Análise numérica de um sistema de resfriamento líquido para baterias em veículos elétricos

Abstract

Atualmente tem-se uma grande demanda de substituição dos carros a combustíveis fósseis por veículos elétricos, os quais tendem a ser menos prejudiciais ao meio ambiente e, consequentemente, uma ótima alternativa para o problema energético mundial. Um problema no desenvolvimento dos carros movidos a eletricidade é o aquecimento da fonte de energia, a bateria, portanto, investigou-se como o aquecimento da bateria pode ser minimizado e controlado de forma eficiente. Com o auxílio do software de código aberto OpenFOAM, inicialmente foi projetado um modelo numérico de resfriamento líquido com base em uma geometria já existente na literatura. O modelo consiste em uma bateria de íons de lítio envolvida por quatro minicanais de alumínio igualmente espaçados nos quais circulam-se o fluido. A independência dos resultados com o refino de malha foi verificada pelo método de convergência de malha (GCI). Após a malha determinada e convergida, podem-se comparar os resultados computacionais desenvolvidos com os já presentes na literatura e também com equacionamentos analíticos, validando o modelo do caso. Com base nisso, como era esperado, aumentando-se a vazão volumétrica do fluido dentro dos canais foi possível identificar um decréscimo de temperatura final da bateria e do fluido, porém, consequentemente, um aumento da perda de carga e potência de bombeamento do sistema. Além disso, investigou-se o efeito da inserção de nanopartículas de alumina em água. Notou-se que para a aplicação em questão, os efeitos foram negativos tanto para a temperatura quanto para a perda de carga. E por fim, variou-se a descarga de bateria no intuito de compreender o quanto o sistema de gerenciamento térmico desenvolvido seria efetivo para manter a temperatura dentro dos padrões de funcionamento adequado.

Currently, there is a great demand to replace fossil fuel cars with electric vehicles, which tend to be less harmful to the environment and, consequently, a great alternative to the world energy problem. A problem in the development of electric cars is the heating of the energy source, the battery, therefore, it was investigated how the heating of the battery can be minimized and controlled efficiently. With the help of the open source software OpenFOAM, a numerical model of liquid cooling was initially designed based on a geometry already existing in the literature. The model consists of a lithium-ion battery surrounded by four equally spaced aluminum mini-channels in which the fluid circulates. The independence of the results with mesh refinement was verified by the grid convergence method (GCI). After the mesh has been determined and converged, the computational results developed can be compared with those already present in the literature and also with analytical equations, validating the case model. Based on this, as expected, increasing the fluid flow rate inside the channels, it was identified a decrease in the final temperature of the battery and the fluid, however, consequently, an increase in the pressure drop and pumping power of the system. Furthermore, the effect of inserting alumina nanoparticles in water was investigated. For the application in question, the effects were negative for both temperature and pressure drop. Finally, the battery discharge was varied in order to understand how effective the thermal management system developed would be to maintain the temperature within the standards of proper functioning.