Bateria de grande capacidade + baixo consumo de energia! O BMW i3 de nova geração percorreu 1213 quilômetros com um consumo de energia de apenas 8,8 kWh por 100 quilômetros?
O teste realizado por outro veículo de comunicação do setor automotivo viralizou.
Na noite passada, a Autohome trouxe três sedãs totalmente elétricos para um desafio de alta velocidade no anel viário de Pequim. Os resultados causaram alvoroço na internet.
Um sedã executivo com autonomia oficial de 1008 quilômetros percorreu apenas 566,4 quilômetros, atingindo pouco mais da metade da meta de autonomia, com 56,2%, e um consumo de energia de 15,1 kWh/100km. Os outros dois sedãs tiveram um desempenho ligeiramente melhor, atingindo 63,6% e 75,3% de suas metas, respectivamente, com o sedã de maior autonomia alcançando 678,6 quilômetros.
Com a autonomia reduzida pela metade para 1.000 quilômetros, a seção de comentários foi naturalmente inundada com diversas observações sarcásticas.
Enquanto os internautas discutiam acaloradamente, a BMW realizou um evento do Dia da Inovação em Shenyang, divulgando casualmente um relatório de desempenho:
Um BMW i3 de nova geração completou uma viagem de ida e volta de 1213 quilômetros de Shenyang a Dalian sem recarregar, atingindo uma taxa de aproveitamento de autonomia de 118%.
No entanto, é importante notar que o teste da BMW não envolveu condução exclusivamente em autoestradas, como o realizado pela Autohome; incluiu também uma quantidade significativa de estradas nacionais e urbanas. Se a nova geração do i3 fosse submetida ao mesmo teste, sua autonomia provavelmente seria reduzida.
No entanto, isso não significa que o resultado seja irrelevante. O que realmente me faz pensar que a BMW tem algo especial é o seu consumo médio de energia por 100 quilômetros – apenas 8,8 kWh.
Trata-se de uma conquista sem precedentes entre veículos produzidos em massa da mesma categoria.
Baterias de grande capacidade e baixo consumo de energia não são contraditórios.
Como todos sabemos, a maneira mais simples e fácil de obter uma longa duração da bateria é aumentar sua capacidade. Lei Jun admitiu em uma entrevista pública este ano que a Xiaomi Auto realmente precisa aprender com a Tesla nesse aspecto e reduzir o consumo de energia.
No entanto, a capacidade da BMW de alcançar uma autonomia superior a 1.000 quilômetros também depende de uma bateria de grande capacidade – a nova geração do i3 possui uma bateria com capacidade de 113,4 kWh.
No entanto, ao contrário da abordagem da Tesla de "bateria pequena e baixo consumo de energia", a ideia da BMW é aumentar o tamanho da bateria, mantendo o consumo de energia baixo.
A nova geração do i3 atinge um consumo de energia de um dígito, graças em grande parte à bateria de sexta geração que acaba de sair da linha de produção da fábrica de Shenyang. Esta é também a primeira vez que uma bateria cilíndrica de grande porte assume o protagonismo em uma marca de luxo de primeira linha.
No evento, o presidente da BMW Brilliance, Josef Borrell, afirmou que a produção em massa da bateria de sexta geração em Shenyang é crucial para o lançamento bem-sucedido da nova geração de modelos na China. A essência dos veículos totalmente elétricos da BMW reside nesse componente cilíndrico.
As baterias cilíndricas grandes da série 46 usadas pela BMW não são exatamente uma novidade. Antes disso, a indústria de baterias de alta potência já vinha explorando o tamanho das células cilíndricas há mais de uma década. Das baterias 18650 do Tesla Model S, passando pelas 21700 usadas no Model 3, até chegar à série 46, as baterias cilíndricas foram ficando cada vez maiores ao longo dos anos.
Mas você reparou que, desde que a Tesla apresentou a célula 4680 no Battery Day em 2020, o diâmetro da célula cilíndrica não aumentou?
por que é que?
As primeiras baterias 18650 tinham uma capacidade de apenas 2-3 Ah, o que exigia que milhares de células fossem amontoadas em um único carro. Por exemplo, o conjunto de baterias do primeiro Model S continha mais de 7.000 células 18650. O peso dessas milhares de carcaças de aço era bastante significativo, e a densidade de energia estava longe de ser respeitável. Para melhorar isso, as baterias tiveram que ser fabricadas com maior espessura.
No entanto, tornar o cilindro muito espesso também não é bom, pois dificultará a dissipação de calor no meio da célula, o que pode levar ao envelhecimento acelerado ou mesmo à fuga térmica.
De acordo com o modelo termodinâmico publicado pela Tesla na época, 46 milímetros é exatamente o ponto crítico físico para equilibrar a autonomia e o gerenciamento térmico.
