Experimental and Numerical Analysis of Thermal Effects of Different Coolants in Battery Packs with Triangular Arrangement Geometry

Abstract

With the increasing prevalence of electric vehicles, the need for effective thermal management in battery packs has grown, making the design of safe and efficient energy storage systems critically important. In this study, the thermal behavior of lithium-ion battery packs was analyzed both experimentally and numerically using different coolant fluids such as water and antifreeze. Initially, experimental tests were conducted on a battery module with an equilateral triangular arrangement under constant discharge currents of 10 and 15 amperes, using various flow rates. The experimental results showed that as the flow rate increased, the rate of temperature rise decreased, and antifreeze, particularly at low and medium flow rates, produced lower temperature differences compared to water. This performance is attributed to antifreeze’s more stable viscosity characteristics and wider boiling point range. The experimental findings provided a basis for numerical studies aimed at a detailed investigation of flow fields and heat transfer mechanisms. Accordingly, the one-tube cooling system corresponding to the experimental setup was first validated, and then two- and three-tube configurations were modeled and analyzed numerically using ANSYS Fluent software. The numerical analyses employed the same flow rates as those used in the experiments, allowing for a comparison of the cooling performances of different tubular structures. The study revealed that both the type of coolant and the flow rate directly influence battery temperature control. Antifreeze demonstrated superior thermal control with lower temperature rises, especially under limited flow rate conditions. Numerical results also showed that multi-tube configurations provided more uniform temperature distributions. The findings highlight that in the design of battery thermal management systems, not only the choice of coolant but also the optimization of flow rate and structural configuration are critically important. This study contributes to the development of more efficient and safer battery systems for electric vehicles.

Keywords

• Electric vehicles
• Lithium-ion batteries
• Battery thermal management systems
• Liquid cooling
• Uniform temperature distribution

Üçgen Dizilim Geometrisine Sahip Batarya Paketlerinde Farklı Soğutucu Akışkanların Termal Etkilerinin Deneysel ve Sayısal Analizi

Öz

Elektrikli araçların yaygınlaşmasıyla birlikte batarya paketlerinde etkin termal yönetim ihtiyacı artmış, güvenli ve verimli enerji depolama sistemlerinin tasarımı önem kazanmıştır. Bu çalışmada, lityum-iyon batarya paketlerinin ısıl davranışı, su ve antifriz gibi farklı soğutucu akışkanlar kullanılarak hem deneysel hem de sayısal olarak analiz edilmiştir. İlk aşamada, eşkenar üçgen dizilimine sahip batarya modülü için sabit 10 ve 15 amper deşarj akımları altında, farklı debilerle deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar, debi arttıkça sıcaklık artış hızının azaldığını ve antifrizin, özellikle düşük ve orta debi koşullarında suya kıyasla daha düşük sıcaklık farkları oluşturduğunu göstermiştir. Bu durum, antifrizin daha kararlı viskozite yapısı ve daha geniş kaynama aralığına sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Deneysel bulgular, akış alanlarının ve ısı transfer mekanizmalarının detaylı incelenebilmesi için sayısal çalışmalara temel oluşturmuştur. Bu kapsamda, deney düzeneğine karşılık gelen 1 borulu sistemin doğrulaması yapılarak, 2 ve 3 borulu konfigürasyonlar oluşturulmuş ve ANSYS Fluent yazılımı ile sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışmalarda, deneyde kullanılan aynı debi değerleri dikkate alınmış ve farklı borulu yapıların soğutma performansları karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda, hem soğutucu türünün hem de debi miktarının batarya sıcaklık kontrolü üzerinde doğrudan etkili olduğu görülmüştür. Antifriz, özellikle sınırlı debi koşullarında daha düşük sıcaklık artışları ile termal kontrol açısından üstün performans sergilemiştir. Sayısal analizler ise çok borulu yapıların daha homojen sıcaklık dağılımı sağladığını ortaya koymuştur. Elde edilen bulgular, batarya termal yönetim sistemlerinin tasarımında yalnızca akışkan tipi değil, aynı zamanda debi ve yapı konfigürasyonlarının da optimizasyonunun kritik öneme sahip olduğunu göstermiştir. Bu kapsamda çalışma, elektrikli araçlar için daha verimli ve güvenli batarya sistemlerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Elektrikli araçlar
• Lityum iyon bataryalar
• Batarya termal yönetim sistemleri
• Sıvı soğutma
• Uniform sıcaklık dağılımı

Kaynakça

1. [1] Alkan Ö, Albayrak ÖK. Ranking of renewable energy sources for regions in Turkey by fuzzy entropy based fuzzy COPRAS and fuzzy MULTIMOORA. Renewable Energy 2020;162:712–26. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.08.062.
2. [2] Alrwashdeh SS. Energy sources assessment in Jordan. Results in Engineering 2022;13:100329. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2021.100329.
3. [3] Herzog AV, Lipman TE, Kammen DM. RENEWABLE ENERGY SOURCES n.d.
4. [4] Kartal MT. The role of consumption of energy, fossil sources, nuclear energy, and renewable energy on environmental degradation in top-five carbon producing countries. Renewable Energy 2022;184:871–80. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.12.022.
5. [5] Menak R, Karadağ T, Altuğ M, Tan N. Elektrikli Araçlarda Batarya Yönetim Sistemleri Üzerine Bir Derleme Çalışması A Review Study on Battery Management Systems in Electric Vehicles 2021.
6. [6] Lahnaoui A, Wulf C, Heinrichs H, Dalmazzone D. Optimizing hydrogen transportation system for mobility by minimizing the cost of transportation via compressed gas truck in North Rhine-Westphalia. Applied Energy 2018;223:317–28. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.03.099
7. [7] Front Matter. Uncertainties in Modern Power Systems, Elsevier; 2021, p. iii. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-820491-7.01001-X.
8. [8] Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles, Third Edition. CRC Press; 2018. https://doi.org/10.1201/9780429504884.

