Investigation of cooling an electric vehicle battery module using water by considering effect of contact resistance

Yıl 2024, , 2587 - 2600, 20.05.2024

Kağan Peneklioğlu , Kemal Bilen

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1307382

Öz

Elektrikli araç batarya modülünün su ile soğutulmasının temassızlık direnci dikkate alınarak incelenmesi

Öz

Elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılan lityum-iyon pillerin en büyük olumsuzluklarından biri sıcaklığa duyarlı olmalarıdır. Bu pillerin, düşük veya yüksek sıcaklıklarda çalıştırılması pil performansını etkiler. Bunun yanında modül veya paketteki homojen olmayan sıcaklık dağılımı, olağandışı elektrokimyasal davranışlara ve elektriksel olarak düzensiz hücrelere neden olabilir. Bu nedenlerle, pillerin sıcaklığını uygun aralıkta yani 20 °C ila 40 °C aralığında tutmak ve sıcaklık bakımından homojenliği sağlamak, elektrikli araç üreticileri için önemli hedeflerdendir. Bu yüzden bu çalışma kapsamında; sıvı ile soğutulması amaçlanan elektrikli bir araç bataryasının akış ve ısıl performansı, temassızlık direnci göz önüne alınarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleriyle incelenmiştir. HAD analizleri için kullanılan ANSYS Fluent, benzer bir problem için özel olarak türetilen ve sonlu farklar yöntemini esas alan denklemler ile yapılan çözüm kullanılarak iki farklı kesit için doğrulanmıştır. Bu kesitler, pilin düşey orta ve yatay orta kesitleridir. Yapılan bu doğrulama çalışmalarında, teorik çözüm ile ANSYS Fluent çözümü arasında en fazla %3’lük bir sapma meydana gelmiştir. HAD analizlerinde, soğutma sistemi ile piller arasındaki temassızlık direncinin ve soğutma suyu debisinin etkisi farklı koşullar için incelenmiştir. İncelemeler neticesinde; nispeten düşük deşarj oranlarında (C-rate) değerlerinde yapılan sayısal çalışmalarda temassızlık direncinin ihmal edebileceği, buna karşın nispeten yüksek deşarj oranlarında ise temassızlık direncinin ihmal edilmemesi gerektiği anlaşılmıştır. Aynı koşullar altında, düşük deşarj oranlarında temassızlık direncinin etkisi yaklaşık olarak 0,5 °C’luk bir farka yol açarken, yüksek deşarj oranlarında bu fark 2,5 °C’a ulaşmaktadır. Ayrıca pillerde, nispeten yüksek ısı miktarlarının üretildiği durumlarda soğutma suyu debisinin artırılması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. Soğutma debisinin artırılmasıyla pildeki en yüksek sıcaklıklar yaklaşık olarak 8 °C düşürülebilmiştir. Buna karşın nispeten düşük ısı miktarlarının üretildiği durumlarda ise mevcut soğutma suyu debisinin gereğinden fazla olduğu ve gereksiz yere yüksek pompa enerji tüketimine sebep olduğu anlaşılmıştır. Uygun soğutma suyu debisinin seçimiyle pompa enerji tüketimini yaklaşık 1/8 oranına düşürmenin mümkün olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

Elektrikli araç, batarya ısıl yönetimi, lityum-iyon pil, Li-iyon batarya, sıvı ile soğutma, HAD

