PERFORMANCE COMPARISON OF PARALLEL AND SERIES CHANNEL COLD PLATES USED IN ELECTRIC VEHICLES BY MEANS OF CFD SIMULATIONS

Soğutucu levhalarda düşük ısıl direnç, dolayısıyla yüksek ısı transferi ve düşük basınç kaybı arzu edilmektedir. Bu çalışmada, elektrikli araç uygulamalarında li-iyon pil hücrelerinin termal regülasyonu için, farklı konfigürasyonlara sahip sıvı soğutmalı üç soğutucu levhanın performansları incelenmiştir. Seri, paralel ve seri-paralel konfigürasyonlarda oluşturulan soğutucu levhaların aynı batarya modülünde kullanılabilmeleri için dış boyutları birbiriyle aynı tutulmuştur. Çalışmada, soğuk plakaların performansları, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) araçları kullanılarak incelenmiştir. Çeşitli akış hızlarında, soğuk plakaların içindeki akış alanını ve termal alanı hesaplamak için ANSYS Fluent ticari yazılımı kullanılmıştır. Soğuk plakaların performansları, sürekli rejimde Navier-Stokes, enerji ve süreklilik denklemleri 3 boyutlu simülasyonlar ile çözülerek elde edilmiştir. Reynolds sayısı laminer akış limitleri içerisinde hesaplandığından, tüm akış durumları için laminer akış kabul edilerek çözümlere gidilmiştir. Simülasyonlar sonucunda, paralel akış geometrisindeki soğutucu sıvının basınç kaybının seri olana göre önemli ölçüde daha düşük olduğu görülmüştür. Bununla birlikte, beklenildiği gibi, paralel akış geometrisinde seriye göre yüksek ısıl direnç ve düşük sıcaklık homojenliği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, basınç düşüşü ve ısı transferi arasındaki dengenin, akış düzeninin mümkün olduğunca paralel tutulup çapraz kanalların ise uzunluğunun arttırıldığı bir serpantin şekli uygulanarak optimize edilebileceğini seri-paralel konfigürasyon sonuçları göstermektedir.

In a cold plate low thermal resistance thus high heat transfer rate and also low pressure drop is desired. In this study, performances of three liquid cold plates with different configurations are investigated for the thermal regulation of li-ion battery cells in electric vehicle applications. The outer dimensions of the cold plates are kept identical in order to use the cold plates in the same battery module under series, parallel and series-parallel configurations. The performances of the cold plates are investigated by using Computational Fluid Dynamic (CFD) tools. ANSYS Fluent commercial software is used to calculate the flowfield and the thermal field inside the cold plates for various flowrates. The performances of the cold plates are obtained by 3D simulations that solve Navier-Stokes, energy and continuity equations in a steady manner. The flow is assumed to be laminar for all the cases since calculated Reynolds number stay in laminar flow limits. The results show that the pressure drop of the coolant liquid of parallel flow arrangement is significantly lower than the serial arrangement. However, high thermal resistance and low uniformity of the temperature through the cold plate is observed compared to the serial case, as expected. As a result, series-parallel configuration results show that the trade-off between pressure drop and heat transfer rate can be optimized by applying a serpentine shape while keeping the flow arrangement as parallel as possible and increasing the length of the cross channels.