Análise numérica de btms de veículos elétricos empregando superfícies mínimas triplamente periódicas

Abstract

Os crescimentos do mercado e da utilização de carros elétricos e híbridos – vinculados aos incentivos para redução de gases de efeito estufa e à geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis – inserem a também crescente necessidade de melhoria em autonomia e segurança do sistema de armazenamento de energia desses veículos. Nesse contexto, Sistemas de Gerenciamento Térmico de Baterias (em inglês Battery Thermal Management System ou BTMS) assumem um papel fundamental, isto é, buscam garantir uma condição térmica adequada nas células de bateria. Aliado a isso, o crescimento de técnicas de manufatura aditiva amplia a possibilidade de investigação de diferentes topologias que buscam melhorar a transferência de calor nesses sistemas. Assim, este trabalho tem por objetivo estudar numericamente, empregando o software OpenFOAM®, o efeito no processo em regime permanente de resfriamento líquido indireto de células cilíndricas de íon de Lítio devido à utilização de um BTMS composto por dutos baseados em Superfícies Mínimas Triplamente Periódicas (SMTP). O sistema baseado em SMTP, comparado a um de referência (o qual apresenta dutos compostos por paralelepípedos), reduz a temperatura máxima do conjunto de células em mais de 2 K e melhora levemente a uniformidade de suas temperaturas – porém aumenta a perda de carga nos dutos de resfriamento, o que implica em uma baixa performance térmica (em média 0,86). Esse cenário indica que a aplicação do sistema SMTP estudado prioriza uma operação térmica mais adequada do conjunto de células em detrimento de um gasto energético maior associado ao funcionamento do BTMS.

The growth of the market and the use of electric and hybrid cars – related to incentives to reduce greenhouse gases and the generation of electricity from renewable sources – insert the also growing need for improvement in the autonomy and safety of the energy storage systems for these vehicles. In this context, Battery Thermal Management Systems (BTMS) assume a fundamental role, that is, they seek to guarantee an adequate thermal condition in the battery cells. Allied to this, the growth of additive manufacturing techniques expands the possibility of investigating different topologies that seek to improve heat transfer in these systems. Thus, this work aims to numerically study, using the OpenFOAM® software, the effect on the steady state process of indirect liquid cooling of cylindrical Liion cells due to the use of a BTMS composed of ducts based on Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS). The TPMS-based system, compared to a reference one (which features pipelines made of parallelepipeds), reduces the maximum temperature of the cell set by more than 2 K and slightly improves the uniformity of their temperatures – but increases the pressure drop in cooling ducts, which implies a low thermal performance (on average 0,86). This scenario indicates that the application of the studied TPMS system prioritizes a more adequate thermal operation of the set of cells to the detriment of a higher energy expenditure associated with the operation of the BTMS.