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Design and Analysis of Phase Change Material-based Battery Thermal Management System With Various Cell Configurations

Este estudio demuestra que la optimización de la geometría del recinto de un sistema de gestión térmica de baterías basado en materiales de cambio de fase pasivos mejora significativamente el rendimiento térmico, reduciendo la temperatura máxima de la celda y mejorando la uniformidad de la temperatura para paquetes de baterías de 18650 LiFePO4/Grafito de alta tasa.

Autores originales: ARUN KUMAR M, PERIYASAMY S, PARIMALA MURUGAVENI S

Publicado 2026-07-09

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CC BY 4.0

Autores originales: ARUN KUMAR M, PERIYASAMY S, PARIMALA MURUGAVENI S

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que tienes un grupo de 16 diminutos y de alto rendimiento trabajadores de energía (baterías) agrupados estrechamente en una caja. Cuando trabajan duro (descarga a una tasa alta), se calientan. Si se calientan demasiado, se cansan, se estropean o incluso pueden prenderse fuego. Si se calientan demasiado en un punto pero se mantienen frescos en otro, todo el equipo se desincroniza.

Este artículo trata sobre la construcción de una mejor "manta" para estos trabajadores para mantenerlos frescos sin utilizar ventiladores o bombas.

El Problema: El "Equipo Sobrecalentado"

Los investigadores estaban estudiando un tipo específico de batería (18650 LiFePO4) dispuesta en una cuadrícula de 4x4. Cuando estas baterías trabajan a gran velocidad (descarga de 3C), generan mucho calor.

El Peligro: Si la temperatura supera los 60 °C (333 K), las baterías comienzan a degradarse.
La Forma Antigua: Normalmente, utilizamos ventiladores o refrigeración líquida (sistemas activos). Pero estos consumen electricidad, tienen piezas móviles que pueden romperse y añaden peso.
La Nueva Idea: Utilizar un "Material de Cambio de Fase" (PCM). Piensa en esto como un gran bloque de parafina (similar a la cera de las velas) rodeando las baterías.

La Magia de la "Manta de Cera"

La parafina tiene un superpoder: el Calor Latente.

La Analogía: Imagina que estás sudando. A medida que tu sudor se evapora, te enfría sin que tu temperatura corporal aumente inmediatamente.
Cómo funciona: Cuando las baterías se calientan, la cera comienza a derretirse. Derretirse requiere una enorme cantidad de energía. Por lo tanto, la cera "absorbe" el calor de las baterías para pasar de estado sólido a líquido, manteniendo la temperatura de la batería estable durante mucho tiempo. Es como una esponja térmica que absorbe el calor en lugar de agua.

El Problema: La parafina normal es un mal conductor del calor (es como un suéter de lana grueso; mantiene el calor dentro). Si simplemente viertes cera alrededor de las baterías, la cera que toca las baterías se derretirá instantáneamente, pero la cera que está lejos permanecerá congelada. La "esponja térmica" no se utiliza de manera eficiente.

El Experimento: Probando Diferentes Formas de "Caja"

Los investigadores se preguntaron: ¿Podemos cambiar la forma de la caja que contiene la cera y las baterías para hacer que el calor se distribuya mejor?

Diseñaron 7 diseños diferentes (Modelos 1 al 7) utilizando software de computadora.

Modelo 1 (El Control): Una caja simple y plana con las baterías espaciadas uniformemente.
Modelos 2–7: Movieron las baterías de lugar, cambiaron el espaciado y crearon patrones diagonales para ver si podían forzar al calor a viajar más profundamente en la cera.

Utilizaron una potente simulación por computadora (ANSYS Fluent) para actuar estos escenarios, tratando la cera fundida como una "esponja porosa" que cambia de estado.

El Ganador: Modelo 6

Después de ejecutar miles de simulaciones, el Modelo 6 fue el claro campeón.

¿Qué era diferente? Tenía una disposición específica de baterías que maximizaba el área de contacto entre las baterías calientes y la ciza fresca.
Los Resultados:
- Baterías más Frías: La batería más caliente en el Modelo 6 fue 6.1 °C más fría que en la caja simple.
- Más Uniforme: La diferencia de temperatura entre la batería más caliente y la más fría se redujo casi un 12%. Esto significa que todo el equipo se mantiene en sincronía.
- Protección más Prolongada: La cera en el Modelo 6 tardó 70 segundos más en derretirse por completo. Esto le da a las baterías más tiempo para trabajar antes de que la "esponja térmica" se agote.
- Energía de Reserva: Incluso después de la prueba, el Modelo 6 todavía tenía el 16.9% de su cera en estado sólido. Esto significa que tenía un "tanque de reserva" de potencia de enfriamiento sobrante para la próxima vez que se caliente.

