Modelagem e avaliação térmica transiente de um módulo de baterias 18650 submetido a resfriamento indireto

Abstract

A modelagem térmica de sistemas de resfriamento aplicados a baterias de íons de lítio é fundamental para avaliar a temperatura máxima, a uniformidade térmica e a capacidade de remoção de calor em módulos submetidos a diferentes condições de operação. Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo térmico numérico transiente para análise de um módulo de baterias composto por células cilíndricas 18650 submetidas a resfriamento por líquido indireto por jaquetas laterais. O modelo representa o caminho térmico entre célula, interface térmica, jaqueta metálica e fluido refrigerante, considerando geração interna de calor, condução radial, circunferencial e axial na célula, condução na jaqueta, transferência de calor para o fluido e transporte advectivo de energia nos canais laterais. A implementação numérica foi realizada em ambiente MATLAB, por meio da solução de um sistema de equações diferenciais ordinárias com o solucionador ode15s. A malha adotada foi definida a partir de um teste de independência, sendo escolhida a configuração com Nr = 9,Nθ = 24 e Nz = 8, por apresentar baixo erro em relação à malha refinada e menor custo computacional. As simulações foram conduzidas a partir de um cenário de referência com seis células 18650, descarga a 3C, temperatura inicial e temperatura de entrada do fluido iguais a 25 °C e vazão mássica total de 9,0 × 10⁻⁴ kg/s. Nesse caso, o sistema apresentou temperatura máxima de 33,18 °C e diferença máxima de temperatura no pack de 2,44 °C. As análises paramétricas indicaram que a taxa de descarga, a vazão mássica, a temperatura de entrada do fluido e o arranjo hidráulico foram as variáveis de maior influência sobre o desempenho térmico. O aumento do número de canais apresentou efeito limitado, enquanto as configurações de contra fluxo não produziram alterações térmicas significativas. De forma geral, o modelo permitiu avaliar o comportamento térmico do sistema célula–interface–jaqueta–fluido, demonstrando que o resfriamento lateral estudado foi capaz de manter o módulo em uma faixa moderada de temperatura para o cenário de referência, com boa uniformidade térmica e baixo resíduo energético.