A Tesla foi a primeira a colocar o tubo cilíndrico de 46 mm em produção em massa. Após seu lançamento em 2020, a empresa rapidamente o aplicou ao Model Y e ao Cybertruck produzidos em sua fábrica no Texas.
No entanto, devido às limitações da tecnologia de fabricação da época, o grande dispositivo cilíndrico não era perfeito em termos de carregamento rápido e dissipação de calor. O que realmente salvou o grande dispositivo cilíndrico foi uma tecnologia chamada "aba omnidirecional".
As baterias tradicionais possuem apenas um ou dois terminais, forçando os elétrons a se deslocarem lateralmente através de folhas de metal com dezenas de centímetros de comprimento. Quando uma corrente elevada passa por elas, a alta impedância faz com que a célula aqueça rapidamente, razão pela qual as primeiras baterias cilíndricas não foram projetadas para carregamento rápido de alta potência.
O método de utilização de um eletrodo de placa completa consiste em tornar a borda do eletrodo uma única face condutora, permitindo que os elétrons fluam diretamente ao longo de um caminho muito curto.
Não é necessário ler o parágrafo acima em detalhes. Basta saber que esse ajuste estrutural reduziu a resistência interna da célula da bateria em 80% e diminuiu significativamente o calor gerado pela célula durante os processos de carga e descarga.
Graças à redução na geração de calor, a célula da bateria possui um limite de segurança térmica mais elevado. Com essa garantia, os engenheiros se sentem mais seguros ao introduzir sistemas eletroquímicos mais ativos internamente.
É por isso que a BMW conseguiu aplicar diretamente mais de 90% de cátodos de alto teor de níquel e ânodos de silício-carbono em suas células de bateria de sexta geração.
O silício possui uma capacidade específica extremamente alta, mas se expande como um balão quando saturado com íons de lítio. Se uma alta proporção de ânodo de silício for usada em uma bateria prismática, a carcaça se deforma facilmente, levando à deposição de lítio metálico.
Os invólucros cilíndricos de aço possuem uma estrutura axissimétrica natural e uma forte rigidez mecânica circunferencial, o que permite restringir uniformemente a deformação dos ânodos de silício durante os processos de carga e descarga.
Para atender aos diferentes modelos de veículos, a BMW preparou dois tamanhos de baterias cilíndricas: a 4695, com 95 mm de altura, é reservada para sedãs para reduzir a espessura do chassi; já a 46120, com 120 mm de altura, é reservada para SUVs para aumentar a capacidade da bateria.
Diferentemente da Tesla, a BMW não buscou um desenvolvimento e produção próprios agressivos. Em vez disso, estabeleceu seus próprios padrões de fórmula e terceirizou a produção para fornecedores chineses, a CATL e a EVE Energy.
Foi precisamente graças ao sistema de fabricação maduro que o projeto de baterias de 10 bilhões de yuans em Shenyang pôde ser lançado rapidamente, concluindo os preparativos de hardware antes do lançamento completo da nova geração.
As baterias cilíndricas grandes são ótimas, mas por que as pessoas não as usam?
Imagino se você já passou por esta situação: ao atingir 120 km/h, o ar-condicionado para de funcionar repentinamente. É assim com o meu Tesla Model 3; sempre preciso baixar manualmente a temperatura do ar-condicionado em dois graus para que o carro fique minimamente fresco.
Na verdade, trata-se da proteção contra altas temperaturas da bateria. Com base nos dados de arrasto e resistência ao rolamento do Model 3, estima-se que a bateria precise manter uma potência de saída de 18 a 20 kW quando o veículo estiver em velocidade de cruzeiro de 120 km/h.
De acordo com a lei de Joule, o calor gerado em um condutor é proporcional ao quadrado da corrente. Descargas contínuas de alta potência causam um rápido acúmulo de calor dentro da célula da bateria. Infelizmente, baterias de alta potência são particularmente sensíveis às temperaturas de operação. Quando a temperatura da célula fica muito alta, o sistema de gerenciamento térmico prioriza a dissipação de calor da bateria.
O componente principal do sistema integrado de gerenciamento térmico da Tesla é a válvula de oito vias. Quando a célula da bateria superaquece, a válvula de oito vias alterna o fluxo de refrigerante e fluido refrigerante, transferindo diretamente a maior parte da capacidade de resfriamento produzida pelo compressor para o circuito de resfriamento a água da bateria através do trocador de calor de placas.
O compressor do Model 3 tem uma capacidade máxima de refrigeração de apenas três a quatro quilowatts. Como a maior parte dessa energia é consumida pela bateria, o ar condicionado naturalmente não consegue resfriar o suficiente.
A grande bateria cilíndrica resolveu esse problema perfeitamente.
Como a resistência interna da célula da bateria é reduzida em 80%, o calor Joule gerado durante o processo de descarga é bastante reduzido, e a circulação convencional de água para refrigeração é suficiente para manter a temperatura normal, não havendo necessidade de competir com o sistema de refrigeração da cabine.