Probando la "Súper Manta"

Los investigadores no solo confiaron en la computadora; construyeron la versión real en un laboratorio.

Validación: Pasaron las baterías reales por las mismas pruebas. Los resultados del mundo real coincidieron con las predicciones de la computadora casi perfectamente (con un error de apenas 0.5%).
Prueba de Estrés: Hicieron pasar las baterías por 5 ciclos de calentamiento y enfriamiento. La "súper manta" (Modelo 6) se mantuvo estable, con la temperatura subiendo solo ligeramente (aproximadamente 1 °C) a lo largo de 5 ciclos, demostiendo que no se desgasta rápidamente.
Prueba de Fugas: Calentaron la cera hasta que se derritió y comprobaron si había fugas. El contenedor se mantuvo firme; la cera no se derramó y la pérdida de masa fue insignificante.

El Veredicto

El artículo concluye que no necesitas ventiladores o bombas costosas para enfriar estas baterías. Simplemente reordenando las baterías dentro de una caja llena de cera (específicamente usando el diseño del Modelo 6), puedes:

Mantener las baterías significativamente más frías.
Mantener la temperatura uniforme en todo el paquete.
Extender el tiempo que el sistema puede manejar altas potencias.
Hacer todo esto de forma pasiva (sin necesidad de electricidad para el propio sistema de enfriamiento).

Es como darse cuenta de que, si acomodas los muebles de una habitación de manera diferente, el aire circula mejor y la habitación se mantiene más fresca, sin necesidad de comprar un nuevo aire acondicionado.

Resumen Técnico: Diseño y Análisis de un Sistema de Gestión Térmica de Baterías basado en Material de Cambio de Fase con Diversas Configuraciones de Celdas

Planteamiento del Problema
La creciente adopción de baterías de iones de litio en vehículos eléctricos y almacenamiento en red requiere sistemas de gestión térmica (BTMS) robustos. Si bien las celdas de fosfato de hierro de litio (LiFePO₄) ofrecen una estabilidad superior, las altas tasas de descarga (≥2C) generan calor volumétrico que puede elevar las temperaturas superficiales más allá del umbral operativo seguro de 333 K (60 °C). Esto conduce a una degradación acelerada de la capacidad, descomposición del electrolito y falta de uniformidad térmica ( $\Delta T_{max}$ ) en módulos de múltiples celdas, lo que causa un envejecimiento diferencial. Los métodos de enfriamiento activo convencionales introducen complejidad mecánica y consumo de energía parásita. Los sistemas pasivos de Material de Cambio de Fase (PCM), particularmente utilizando cera de parafina, ofrecen una solución debido a su alto calor latente, pero sufren de baja conductividad térmica, lo que puede provocar la fusión localizada y la subutilización del volumen del PCM. Este estudio aborda el desafío de optimizar la disposición geométrica de las celdas dentro de un recinto de PCM para mejorar la distribución de calor y el amortiguamiento térmico sin alterar las dimensiones externas ni el volumen total del PCM.

Metodología
La investigación empleó un enfoque numérico y experimental exhaustivo:

Simulación Numérica: Se desarrolló un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) transitorio utilizando ANSYS Fluent 2021 R2. El estudio simuló una matriz de 4×4 de 16 celdas cilíndricas 18650 de LiFePO₄/Grafito (18 mm de diámetro, 65 mm de altura) encerradas en cera de parafina.
Modelado de Cambio de Fase: Se utilizó el método de entalpía-porosidad para modelar la transición de fase sólido-líquido, tratando la zona de mushy como un medio poroso. La relación de Carman-Kozeny rigió la permeabilidad en la región sólida.
Variaciones Geométricas: Se diseñaron siete geometrías distintas de recinto de PCM en CREO Parametric 12. El Modelo 1 sirvió como un recinto de referencia simple, mientras que los Modelos 2–7 presentaron variaciones en la disposición interna de las celdas (espaciado, desplazamientos y holguras de canales) para maximizar el área de transferencia de calor efectiva entre las celdas y el PCM.
Validación y Convergencia: Se realizaron estudios rigurosos de independencia de malla (convergencia en 196,380 elementos) e independencia de paso de tiempo (1.0 s). El marco de simulación se validó contra datos de referencia publicados, mostrando una desviación máxima de 0.056% en la temperatura máxima.
Verificación Experimental: Se llevaron a cabo experimentos físicos de laboratorio en el modelo de referencia (Modelo 1) y en el modelo con mejor desempeño (Modelo 6) utilizando termopares de tipo K, un ciclador de baterías y una cámara térmica infrarroja. Las pruebas incluyeron ciclos de descarga de 3C/carga de 1C, ciclos repetidos (5 ciclos) y pruebas de integridad estructural/fugas.