Kaynakça

• 1. Rao, Z., Qian, Z., Kuang, Y., and Li, Y., Thermal performance of liquid cooling based thermal management system for cylindrical lithium-ion battery module with variable contact surface, Applied Thermal Engineering, 123, 1514-1522, 2017.
• 2. Chen, D., Jiang, J., Kim, G. H., Yang, C., and Pesaran, A., Comparison of different cooling methods for lithium-ion battery cells, Applied Thermal Engineering, 94, 846-854, 2016.
• 3. Wu, W., Wang, S., Wu, W., Chen, K., Hong, S., and Lai, Y., A critical review of battery thermal performance and liquid-based battery thermal management, Energy Conversion and Management, 182, 262-281, 2019.
• 4. Sato, N., Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles, Journal of Power Sources, 99 (1-2), 70-77, 2001.
• 5. Onda, K., Kameyama, H., Hanamoto, T., and Ito, K., Experimental study on heat generation behavior of small lithium-ion secondary batteries, Journal of the Electrochemical Society, 150 (3), A285, 2003.
• 6. Takano, K., Saito, Y., Kanari, K., Nozaki, K., Kato, K., Negishi, A., and Kato, T., Entropy change in lithium ion cells on charge and discharge, Journal of Applied Electrochemistry, 32, 251-258, 2002.
• 7. Onda, K., Ohshima, T., Nakayama, M., Fukuda, K., and Araki, T., Thermal behavior of small lithium-ion battery during rapid charge and discharge cycles, Journal of Power sources, 158 (1), 535-542, 2006.
• 8. Inui, Y., Kobayashi, Y., Watanabe, Y., Watase, Y., and Kitamura, Y., Simulation of temperature distribution in cylindrical and prismatic lithium-ion secondary batteries, Energy Conversion and Management, 48 (7), 2103-2109, 2007.
• 9. Williford, R. E., Viswanathan, V. V., and Zhang, J. G., Effects of entropy changes in anodes and cathodes on the thermal behavior of lithium ion batteries, Journal of Power Sources, 189 (1), 101-107, 2009.
• 10. Jeon, D. H. and Baek, S. M., Thermal modeling of cylindrical lithium ion battery during discharge cycle, Energy Conversion and Management, 52 (8-9), 2973-2981, 2011.
• 11. Fathabadi, H., High thermal performance lithium-ion battery pack including hybrid active–passive thermal management system for using in hybrid/electric vehicles, Energy, 70, 529-538, 2014.
• 12. Panchal, S., Khasow, R., Dincer, I., Agelin-Chaab, M., Fraser, R., and Fowler, M., Thermal design and simulation of mini-channel cold plate for water cooled large sized prismatic lithium-ion battery, Applied Thermal Engineering, 122, 80-90, 2017.
• 13. Kumar, P., Chaudhary, D., Varshney, P., Varshney, U., Yahya, S. M., and Rafat, Y., Critical review on battery thermal management and role of nanomaterial in heat transfer enhancement for electrical vehicle application, Journal of Energy Storage, 32, 102003, 2020.
• 14. Özdemir, T., Amini, A., Ekici, Ö., Köksal, M., Experimental assessment of the lumped lithium ion battery model at different operating conditions, Heat Transfer Engineering, 43 (3-5), 314-325, 2021.
• 15. Liu, S., Zhang, H., and Xu, X., A study on the transient heat generation rate of lithium-ion battery based on full matrix orthogonal experimental design with mixed levels, Journal of Energy Storage, 36, 102446, 2021.
• 16. Trinuruk, P., Onnuam, W., Senanuch, N., Sawatdeejui, C., Jenyongsak, P., and Wongwises, S., Experimental and numerical studies on the effect of lithium-ion batteries’ shape and chemistry on heat generation, Energies, 16 (1), 264, 2023.
• 17. Ma, Y., Ding, H., Mou, H., and Gao, J., Battery thermal management strategy for electric vehicles based on nonlinear model predictive control, Measurement, 186, 110115, 2021.
• 18. Saw, L. H., Ye, Y., Tay, A. A., Chong, W. T., Kuan, S. H., and Yew, M. C., Computational fluid dynamic and thermal analysis of Lithium-ion battery pack with air cooling, Applied Energy, 177, 783-792, 2016.
• 19. Wang, S., Li, Y., Li, Y. Z., Mao, Y., Zhang, Y., Guo, W., and Zhong, M., A forced gas cooling circle packaging with liquid cooling plate for the thermal management of Li-ion batteries under space environment, Applied Thermal Engineering, 123, 929-939, 2017.
• 20. Huo, Y., Rao, Z., Liu, X., and Zhao, J., Investigation of power battery thermal management by using mini-channel cold plate, Energy Conversion and Management, 89, 387-395, 2015.
• 21. Jarrett, A. and Kim, I. Y., Design optimization of electric vehicle battery cooling plates for thermal performance, Journal of Power Sources, 196 (23), 10359-10368, 2011.
• 22. Yang, N., Zhang, X., Li, G., and Hua, D., Assessment of the forced air-cooling performance for cylindrical lithium-ion battery packs: A comparative analysis between aligned and staggered cell arrangements, Applied Thermal Engineering, 80, 55-65, 2015.
• 23. Kök C., Alkaya A., Numerical investigation of different cooling applications for pouch type lithium ion battery cells, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38 (1), 381-398, 2023.
• 24. Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Bergman, T. L., and Lavine, A. S., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, (6th ed.), Wiley, NJ, 2007.
• 25. Versteeg, H. K. and Malalasekera, W., An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method, (2nd ed.), Pearson education, Glasgow, 2007.
• 26. Tesla model-S pil paketi dizilimi, http://www.changeclimate.com/Transport_Land_Sea_Sustainable/SMART_Hybrid_EV_Energy_Service_Networks/Lithium_Cobalt_Battery_Scarcity_Materials_Raw_Supplies.htm. Erişim tarihi Mart 2023.