Experimental Investigation of Cooling a Cylinder with Battery-like Thermal Conditions with Phase Change Material

Abstract

n this study, the cooling of lithium-ion batteries using phase change material (PCM), a passive thermal management system, has been experimentally investigated. A composite with copper wire mesh has been formed to increase the thermal conductivity of PCM. Transient variation of heater surface temperature under the stagnant air environment has been examined for the cases bare heater, heater surrounded by the PCM, and enclosed by PCM/copper wire mesh composite. In experiments, a heater with the same dimensions of the 26650 cylindrical lithium-ion battery is used to simulate the heat generation for this battery for the 2C (1.30W) and 3C (2.75W) discharge rates. Two kinds of PCMs having different melting temperatures are employed in the experiments. As a result of the tests carried out for steady-state conditions, by using solid-phase PCM(CrodaTherm37)/copper wire composite, the thermal resistance of PCM/copper+glass is decreased by 52% compared to the heater surrounded by only PCM configuration. If the same experiment is held for liquid phase PCM/copper wire composite, PCM/copper+glass thermal resistance is 30% higher than the only PCM case. While the use of copper wire promotes the thermal performance for the solid and solid-liquid phases, it is observed that it negatively affects it for the liquid phase. The PCM mass and the cost are reduced by 15% thanks to the use of copper wire. In the absence of the PCM (stagnant air environment), heater surface temperature has reached 40°C at 755 s and 400 s for the heat generation of 2C/1.30 W and 3C/2.75 W, respectively. This process has been extended by 703% compared to absence of the PCM using CrodaTherm37/Copper wire mesh for a 2C discharge rate. When considering the melting temperatures of the PCMs, CrodaTherm29 for short term discharge 2C/1.30W, CrodaTherm37 can be preferred for long term cyclic 2C/1.30W charge/discharge conditions.

Keywords

• Passive cooling of lithium ion batteries
• phase change material
• melting
• electric vehicle
• hybrid electric vehicle

Pil Benzeri Isıl Koşullara Sahip bir Silindirin Faz Değiştiren Malzeme ile Soğutulmasının Deneysel İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, lityum iyon pillerin pasif termal yönetim sistemlerinden faz değişim malzemesi (FDM) kullanımı ile soğutulması deneysel olarak incelenmiştir. FDM ısı iletim katsayısının artırılması amacıyla içerisine bakır tel örgü konarak FDM/bakır tel örgü kompoziti oluşturuldu. Isıtıcı etrafına FDM/bakır tel örgü koyulduğu, yalnız FDM koyulduğu ve FDM konulmadığı durumlarda ısıtıcı yüzey sıcaklığının durağan hava ortamında değişimi incelenmiştir. Deneylerde silindirik lityum iyon pillerin 2C (1.30W) ve 3C (2.75W) deşarj durumlarında attığı ısıyı simüle etmek için 26650 pili ile aynı boyutlarda ısıtıcı kullanılmıştır. Deneylerde farklı ergime sıcaklığına sahip iki adet FDM kullanılmıştır. Sürekli rejimde yürütülen deneylerde ısıtıcı etrafına FDM(CrodaTherm37)/bakır tel konulması durumunda FDM katı halde iken FDM+cam ısıl direncini %52 düşürmüştür. FDM sıvı fazda olduğu durumda ise FDM/tel+cam ısıl direncini %30 artırmıştır. Tel kullanımı ısıl performansı katı ve iki fazlı bölgede olumlu etkilerken sıvı fazda olumsuz etkilediği gözlemlenmiştir. FDM/bakır tel kullanılması sayesinde FDM kütlesi ve maliyeti, %15 düşürülmüştür. FDM kullanılmadığında (durağan hava ortamı) 2C/1.30W ve 3C/2.75W deşarj/ısı üretimi durumunda ısıtıcı yüzey sıcaklığı 40˚C’ ye sırasıyla 755 s ve 400 s’de gelmiştir. 2C deşarj oranı için bu süre CrodaTherm37/Tel örgü kullanılarak FDM kullanılmayan duruma göre %703 artırılabilmiştir. FDM’lerin ergime sıcaklıkları göz önüne alındığında, kısa süreli deşarj 2C/1.30W ısı üretimi durumunda CrodaTherm29, uzun süreli çevrim şeklinde şarj/deşarj 2C/1.30W ısı üretimi durumunda ise CrodaTherm37 FDM kullanımı tercih edilebilir.

