Gerenciamento térmico de baterias cilíndricas para veículos elétricos utilizando tubos de calor

Abstract

A busca por soluções de descarbonização e o uso de energia limpa para reduzir o aquecimento global e as mudanças climáticas têm se tornado uma prioridade mundial. O veículo elétrico desempenha um papel importante nesse contexto, pois é capaz de reduzir as emissões de gases que causam a poluição do ar e o efeito estufa, sendo seu sistema de armazenamento de energia um dos componentes fundamentais para sua operação. A bateria de lítio-íon destaca-se como uma alternativa de sistema de armazenamento sustentável, mas apesar dos diversos aspectos positivos, o superaquecimento das células durante sua operação em elevadas correntes é inevitável, sendo um desafio a ser solucionado. A temperatura durante sua operação não deve ultrapassar 50°C, garantindo um desempenho apropriado, uma vida útil longa e condições operacionais seguras. O tubo de calor é uma solução promissora para o controle térmico de baterias, pois utiliza a mudança de fase de um fluido de trabalho para transportar o calor, sem utilizar uma fonte externa de energia. Neste contexto, um inovador sistema de gerenciamento térmico para baterias cilíndricas é proposto, utilizando um tubo de calor para retirar calor entre as células, sem modificar o arranjo original. O tubo de calor proposto possui seção transversal formada por três superfícies curvas e convexas, foi fabricado a partir de chapas de cobre, a fim de se alojar no espaço disponível entre três células cilíndricas adjacentes. Nesta configuração, ranhuras pontiagudas são formadas nos vértices entre as superfícies curvas do tubo de calor, resultando em uma estrutura capilar simples e eficiente. O tubo de calor foi testado com etanol e água destilada como fluidos de trabalho, considerando diferentes razões de preenchimento, a fim de selecionar a combinação mais adequada entre o fluido de trabalho e seu volume para a aplicação proposta. Além disso, duas posições foram avaliadas para investigar o comportamento térmico nas duas configurações da aplicação real. Um aparato experimental foi projetado e desenvolvido para simular as condições reais de operação da bateria de lítio-íon, conforme caracterização do seu comportamento térmico em condições de carregamento e descarregamento, previamente realizada. Os resultados demonstraram que o tubo de calor é altamente eficiente no gerenciamento térmico da bateria, sendo capaz de dissipar até 25 W. Para uma potência aplicada de 15 W, representativa da condição real da bateria, foram observadas reduções de temperatura de 21,4 °C e 26,5 °C, com resistências térmicas de 0,49 K/W e 0,38 K/W, para o etanol e a água destilada, respectivamente, na posição mais desfavorável. Quando aplicado às baterias reais, o sistema proporcionou reduções de temperatura entre 6 °C e 9,67 °C para ambos os fluidos de trabalho, atendendo aos limites térmicos operacionais e demonstrando sua eficácia como sistema de gerenciamento térmico.

Abstract: The search for decarbonization solutions and the use of clean energy to reduce global warming and climate change has become a global priority. The electric vehicle plays an important role in this context, as it is capable of reducing emissions of gases that cause air pollution and the greenhouse effect, in which its energy storage system being one of the key components for its operation. The lithium-ion battery stands out as an alternative storage system alternative, but despite their various positive aspects, overheating of the cells during operation at high currents is inevitable, posing a challenge to be solved. The operating temperature should not exceed 50°C, ensuring proper performance, a long lifespan, and safe operating conditions. The heat pipe is a promising solution for thermal management of the battery, as it utilizes the phase change of a working fluid to transport heat, without using an external energy source. In this context, an innovative thermal management system for cylindrical batteries is proposed, using the heat pipe with an emphasis on removing heat between the cells without modifying the original arrangement. For this purpose, a heat pipe with a cross-section formed by three curved and convex surfaces was manufactured from copper flat plates to fit the available space between three adjacent cylindrical cells. In this configuration, sharp grooves are formed at the vertices between the curved surfaces of the heat pipe, resulting in a simple and efficient capillary structure. The heat pipe was tested with ethanol and distilled water as working fluids, considering different filling ratios to select the most suitable combination of working fluid and its volume for the proposed application. Additionally, two positions were evaluated to investigate thermal behavior in the two configurations of the real application. An experimental apparatus was designed and developed to simulate the real operating conditions of the lithium-ion battery, as characterized by its thermal behavior during charging and discharging, previously conducted. The results demonstrated that the heat pipe is highly efficient in managing battery heat, being able to dissipate up to 25 W. For an applied power of 15 W, representative of the real battery condition, temperature reductions of 21.4 °C and 26.5 °C were observed, with thermal resistances of 0.49 K/W and 0.38 K/W, for ethanol and distilled water, respectively, in the most unfavorable position. When applied to real batteries, the system provided temperature reductions between 6 °C and 9.67 °C for both working fluids, meeting the operational thermal limits and demonstrating its effectiveness as a thermal management system.