Análise térmica de um sistema de arrefecimento com canais de circulação de fluido para baterias cilíndricas de íons de lítio

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento, a simulação numérica e a validação experimental de um sistema de arrefecimento líquido voltado para células cilíndricas de íons de lítio do tipo 21700, com aplicação em sistemas de armazenamento de energia embarcados, especialmente em veículos elétricos de grande porte, como ônibus elétricos, no contexto do Programa Rota 2030. O sistema foi projetado com base em um bloco de alumínio fundido, contendo cavidades cilíndricas para inserção das células e placas laterais acopladas, com de canais internos em formato de serpentina para a circulação do fluido refrigerante. O projeto priorizou a eficiência térmica, a viabilidade construtiva e o uso otimizado de material. Simulações numéricas foram realizadas utilizando o software ANSYS Fluent, considerando um modelo de geração de calor compatível com o regime de descarga das células, para prever a distribuição de temperaturas internas. Em paralelo, foi construído um protótipo físico do sistema, que permitiu a realização de ensaios experimentais variando-se a vazão e a temperatura de entrada do fluido refrigerante, além de testes de referência sem arrefecimento.Os resultados mostraram que o sistema foi capaz de reduzir significativamente a temperatura máxima das células, atingindo até 43,4% de redução em comparação ao cenário sem arrefecimento. A análise evidenciou a influência direta dos parâmetros operacionais na eficiência do sistema, e confirmou a viabilidade da solução para manter as células dentro de limites térmicos seguros. As simulações forneceram subsídios valiosos para o projeto, complementando os dados experimentais e auxiliando na compreensão do comportamento térmico do módulo. Conclui-se que o sistema proposto representa uma alternativa eficaz e tecnicamente viável para aplicações em eletromobilidade, contribuindo para a segurança, durabilidade e desempenho dos packs de baterias. O estudo também oferece uma base metodológica para futuras otimizações, incluindo a análise de novos materiais, geometrias e estratégias de gerenciamento térmico

This work presents the development, numerical simulation, and experimental validation of a liquid cooling system designed for cylindrical 21700 lithium-ion cells, aimed at onboard energy storage systems, particularly in large electric vehicles such as electric buses, within the context of the Rota 2030 Program. The system was designed based on a cast aluminum block containing cylindrical cavities for cell insertion and attached lateral plates with internal serpentine channels for coolant circulation. The design prioritized thermal efficiency, manufacturing feasibility, and optimized material usage. Numerical simulations were performed using ANSYS Fluent, considering a heat generation model compatible with the discharge regime of the cells, in order to predict internal temperature distribution. In parallel, a physical prototype of the system was built, enabling experimental tests with variations in coolant flow rate and inlet temperature, in addition to reference tests without cooling. The results showed that the system was capable of significantly reducing the maximum cell temperature, achieving up to a 43.4% reduction compared to the uncooled scenario. The analysis highlighted the direct influence of operating parameters on the system’s efficiency and confirmed the viability of the solution in maintaining the cells within safe thermal limits. The simulations provided valuable insights that complemented the experimental data and helped in understanding the module’s thermal behavior. It is concluded that the proposed system represents an effective and technically feasible alternative for electromobility applications, contributing to the safety, durability, and performance of battery packs. The study also offers a methodological foundation for future optimizations, including the analysis of new materials, geometries, and thermal management strategie