Contribuciones Clave

Optimización Geométrica Sistemática: El estudio evaluó sistemáticamente siete configuraciones de recinto, identificando que la disposición interna de las celdas influye significativamente en el rendimiento térmico, incluso cuando las dimensiones externas y el volumen del PCM permanecen constantes.
Identificación de la Configuración Óptima: El Modelo 6, que presenta una disposición optimizada con el área de contacto efectiva de PCM máxima, fue identificado como la geometría superior.
Métricas de Desempeño Integrales: El análisis fue más allá de la temperatura máxima para evaluar la no uniformidad de la temperatura ( $\Delta T_{max}$ ), la duración del amortiguamiento efectivo y la reserva de PCM sólido ( $\phi_{avg}$ ) al final de la descarga.
Verificación de Robustez: El estudio confirmó que las ventajas geométricas del modelo óptimo se mantienen a través de un amplio espectro operativo (tasas de descarga de 1C a 4C) y a través de ciclos repetidos de carga y descarga.

Resultos

Desempeño Térmico: A una tasa de descarga de 3C, el Modelo 6 redujo la temperatura máxima de la celda ( $T_{max}$ ) a 358.14 K, una reducción de 6.1 K (1.68%) en comparación con el Modelo 1 de referencia (364.22 K).
Uniformidad y Amortiguamiento: El Modelo 6 mejoró la no uniformidad de la temperatura en un 11.7% ( $\Delta T_{max}$ se redujo de 4.88 K a 4.31 K) y extendió la duración del amortiguamiento efectivo del PCM en 70 segundos (de 240 s a 310 s).
Utilización del PCM: Al final de la descarga, el Modelo 6 mantuvo una fracción de PCM sólido del 16.9% ( $\phi_{avg} = 0.831$ ), lo que indica una reserva térmica retenida, mientras que el modelo de referencia estaba casi completamente fundido ( $\phi_{avg} = 0.980$ ).
Análisis de Sensibilidad: La ventaja de desempeño del Modelo 6 aumentó con la tasa de descarga, logrando una reducción de temperatura de 3.0 K a 1C y de 8.9 K a 4C.
Validación Experimental: Los resultados de laboratorio para el Modelo 6 mostraron desviaciones menores al 2.63% de las predicciones de simulación para la temperatura máxima, la no uniformidad y el tiempo de resolidificación. La efectividad de la gestión térmica alcanzó el 80.2% a 3C en comparación con las celdas desnudas.
Durabilidad: Los ciclos repetidos (5 ciclos) resultaron en un aumento mínimo de temperatura de 1.02 K para el Modelo 6, y las pruebas de integridad estructural confirmaron que no hubo fugas ni pérdida de masa superior a 0.12 g.

Significancia
El artículo demuestra que la optimización de la geometría interna de un recinto de PCM es una estrategia de gestión térmica pasiva viable y efectiva para aplicaciones de baterías de iones de litio de alta tasa. Al mejorar la distribución del calor desde las superficies de las celdas hacia el volumen del PCM, la configuración óptima (Modelo 6) reduce simultáneamente las temperaturas máximas, mejora la uniformidad térmica y extiende la duración de la protección térmica. El estudio confirma que tales modificaciones geométricas pueden implementarse sin aumentar el volumen o la complejidad del sistema, ofreciendo una solución de bajo costo y libre de mantenimiento que mantiene la estabilidad térmica a través de diversas tasas de descarga y ciclos operativos repetidos. Los hallazgos proporcionan un marco validado para diseñar BTMS pasivos que dependen de la cera de parafina, abordando las limitaciones inherentes de la baja conductividad térmica mediante la optimización geométrica en lugar de la modificación del material.