente do interior das células sem adicionar uma complexa rede de cabos de comunicação.

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