Keywords

• Lityum-iyon pillerin pasif soğutulması
• faz değişim malzemesi
• ergime
• elektrikli araç
• hibrit elektrikli araç

Supporting Institution

Croda Kimya

Thanks

Bu çalışmada kullanılmak üzere faz değişim malzemesi temini konusunda yardımcı olan CRODA KİMYA TİC. LTD. ŞTİ’ne teşekkür ederiz.

References

1. Al-Alawi B. M., Bradley T. H., Review of hybrid, plug-in hybrid, and electric vehicle market modeling Studies, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 21, 190-203, 2013.
2. 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.
3. Gürbüz Y., Kulaksız A. A., Elektrikli Araçlar ile Klasik İçten Yanmalı Motorlu Araçların Çeşitli Yönlerden Karşılaştırılması, Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 6(2), 117-125, 2016.
4. Hémery C. V., Pra F., Robin J. F., Marty P., Experimental performances of a battery thermal management system using a phase change material, Journal of Power Sources. 270, 349-358, 2014.
5. Incropera F. P., DeWitt D. P., Bergman, T. L., Lavine A. S., Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6th Edition. Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6th Edition. (2007).
6. Jeon D. H., Baek S. M., Thermal modeling of cylindrical lithium ion battery during discharge cycle, Energy Conversion and Management, 52, 2973-2981, 2011.
7. Jiang G., Huang J., Fu J., Cao M., Liu M., Thermal optimization of composite phase change material/expanded graphite for Li-ion battery thermal management, Applied Thermal Engineering, 108, 1119-1125, 2016.
8. Khan Z., Ghafoor A., A review of performance enhancement of PCM based latent heat storage system within the context of materials, thermal stability and compatibility, Energy Conversion and Management, 115, 132-158, 2016.

9. Kizilel R., Sabbah R., Selman J. R., Al-Hallaj S. An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs, Journal of Power Sources, 194, 1105-1112, 2009.
10. Lazrak A., Fourmigué J. F., Robin J. F., An innovative practical battery thermal management system based on phase change materials: Numerical and experimental investigations, Applied Thermal Engineering, 128, 2032, 2018.
11. 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, Journal of Power Sources, 255, 9-15, 2014.
12. Mehrali M., Latibari S. T., Mehrali M., Metselaar H. S. C., Silakhori M., Shape-stabilized phase change materials with high thermal conductivity based on paraffin/graphene oxide composite, Energy Conversion and Management, 67, 275-282, 2013.
13. Popiel C. O., Free convection heat transfer from vertical slender cylinders: A review, Heat Transfer Engineering, 29, 521-536, 2008.
14. 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, International Journal of Hydrogen Energy, 39, 3904-3913, 2014.
15. Rao Z., Huo Y., Liu X., Zhang G., Experimental investigation of battery thermal management system for electric vehicle based on paraffin/copper foam, Journal of the Energy Institute, 88, 241-246, 2015.
16. Rao Z. H., Wang S. F., Zhang Y. L., Thermal management with phase change material for a power battery under cold temperatures, Energy Sources Part A, 7036, 2286-2295, 2014.
17. Sabbah R., Kizilel R., Selman J. R., Al-Hallaj S., Active (air-cooled) vs. passive (phase change material) thermal management of high power lithium-ion packs: Limitation of temperature rise and uniformity of temperature distribution, Journal of Power Sources, 182, 132-158, 2008.
18. Speirs J., Contestabile M., Houari Y., Gross R., The future of lithium availability for electric vehicle batteries, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 35, 183-193, 2014.
19. Tuncay N., Üstün Ö. Elektrikli araçlarda geçmişten geleceğe bakış, MÜSİAD Otomotiv Sektör Kurulu Raporu, İstanbul, 2012
20. Väyrynen A., Salminen J., Lithium ion battery production, Journal of Chemical Thermodynamics, 46, 80-85, 2012.
21. Wang Q., Rao Z., Huo Y., Wang S., Thermal performance of phase change material/oscillating heat pipe-based battery thermal management system, International Journal Of Thermal Sciences, 102, 9-16, 2016.
22. Zhang T., Gao C., Gao Q., Wang G., Liu M. H., Guo Y., Xiao C., Yan, Y. Y., Status and development of electric vehicle integrated thermal management from BTM to HVAC, Applied Thermal Engineering, 88, 398-409, 2015.