Development of an Integrated Multiphysics Model for NMC111 Battery Modules in Micro-Mobility Devices with Phase Change Materials as a passive thermal management system.

Abstract

[ES] La presente investigación estudia la fuga térmica en baterías de iones de litio utilizadas en vehículos de micro-movilidad como e-scooters y e-bikes. El desbordamiento térmico es un importante problema de seguridad, especialmente en zonas densamente pobladas, debido a su potencial para provocar incendios o explosiones. La metodología integra tres submodelos en un marco multifísico: Modelo electroquímico pseudobidimensional para el rendimiento eléctrico. Modelo térmico agrupado para el comportamiento de la transferencia de calor. Modelo cinético de fuga térmica para la evaluación de la propagación. Este enfoque integrado permite predecir con precisión el rendimiento de la batería y los casos de fuga térmica. El estudio probó varias estrategias de gestión térmica utilizando materiales de cambio de fase (PCM) y aislantes para mitigar los riesgos de fuga térmica. Entre las principales conclusiones se encuentra la mitigación eficaz de la propagación de fugas térmicas mediante la incorporación de PCM, en particular el dodecahidrato de fosfato de hidrógeno di-sodio, que demostró una capacidad superior de absorción y disipación del calor. El estudio también validó el modelo integrado frente a datos experimentales, demostrando su fiabilidad en la simulación del rendimiento y el comportamiento térmico de la batería. La investigación concluye que la integración de modelos electroquímicos, térmicos y cinéticos proporciona una herramienta sólida para predecir y gestionar el desbordamiento térmico en módulos de baterías para aplicaciones de micro movilidad. El uso de PCM en módulos de baterías mejora la gestión térmica y la seguridad. En el futuro se integrarán más mecanismos cinéticos térmicos para distintas químicas catódicas y se validará experimentalmente la aplicación del PCM para perfeccionar el modelo y comprender mejor la gestión térmica de los sistemas de baterías de iones de litio.

[EN] The present research investigates thermal runaway in lithium-ion batteries used in micro-mobility vehicles like e-scooters and e-bikes. Thermal runaway is a significant safety concern, especially in densely populated areas, due to its potential to cause fires or explosions. The methodology integrates three sub-models within a Multiphysics framework: Pseudo-bidimensional electrochemical model for electrical performance. Lumped thermal model for heat transfer behavior. Thermal runaway kinetic model for propagation evaluation. This integrated approach enables precise predictions of battery performance and thermal runaway events. The study tested various thermal management strategies using phase change materials (PCMs) and insulators to mitigate thermal runaway risks. Key findings include the effective mitigation of thermal runaway propagation by incorporating PCMs, particularly Di-sodium hydrogen phosphate dodecahydrate, which demonstrated superior heat absorption and dissipation capabilities. The study also validated the integrated model against experimental data, showing its reliability in simulating battery performance and thermal behavior. The research concludes that integrating electrochemical, thermal, and kinetic models provides a robust tool for predicting and managing thermal runaway in battery modules for micro-mobility applications. The use of PCM in battery modules enhances thermal management and safety. Future work involves integrating more thermal kinetic mechanisms for different cathode chemistries and experimentally validating the PCM implementation to refine the model and further refine the understanding of thermal management in lithium-ion battery systems.