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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/32184| Título: | Determinação das características térmicas de um pack de baterias de lítio por meio de simulação multifísica |
| Título(s) alternativo(s): | Determination of the thermal characteristics of a Lithium battery pack through multiphysical simulation |
| Autor(es): | Rommel, Fabio Junior |
| Orientador(es): | Viana Junior, Emilson Ribeiro |
| Palavras-chave: | Física - Simulação por computador Baterias de íon de lítio Baterias elétricas - Propriedades térmicas Veículos elétricos Calor - Convecção natural Physics - Computer simulation Lithium ion batteries Electric batteries - Thermal properties Electric vehicles Heat - Convection, Natural |
| Data do documento: | 28-Mar-2023 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | ROMMEL, Fabio Junior. Determinação das características térmicas de um pack de baterias de lítio por meio de simulação multifísica. 2023. Dissertação (Mestrado em Física e Astronomia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023. |
| Resumo: | Simulação multifísica (SM) é um procedimento computacional capaz de resolver mais de um fenômeno físico em um mesmo processo de simulação. Neste trabalho as simulações multifísicas, termo-elétricas, foram realizadas com um modelo de pack de baterias de íons de lítio para utilização em veículos elétricos (VE), destinados a mobilidade urbana, no Brasil, no âmbito do projeto Rota 2030, com uma parceria UTFPR, Renault do Brasil e Senai-PR. O gerenciamento térmico das baterias é um dos fatores críticos de desenvolvimento de um pack de baterias, uma vez que se este operar em condições térmicas fora do recomendado, a vida útil das baterias diminui e podem inclusive entrar em combustão, fenômeno conhecido como avalanche térmica. A realização de SM se mostra essencial para entender o comportamento térmico das células de baterias do pack durante o uso (carga/descarga), além de possibilitar o estudo melhoras no gerenciamento energético destas. A presente pesquisa realizou simulações termo-elétricas de um pack de 25 kWh de baterias prismáticas de íons de lítio do tipo NMC-523. Cada célula tem capacidade nominal de 105 Ah e tensão nominal de 3,71V. A ferramenta utilizada foi o Fluent, da plataforma de softwares da ANSYS. Com o auxílio da toolbox Battery Model, definiu-se o método de solução Multi-Scale Multi-Domain (MSMD) e o modelo eletroquímico NTGK (Newman, Tiedemann, Gu e Kim). As simulações foram realizadas a nível de célula, módulo com nove células e pack com oito módulos, totalizando 72 células de baterias ligadas em série. Os modelos foram simulados com gerenciamento térmico passivo em duas modalidades, convecção natural e case de material de troca de fase (phase change material, PCM), com seis tipos de PCM (três a base de parafina e três de polietileno de alta densidade). O perfil térmico das baterias foi analisado para a condição de descarga, variando-se as taxas de descarga de 0,5 C a 2,0 C. Como resultados obtivemos as curvas de aquecimento dos modelos, para cada PCM e para cada uma das condições de descarga simuladas. Com essas curvas e com as imagens de distribuição de temperatura na superfície dos modelos, foi possível verificar o perfil térmico das baterias e a influência do uso do case de PCM, na temperatura final das células de baterias. Os principais resultados encontrados com essa pesquisa foram: O uso do case de PCM, no gerenciamento térmico das baterias, para o modelo de módulo e pack modelados, não é eficiente em condições de descarga sob pouco esforço (abaixo de 2,0 C), apresentando contudo maior eficiência para descargas de 2,0 C, em que o esforço de descarga da bateria é consideravelmente maior. |
| Abstract: | Multiphysics simulation (SM) is a computational procedure capable of solving two or more physical phenomena in the same simulation process. In this work, multiphysics, thermo-electric simulations were carried out with a lithium-ion battery pack model for use in electric vehicles (EV) intended for urban mobility, in Brazil, within the scope of the Rota 2030 project, with a partnership UTFPR, Renault do Brasil and Senai-PR. The thermal management of the batteries is one of the critical factors in the development of a battery pack since if it operates in thermal conditions outside the recommended range, it reduces the useful life of the batteries, and they may even start to burn, a phenomenon known as a thermal runaway. Performing SM is essential to understand the thermal behavior of the battery cells in the pack during use (charge/discharge), in addition to enabling the study of ways to manage energy. The present research carried out thermoelectric simulations of a 25 kWh pack of prismatic lithium-ion batteries of the type NMC-523. Each cell has a nominal capacity of 105 Ah and a nominal voltage of 3.71V. The tool used was Fluent from the ANSYS software platform. Were defined with the aid of the Battery Model toolbox, the Multi-Scale Multi-Domain (MSMD) solution method, and the NTGK electrochemical model (Newman, Tiedemann, Gu, and Kim). The simulations were carried out in a cell, a module with nine cells, and a pack with eight modules, totaling 72 battery cells connected in series. The models were simulated with passive thermal management (natural convection) and models considering a case of phase change material (PCM), with six types of PCM (three paraffin-based and three high-density polyethylene). The thermal profile of the batteries was analyzed for the discharge condition, varying the discharge rates from 0.5 C to 2.0 C. As a result, we obtained the heating curves of the models for each PCM and for each of the conditions simulated discharge. With these curves and with the temperature distribution images on the surface of the models, it was possible to verify the thermal profile of the batteries and the influence of using the PCM case on the final temperature of the battery cells. The main results found with this research were: The use of the PCM case, in the thermal management of the batteries, for the model of module and pack modeled is not efficient in conditions of discharge under little effort (below 2.0 C), presenting; however, greater efficiency for discharges above 2.0 C, in which the effort of discharging the battery is considerably greater. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/32184 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Física e Astronomia |
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