Análise do resfriamento de uma bateria de íons de lítio por materiais de mudança de fase uma aplicação para veículos elétricos

Resumo

O avanço e a viabilidade dos veículos elétricos estão intrinsecamente ligados ao desempenho e à vida útil de seus sistemas de armazenamento de energia, compostos predominantemente por baterias de íons de lítio. Embora as baterias de íons de lítio ofereçam alta densidade energética, permitindo que veículos elétricos alcancem autonomias maiores e designs compactos, seu desempenho e longevidade são significativamente influenciados pelas temperaturas em que operam. Temperaturas elevadas podem acelerar reações químicas indesejáveis dentro das células da bateria, levando a degradação mais rápida, perda de capacidade e riscos à segurança, como descontrole térmico. Qin et al. (2019) relataram que o gerenciamento térmico inadequado pode levar a temperaturas elevadas, que desencadeiam reações químicas indesejáveis e aceleram a degradação dos componentes da célula, comprometendo, em última análise, a capacidade de armazenamento e a segurança do sistema. A busca por soluções de resfriamento eficientes é, portanto, crucial. Entre as diversas abordagens, o uso de Materiais de Mudança de Fases (MMFs) surgiu como uma solução promissora devido à sua capacidade de absorver grandes quantidades de calor latente a uma temperatura constante durante o processo de fusão. Portanto, o principal objetivo deste trabalho é realizar uma análise aprofundada do comportamento térmico de uma bateria de íons de lítio quando seu resfriamento é assistido por um MMF, avaliando a viabilidade e a segurança dessa aplicação em veículos elétricos. Para atingir esse objetivo, objetivos específicos foram delineados, incluindo a realização de uma revisão bibliográfica sobre armazenamento de energia e transferência de calor em sistemas de baterias; o desenvolvimento de um modelo matemático para descrever a dinâmica do sistema; a avaliação numérica dos perfis de temperatura e do impacto do MMF no resfriamento; a validação dos resultados por meio da comparação com dados disponíveis na literatura; e a divulgação dos resultados por meio de um artigo científico. Simulações numéricas foram realizadas para modelar o comportamento térmico em diversos cenários, variando materiais de mudança de fase, geometrias e a presença ou ausência de convecção forçada de ar. O modelo resolveu equações de conservação de energia, massa e momento, juntamente com o processo de mudança de fase do MMF. As condições de contorno e as propriedades dos materiais foram baseadas em dados da literatura especializada. Por fim, parâmetros como temperatura máxima, uniformidade térmica e eficiência de resfriamento foram extraídos para cada configuração. A análise demonstrou que o sistema de gerenciamento térmico do MMF reduziu efetivamente a temperatura máxima no conjunto de baterias, que consiste em células conectadas em série ou paralelo, mesmo sob altas taxas de descarga, mitigando assim o risco de superaquecimento. Comparações entre o sistema convencional (somente MMF) e o sistema híbrido (MMF combinado com convecção forçada de ar) mostraram que a abordagem híbrida reduziu significativamente as temperaturas de pico e melhorou a uniformidade térmica em todo o módulo. Esses resultados indicam que o sistema híbrido de gerenciamento térmico é uma estratégia altamente eficaz e viável para controlar a temperatura de baterias de íons de lítio (Khan et al., 2024; Panchal et al., 2018). A abordagem proposta demonstrou a capacidade de manter as temperaturas das células em níveis seguros e garantir uniformidade em toda a embalagem, mitigando assim picos de temperatura que contribuem para a degradação. Esses resultados corroboram os achados de outros estudos, que defendem os sistemas híbridos como a solução mais robusta para dissipar o calor acumulado em MMFs sob condições extremas.