Simulação numérica do controle térmico de baterias íon-lítio com material de mudança de fase (PCM)

Abstract

A crescente demanda por baterias de íon-lítio de alto desempenho, especialmente em veículos elétricos e dispositivos eletrônicos, intensificou a necessidade de métodos eficientes de controle térmico. Este trabalho apresenta uma análise numérica do gerenciamento térmico de uma bateria cilíndrica de íon-lítio 18650 acoplada a um material de mudança de fase (PCM), por meio de simulações utilizando a Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics- CFD). O estudo é dividido em duas etapas: validação separada dos modelos da bateria e do PCM, e posterior simulação do sistema integrado, avaliando o impacto de diferentes correntes elétricas (6 A, 9 A e 12 A) e orientações da bateria (horizontal e vertical). Os resultados mostram que a integração com PCM é eficaz na contenção da temperatura, promovendo maior estabilidade térmica e favorecendo a segurança e o desempenho da bateria. Além disso, observou-se que a orientação da bateria influencia significativamente o processo de fusão do PCM, sendo a posição horizontal mais favorável para a dissipação térmica. Conclui-se que o uso de PCM é uma estratégia viável e eficiente para o gerenciamento térmico passivo de baterias, contribuindo para seu uso mais seguro e duradouro.

The growing demand for high-performance lithium-ion batteries, especially in electric vehicles and electronic devices, has intensified the need for efficient thermal control methods. This work presents a numerical analysis of the thermal management of a cylindrical 18650 lithium-ion battery integrated with a phase change material (PCM), through simulations using Computational Fluid Dynamics (CFD). The study is divided into two stages: separate validation of the battery and PCM models, and simulation of the integrated system, evaluating the influence of different electric currents (6 A, 9 A, and 12 A) and battery orientations (horizontal and vertical). The results show that integration with PCM is effective in containing temperature, promoting greater thermal stability and enhancing the battery’s safety and performance. Furthermore, it was observed that battery orientation significantly influences the PCM melting process, with the horizontal position being more favorable for thermal dissipation. It is concluded that PCM is a viable and efficient strategy for passive thermal management of batteries, contributing to their safer and longer-lasting operation.