Lityum iyon pillerin faz değişim maddesi ile ısıl yönetiminde kanat kullanımının sayısal incelenmesi

Yıl 2023, , 1105 - 1116, 07.10.2022

Göker Türkakar , İsmail Hoş

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.762563

Öz

Pil sistemleri için en önemli sorunlar pil sıcaklığını güvenli sınırlar içinde tutulabilmek ve pildeki sıcaklık dağılımını mümkün olduğunca homojen hale getirebilmektir. Bu yüzden, yüksek miktarda gizli ısı depolamasıyla pasif soğutma sistemlerinde umut vadeden yöntemler arasında olan Faz Değişim Malzemelerinden, FDM, yararlanılmıştır. FDM bölgesinde yalnızca ısı iletimi; ayrıca, ısı iletim ile doğal taşınımın da hesaba katılıp ANSYS/FLUENT yazılımı vasıtasıyla, pildeki ortalama sıcaklık ve sıcaklık dağılımı farklı parametreler için sayısal yöntem kullanılarak incelenmiştir. Bahsedilen parametreler FDM içerisine konulan kanat sayısı, FDM tipi ve pildeki ısı üretimi değeridir (Lityum iyon 26650, LiFePO4/C 2C ve 3C deşarja tekabül eden 1,43 W ve 2,75 W). FDM içerisine yerleştirilen kanatlar pili istenilen çalışma sıcaklığı aralığında tutmada ve pilde düzgün dağılımlı sıcaklık sağlamada etkili olduğu anlaşılmış olup, en iyi sonuç 12 kanat yerleştirildiği durum için elde edilmiştir. 2,75 W ısıl yük için, 12 adet kanat kullanımı sayesinde pildeki ortalama sıcaklık 6000 s sonunda yaklaşık 15°C düşmüştür. Pildeki ısı üretiminin 1,43 W olduğu durumda; 5000. s’de kanatsız geometri için pilin alt ve üst yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı 5,9°C iken, 12 kanat kullanımı durumunda ise sıcaklık farkı 1,9°C’ye düşmüştür.

Anahtar Kelimeler

Lityum iyon pillerde pasif soğutma, Faz değişim malzemelerinde ergime, Fluent ısıl analiz, FDM’lerde doğal taşınım etkisi, Elektrikli ve hibrit elektrikli araçlar

Kaynakça

• Tie S.F., Tan C.W., A review of energy sources and energy management system in electric vehicles, Renewable Sustainable Energy Rev., 20, 82-102,2013.
• Deng Y., Feng C., E. J., Zhu H., Chen J., Wen M., Yin H., Effects of different coolants and cooling strategies on the cooling performance of the power lithium ion battery system: A review, Appl. Therm. Eng., 142, 10-29, 2018.
• Pesaran A.A., Battery thermal models for hybrid vehicle simulations, J. Power Sources, 110 (2), 377-382, 2002.
• Sato N., Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles, J. Power Sorces, 99 (1-2), 70-77, 2001.
• Ramadass P., Haran B., White R., Popov B.N., Capacity fade of Sony 18650 cells cycled at elevated temperatures: Part II. Capacity fade analysis, J. Power Sorces, 112 (2), 614-620, 2002.
• Jeon D.H., Baek S.M., Thermal modeling of cylindrical lithium ion battery during discharge cycle, Energy Convers. Manage., 52 (8-9), 2973-2981, 2011.
• Rao Z., Wang S., A review of power battery thermal energy management, Renewable Sustainable Energy Rev., 15 (9), 4554-4571, 2011. Qu Z.G., Li W.Q., Tao W.Q., Numerical model of the passive thermal management system for high-power lithium ion battery by using porous metal foam saturated with phase change material, Int. J. Hydrogen Energy, 39 (8), 3904-3913, 2014.
• Kizilel R., Sabbah R., Selman J.R., Al-Hallaj S., An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs, J. Power Sources, 194 (2), 1105-1112, 2009.
• Babapoor A., Azizi M., Karimi G., Thermal management of a Li-ion battery using carbon fiber-PCM composites, Appl. Therm. Eng., 82, 281-290, 2015.
• Li W.Q., Qu Z.G., He Y.L., Tao Y.B., Experimental study of a passive thermal management system for high-powered lithium ion batteries using porous metal foam saturated with phase change materials, J. Power Sources, 255, 9-15, 2014.
• Ling Z., Wang F., Fang X., Gao X., Zhang Z., A hybrid thermal management system for lithium ion batteries combining phase change materials with forced-air cooling, Appl. Energy, 148, 403-409, 2015.
• Lazrak A., Fourmigué J-F., Robin J-F., An innovative practical battery thermal management system based on phase change materials: Numerical and experimental investigations, Appl. Therm. Eng., 128, 20-32, 2018.
• Rao Z., Wang Q., Huang C., Investigation of the thermal performance of phase change material/mini-channel coupled battery thermal management system, Appl. Energy, 164, 659–669, 2016.
• Hémery C-V., Pra F., Robin J-F., Marty P., Experimental performances of a battery thermal management system using a phase change material, J. Power Sources, 270, 349-358, 2014.
• Briggs A., Rose J.W., Effect of fin efficiency on a model for condensation heat transfer on a horizontal, integral-fin tube, Int. J. Heat Mass Transfer,37, 457-463, 1994.
• Khoshvaght-Aliabadi M., Hormozi F., Zamzamian A., Experimental analysis of thermal–hydraulic performance of copper–water nanofluid flow in different plate-fin channels, Exp. Therm Fluid Sci., 52, 248–258, 2014.
• Ebadi S., Al-Jethelah M., Tasnim S.H., Mahmud S., An investigation of the melting process of RT-35 filled circular thermal energy storage system, Open Physics, 16 (1), 574–580, 2018.
• Longeon M., Soupart A., Fourmigué J-F., Bruch A., Marty P., Experimental and numerical study of annular PCM storage in the presence of natural convection, Appl. Energy, 112, 175-184, 2013.
• Croda Kimya Tic. Ltd. Sti, Phase change material data sheet, retrieved from https://www.crodatherm.com/en-gb/products-and-applications/product-finder/product/981/Crodatherm_1_29.
• Lorente S., Bejan A., Niu J.L., Phase change heat storage in an enclosure with vertical pipe in the center Int. J. Heat Mass Transfer, 72, 329-335, 2014.
• Zhao J., Rao Z., Huo Y., Liu X., Li Y., Thermal management of cylindrical power battery modüle for extending the life of new energy electric vehicles, Appl. Therm. Eng., 85, 33-43, 2015.
• MG Chemicals Company, retrieved from: www.mgchemicals.com, 2020