Além da questão do ar condicionado de alta velocidade, a posição dos passageiros traseiros também é um ponto de crítica frequente em relação aos sedãs puramente elétricos.
Incluindo a placa de refrigeração líquida e a tampa protetora, a espessura de uma bateria quadrada tradicional geralmente gira em torno de 140 mm. Para acomodar essa bateria no chassi, o assoalho de muitos carros precisa ser elevado em dois ou três centímetros, resultando em falta de apoio para as coxas dos passageiros traseiros, o que naturalmente torna as viagens longas desconfortáveis.
O motivo pelo qual as baterias prismáticas são tão espessas é que as próprias células são relativamente frágeis, e o conjunto de baterias precisa ser equipado com vigas e estruturas robustas para proteção física.
A grande carcaça cilíndrica de aço da série 46 possui uma resistência à compressão extremamente alta e pode ser usada diretamente como estrutura de suporte de carga para o chassi. Após a BMW integrá-la à carroceria, a espessura do conjunto de baterias foi reduzida em quase 20 milímetros.
Com um chassi mais fino, os sedãs finalmente recuperaram a posição de dirigir confortável e próxima ao solo dos veículos tradicionais movidos a gasolina.
Outra questão é: dadas as vantagens óbvias das grandes baterias cilíndricas em termos de experiência do usuário, por que os principais fabricantes nacionais de baterias de energia não transformaram seus modelos de negócios? A questão principal é o custo.
Atualmente, as baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP) dominam o mercado interno, representando quase 70% das instalações em veículos. Quando as células prismáticas são transformadas em baterias CTP (cell-to-pack), a taxa de utilização do volume da bateria pode ultrapassar 70%. No entanto, as células cilíndricas possuem, naturalmente, espaços triangulares inevitáveis, resultando em uma taxa de utilização do espaço de apenas cerca de 60%. Transformar as baterias LFP, que inerentemente têm densidade de energia limitada, em células cilíndricas representaria um desperdício de espaço no chassi.
Por outro lado, as empresas nacionais de baterias de energia acumularam centenas de GWh de capacidade de produção de células prismáticas nos últimos anos, reduzindo os custos de fabricação para 0,3 a 0,4 yuan por watt-hora. Diante da acirrada concorrência de mercado, é difícil para as empresas investirem uma grande quantia de dinheiro para recomeçar do zero.
Além disso, até mesmo uma gigante como a Tesla tropeçou com a bateria 4680.
Para alcançar uma redução de custos de 56%, a Tesla optou por se concentrar no processo de cátodo seco. No entanto, como as folhas de eletrodo eram propensas a rachaduras e desprendimento durante o processo de compactação, a taxa de rendimento inicial permaneceu entre 70% e 80% por um longo período, dificultando o alcance do ponto de equilíbrio de mais de 95% em uma linha de produção consolidada. Consequentemente, o aumento da produção da Cybertruck foi atrasado por um longo tempo.
A BMW optou por um caminho mais engenhoso, evitando o processo a seco, ainda incipiente, e confiando no processo úmido de alta velocidade para alcançar a produção em massa.
Essa escolha certamente tem um custo. Os processos úmidos exigem revestimento com solvente e linhas de produção com cura em alta temperatura, o que requer grandes áreas fabris e consome muita eletricidade. Obviamente, a BMW não pode usufruir dos benefícios teóricos da redução dos custos de fabricação ao utilizar cátodos secos.
No entanto, os preços das marcas de luxo são suficientes para absorver essas despesas. Em vez de buscar reduções de custos extremas, o que a BMW mais precisa agora é de certeza sobre o cronograma de produção em massa.
Por outro lado, a Alemanha possui um grande número de rodovias sem limite de velocidade, onde os veículos percorrem longas distâncias a velocidades de 160 km/h ou até superiores, e a potência de descarga frequentemente atinge de 40 a 50 quilowatts. As características físicas de um cilindro de grandes dimensões, com baixa resistência interna e dissipação de calor axial, são mais adequadas para essas condições de alta carga.
Agora que os desafios de engenharia relacionados às baterias foram superados, o ritmo de lançamento de novos carros da BMW acelerou consideravelmente.
Segundo o plano da BMW, até 2027, o mercado chinês verá cerca de 20 novos modelos equipados com tecnologias de última geração. Além disso, a BMW pretende aumentar a proporção de modelos produzidos internamente para mais de 95% até 2030 e vender BMWs "Made in China" no exterior.
Nos últimos anos, a atenção do público tem se concentrado principalmente no sistema de infoentretenimento e nos recursos de direção inteligente ao comprar veículos elétricos. No entanto, à medida que os produtos e o mercado amadurecem, a competição entre os veículos puramente elétricos acabará por retornar a aspectos mais básicos, como chassi, gerenciamento térmico e consumo de energia.
