PROTOTIPAGEM E MODELAGEM DE RESFRIADORES PARA VEÍCULOS ELÉTRICOS

Abstract

A crescente eletrificação dos sistemas de transporte e armazenamento estacionário de energia tem intensificado a demanda por sistemas eficientes de gerenciamento térmico de baterias (BTMS), capazes de manter as células de íon-lítio dentro de temperaturas seguras de operação. Trocadores de calor compactos são comumente empregados para essa finalidade, entretanto, ainda existem poucos estudos experimentais abordando o uso de tecnologias de impressão 3D para a fabricação de BTMS, especialmente utilizando processos de fotopolimerização em cuba de baixo custo e materiais poliméricos. Este estudo investiga experimental e analiticamente o desempenho termo-hidráulico de resfriadores de baterias poliméricos fabricados por manufatura aditiva utilizando tecnologia LCD de fotopolimerização em cuba. Duas geometrias foram desenvolvidas para células cilíndricas 18650: uma configuração oca em escoamento cruzado e uma estrutura TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) do tipo gyroid, projetada para intensificar a transferência de calor por convecção. Antes da fabricação dos protótipos, foi avaliada a influência do tempo de exposição e da pós-cura na resistência à tração de quatro resinas fotopoliméricas comerciais, visando garantir a integridade estrutural das peças. Os testes experimentais foram realizados utilizando ar como fluido de resfriamento, sob vazões mássicas variando de 0,015 a 0,030 kg/s e potências de aquecimento entre 35 W e 55 W por simulador de célula. Um modelo analítico discretizado, baseado em bancos de tubos em escoamento cruzado e teoria de aletas, foi desenvolvido e validado com os dados experimentais, sendo capaz de prever a temperatura de saída do ar e a temperatura superficial com desvios máximos de 6% e 8%, respectivamente. Os resultados indicam que, apesar do aumento da área de transferência de calor, a configuração TPMS levou a temperaturas mais elevadas nas células devido à baixa condutividade térmica do polímero (0,178 W/m·K), o que aumentou a resistência térmica e reduziu a eficiência global das aletas. Observou-se que, para os protótipos fabricados em resina, o modelo oco apresentou desempenho térmico superior ao TPMS em razão da resistência térmica imposta pelo material polimérico. Entretanto, empregando o modelo teórico desenvolvido, e substituindo o material por alumínio, pode-se constatar uma melhora significativa no desempenho térmico, com reduções superiores a 20 °C em alguns casos quando comparadas ao ABS. Nessas condições, os resfriadores TPMS passaram a apresentar desempenho superior ao modelo oco, evidenciando o potencial dessas geometrias quando associadas a materiais de elevada condutividade térmica.

The increasing electrification of transport and stationary energy storage systems has intensified the demand for efficient battery thermal management systems (BTMS) capable of maintaining lithium-ion cells within safe operating temperatures. Compact heat exchangers are commonly employed for this purpose; however, there are still few experimental studies addressing the use of 3D printing technologies for BTMS manufacturing, especially using low-cost vat photopolymerization processes and polymeric materials. This study investigates, both experimentally and analytically, the thermo-hydraulic performance of polymeric battery coolers manufactured by additive manufacturing using LCD vat photopolymerization technology. Two geometries were developed for 18650 cylindrical cells: a hollow cross-flow configuration and a Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) gyroid structure, designed to enhance convective heat transfer. Prior to prototype fabrication, the influence of exposure time and post curing on the tensile strength of four commercial photopolymer resins was evaluated to ensure structural integrity. Experimental tests were conducted using air as the cooling fluid, under mass flow rates ranging from 0.015 to 0.030 kg/s and heating powers between 35 W and 55 W per cell simulator. A discretized analytical model, based on cross-flow tube banks and fin theory, was developed and validated with experimental data, proving capable of predicting outlet air temperature and surface temperature with maximum deviations of 6% and 8%, respectively. The results indicate that, despite the increased heat transfer area, the TPMS configuration led to higher cell temperatures due to the polymer's low thermal conductivity (0.178 W/m·K), which increased thermal resistance and reduced overall fin efficiency. It was observed that, for the resin-based prototypes, the hollow model exhibited superior thermal performance compared to the TPMS due to the thermal resistance imposed by the polymeric material. However, by employing the developed theoretical model and replacing the material with aluminum, a significant improvement in thermal performance was observed, with reductions exceeding 20 °C in some cases compared to ABS. Under these conditions, the TPMS coolers exhibited superior performance to the hollow model, highlighting the potential of these geometries when associated with high thermal conductivity materials.