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

Resumo Técnico: Projeto e Análise de um Sistema de Gestão Térmica de Baterias Baseado em Materiais de Mudança de Fase com Diversas Configurações de Células

Definição do Problema
A crescente adoção de baterias de íons de lítio em veículos elétricos e armazenamento de rede exige sistemas de gestão térmica (BTMS) robustos. Embora as células de fosfato de ferro-lítio (LiFePO₄) ofereçam estabilidade superior, taxas de descarga elevadas (≥2C) geram calor volumétrico que pode elevar as temperaturas superficiais além do limite operacional seguro de 333 K (60°C). Isso leva à degradação acelerada da capacidade, decomposição do eletrólito e não uniformidade térmica ($\Delta T_{max}$) em módulos de múltiplas células, causando envelhecimento diferencial. Os métodos de resfriamento ativo convencionais introduzem complexidade mecânica e consumo de energia parasitária. Sistemas passivos de Materiais de Mudança de Fase (PCM), particularmente utilizando cera de parafina, oferecem uma solução devido ao seu alto calor latente, mas sofrem com a baixa condutividade térmica, o que pode levar ao derretimento localizado e à subutilização do volume do PCM. Este estudo aborda o desafio de otimizar o arranjo geométrico das células dentro de um invólucro de PCM para melhorar a distribuição de calor e o amortecimento térmico sem alterar as dimensões externas ou o volume total do PCM.

Metodologia
A pesquisa empregou uma abordagem numérica e experimental abrangente:

• Simulação Numérica: Um modelo de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) transiente foi desenvolvido usando o ANSYS Fluent 2021 R2. O estudo simulou um arranjo 4×4 de 16 células cilíndricas 18650 de LiFePO₄/Grafite (18 mm de diâmetro, 65 mm de altura) envolvidas em cera de parafina.
• Modelagem de Mudança de Fase: O método de entalpia-porosidade foi utilizado para modelar a transição de fase sólido-líquido, tratando a zona de mushy como um meio poroso. A relação de Carman-Kozeny governou a permeabilidade na região sólida.
• Variações Geométricas: Sete geometrias distintas de invólucro de PCM foram projetadas no CREO Parametric 12. O Modelo 1 serviu como um invólucro de referência simples, enquanto os Modelos 2–7 apresentaram variações nos arranjos internos das células (espaçamento, deslocamentos e folgas de canais) para maximizar a área efetiva de transferência de calor entre as células e o PCM.
• Validação e Convergência: Estudos rigorosos de independência de malha (convergida em 196.380 elementos) e de independência de passo de tempo (1,0 s) foram conduzidos. A estrutura de simulação foi validada contra dados de referência publicados, mostrando um desvio máximo de 0,056% na temperatura de pico.
• Verificação Experimental: Experimentos laboratoriais físicos foram realizados no modelo de referência (Modelo 1) e no melhor modelo de desempenho (Modelo 6) utilizando termopares do tipo K, um ciclador de bateria e uma câmera térmica infravermelha. Foram realizados testes de ciclos de descarga de 3C/carga de 1C, ciclos repetidos (5 ciclos) e testes de integridade estrutural/vazamento.

Principais Contribuições

1. Otimização Geométrica Sistemática: O estudo avaliou sistematicamente sete configurações de invólucro, identificando que o arranjo interno das células influencia significativamente o desempenho térmico, mesmo quando as dimensões externas e o volume do PCM permanecem constantes.
2. Identificação da Configuração Ótima: O Modelo 6, apresentando um arranjo otimizado com a área de contato efetiva máxima com o PCM, foi identificado como a geometria superior.
3. Métricas de Desempenho Abrangentes: A análise foi além da temperatura de pico para avaliar a não uniformidade da temperatura ($\Delta T_{max}$), a duração do amortecimento efetivo e a reserva de PCM sólido ($\phi_{avg}$) ao final da descarga.
4. Verificação de Robustez: O estudo confirmou que as vantagens geométricas do modelo ideal são mantidas em uma ampla envolvente operacional (taxas de descarga de 1C a 4C) e através de ciclos de carga-descarga repetidos.

Resultados

• Desempenho Térmico: Em uma taxa de descarga de 3C, o Modelo 6 reduziu a temperatura de pico da célula ($T_{max}$) para 358,14 K, uma redução de 6,1 K (1,68%) em comparação com o Modelo 1 de referência (364,22 K).
• Uniformidade e Amortecimento: O Modelo 6 melhorou a não uniformidade da temperatura em 11,7% ($\Delta T_{max}$ reduzido de 4,88 K para 4,31 K) e estendeu a duração do amortecimento efetivo do PCM em 70 segundos (de 240 s para 310 s).
• Utilização do PCM: Ao final da descarga, o Modelo 6 manteve uma fração de PCM sólido de 16,9% ($\phi_{avg} = 0,831$), indicando uma reserva térmica retida, enquanto o modelo de referência estava quase totalmente derretido ($\phi_{avg} = 0,980$).
• Análise de Sensibilidade: A vantagem de desempenho do Modelo 6 aumentou com a taxa de descarga, alcançando uma redução de temperatura de 3,0 K em 1C e 8,9 K em 4C.
• Validação Experimental: Os resultados laboratoriais para o Modelo 6 mostraram desvios de menos de 2,63% das previsões de simulação para temperatura de pico, não uniformidade e tempo de ressolidificação. A eficácia da gestão térmica atingiu 80,2% em 3C comparado às células nuas.
• Durabilidade: Ciclos repetidos (5 ciclos) resultaram em um aumento mínimo de temperatura de 1,02 K para o Modelo 6, e testes de integridade estrutural confirmaram que não houve vazamento ou perda de massa superior a 0,12 g.

Significância
O artigo demonstra que a otimização da geometria interna de um invólucro de PCM é uma estratégia de gestão térmica passiva viável e eficaz para aplicações de baterias de íons de lítio de alta taxa. Ao melhorar a distribuição do calor das superfícies das células para o volume do PCM, a configuração ideal (Modelo 6) reduz simultaneamente as temperaturas de pico, aumenta a uniformidade térmica e estende a duração da proteção térmica. O estudo confirma que tais modificações geométricas podem ser implementadas sem aumentar o volume ou a complexidade do sistema, ofere uma solução de baixo custo e livre de manutenção que mantém a estabilidade térmica através de diferentes taxas de descarga e ciclos operacionais repetidos. Os achados fornecem um framework validado para o design de BTMS passivos que dependem de cera de parafina, abordando as limitações inerentes de baixa condutividade térmica através da otimização geométrica em vez da modificação do material.