9. [9] Celen A, Kaba MY. Elektrikli Araçlarda Kullanılan Silindirik Lityum İyon Bataryaların Soğutulmasının Parametrik İncelenmesi. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2021;33:49–61. https://doi.org/10.35234/fumbd.728143.
10. [10] Zhang Z, Wang J, Feng X, Chang L, Chen Y, Wang X. The solutions to electric vehicle air conditioning systems: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2018;91:443–63. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.005.
11. [11] Li Z, Huang J, Yann Liaw B, Metzler V, Zhang J. A review of lithium deposition in lithium-ion and lithium metal secondary batteries. Journal of Power Sources 2014;254:168–82. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.12.099
12. [12] Huang Y, Mei P, Lu Y, Huang R, Yu X, Chen Z, et al. A novel approach for Lithium-ion battery thermal management with streamline shape mini channel cooling plates. Applied Thermal Engineering 2019;157:113623. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.04.033.
13. [13] Malik M, Dincer I, Rosen MA, Mathew M, Fowler M. Thermal and electrical performance evaluations of series connected Li-ion batteries in a pack with liquid cooling. Applied Thermal Engineering 2018;129:472–81. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.10.029.
14. [14] Akkuş F, Işik MZ. Elektrikli Araçlarda Kullanılan Lityum İyon Bataryaların Hava, Sıvı Ve Isı Borulu Termal Yönetim Sistemlerinin İncelenmesi. Batman Üniversitesi Yaşam Bilimleri Dergisi 2023;13:36–54. https://doi.org/10.55024/buyasambid.1339607.
15. [15] Thakur AK, Prabakaran R, Elkadeem MR, Sharshir SW, Arıcı M, Wang C, et al. A state of art review and future viewpoint on advance cooling techniques for Lithium–ion battery system of electric vehicles. Journal of Energy Storage 2020;32:101771. https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101771.
16. [16] Rao Z, Wang S. A review of power battery thermal energy management. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2011;15:4554–71. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.096.
17. [17] Akinlabi AAH, Solyali D. Configuration, design, and optimization of air-cooled battery thermal management system for electric vehicles: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2020;125:109815. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.109815.
18. [18] Zhang W, Qiu J, Yin X, Wang D. A novel heat pipe assisted separation type battery thermal management system based on phase change material. Applied Thermal Engineering 2020;165:114571. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114571.
19. [19] Zhou Z, Lv Y, Qu J, Sun Q, Grachev D. Performance evaluation of hybrid oscillating heat pipe with carbon nanotube nanofluids for electric vehicle battery cooling. Applied Thermal Engineering 2021;196:117300. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117300.
20. [20] Torun E, Buyruk E. Effect of Different Heat Pipe Lengths on Heat Transfer in Battery Cooling Systems. IJERAD 2025;17:115–25. https://doi.org/10.29137/umagd.1475281.
21. [21] Lu M, Zhang X, Ji J, Xu X, Zhang Y. Research progress on power battery cooling technology for electric vehicles. Journal of Energy Storage 2020;27:101155. https://doi.org/10.1016/j.est.2019.101155.
22. [22] Fan Y, Bao Y, Ling C, Chu Y, Tan X, Yang S. Experimental study on the thermal management performance of air cooling for high energy density cylindrical lithium-ion batteries. Applied Thermal Engineering 2019;155:96–109. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.03.157.
23. [23] Zhang X, Liu C, Rao Z. Experimental investigation on thermal management performance of electric vehicle power battery using composite phase change material. Journal of Cleaner Production 2018;201:916–24. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.08.076.
24. [24] Ye B, Rubel MRH, Li H. Design and Optimization of Cooling Plate for Battery Module of an Electric Vehicle. Applied Sciences 2019;9:754. https://doi.org/10.3390/app9040754.
25. [25] Al-Zareer M, Dincer I, Rosen MA. A novel approach for performance improvement of liquid to vapor based battery cooling systems. Energy Conversion and Management 2019;187:191–204. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.02.063.
26. [26] Kök C, Alkaya A. Zarf tipi Lityum iyon batarya hücreleri için farklı soğutma uygulamalarının sayısal incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 2022;38:381–98. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.804866.
27. [27] Aydın M, Koca F. Lityum-İyon Batarya Modüllerinin Soğutulmasında Ara Soğutma Kanallarının Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi. Sivas Cumhuriyet Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi 2025;4:1–11. https://doi.org/10.69560/cujast.1695926.
28. [28] Uzal H, Şener R, Oktay H. Elektrikli Araçlarda Hava Giriş Konumu ve Hızının Batarya Soğutma Performansına Etkisinin Araştırılması. International Journal of Advances in Engineering and Pure Sciences 2023;35:116–24. https://doi.org/10.7240/jeps.1239910.
29. [29] Tan X, Lyu P, Fan Y, Rao J, Ouyang K. Numerical investigation of the direct liquid cooling of a fast-charging lithium-ion battery pack in hydrofluoroether. Applied Thermal Engineering 2021;196:117279. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117279.
30. [30] Tete PR, Gupta MM, Joshi SS. Numerical investigation on thermal characteristics of a liquid-cooled lithium-ion battery pack with cylindrical cell casings and a square duct. Journal of Energy Storage 2022;48:104041. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104041.
31. [31] Xu J, Chen Z, Qin J, Minqiang P. A lightweight and low-cost liquid-cooled thermal management solution for high energy density prismatic lithium-ion battery packs. Applied Thermal Engineering 2022;203:117871. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117871.