مطالعه تجربی ترکیب روش‌های خنک‌سازی هوا و ترموالکتریک برای افزایش زمان کارکرد و کاهش دمای باتری لیتیوم یونی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، مهندسی سیستم‌های انرژی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

3 استادیار، دانشکده انرژی، پردیس علوم و فناوری‌های نوین، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

10.22044/jsfm.2024.14072.3831

چکیده

باتری‌های شارژی نقش جدانشدنی در زندگی امروزی دارند. نگهداری و افزایش طول عمر آنها از چالش‌های بشر بوده است. در این مقاله با بررسی و ترکیب روش خنک‌سازی با هوا و ماژول‌های ترموالکتریک سعی در انتقال بهتر حرارت باتری برای کاهش دمای سطح آن شده است. تاثیر دما و نرخ تخلیه‌های متفاوت در این مقاله بررسی شده است. مجموعه باتری ساخته شده از جنس بلوک آلومینیومی به ابعاد 6*10*30 سانتیمتر بوده است. تعداد 48 عدد سلول باتری لیتیوم یونی بر روی آن قرار داده شده است. نحوه‌ی قرارگیری این سلول‌ها به شکل 4 ردیف 12 تایی بوده است. با توجه به ظرفیت 2200 میلی آمپر ساعتی و ولتاژ 7/3 ولتی، حداکثر توان مجموعه 390 وات بیان شده است. فن در فاصله 60 سانتیمتری از مجموعه قرار گرفته است. سرعت برخورد باد با مجموعه، برابر2/1 متر بر ثانیه بوده است. در حالت استفاده از فن و ماژول ترموالکتریک مدت زمان کارکرد مجموعه 1/17 درصد نسبت به حالت بدون استفاده از فن و ماژول ترموالکتریک افزایش داشته است و از 1900 ثانیه به 2300 ثانیه رسیده است. دمای سطح مجموعه در حالت استفاده همزمان از فن و ماژول 2 درجه کاهش پیدا کرده است. میزان انتقال حرارت بوسیله سیستم خنک‌کاری فن و ماژول ترموالکتریک 2/15 درصد نسبت به حالت بدون فن و ماژول بهبود پیدا کرده است. عدد ناسلت در حالت ترکیبی نسبت به حالت پایه 2/14 درصد رشد پیدا کرده است. با مقایسه نتایج آزمایشات، مناسب بودن این روش خنک‌سازی در جهت انتقال حرارت بهتر مجموعه تایید شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Zhao G, Wang X, Negnevitsky M, Zhang H, (2021), A review of air-cooling battery thermal management systems for electric and hybrid electric vehicles J. Power Sources
[2] Mansir I.B, Sinaga N, Farouk N, Alqsair U.F, Diyoke C, Nguyen D.D, (2022) Assessment of the effect of distance between lithium-ion batteries with a number of triangular blades, on the thermal management of the battery pack in a chamber full of phase change material J. Storage Mater., 51, Article 104391
[3] Youssef R, Hosen M.S, He J, Jaguemont J, Akbarzadeh M, De Sutter L, Van Mierlo J, Berecibar M, (2021), Experimental and numerical study on the thermal behavior of a large lithium-ion prismatic cell with natural air convection IEEE Trans. Ind. Appl., 57 (6), pp. 6475-6482
[4] University B, (2021), BU-502: Discharging at high and low temperatures Batter Portable World, 1
[5] Luo M, Cao J, Liu N, Zhang Z, Fang X, (2022), Experimental and simulative investigations on a water immersion cooling system for cylindrical battery cells Front. Energy Res, 10
[6] Öztop M, Şahinaslan A, (2022), Control of temperature distribution for Li-ion battery modules via longitudinal fins J. Storage Mater, 52, Article 104760.
[7] Gao Q, Wang G, Yan Y, Wang Y, (2020), Thermal management optimization of a lithium-ion battery module with graphite sheet fins and liquid cold plates Autom. Innov, 3 (4), pp. 336-346.
[8] Behi H, Karimi D, Jaguemont J, Gandoman F, Kalogiannis T, Berecibar M, Van Mierlo J, (2021), Novel thermal management methods to improve the performance of the Li-ion batteries in high discharge current applications Energy, Article 120165.
[9] Sun Z, Guo Y, Zhang Ch, Xu H, Zhou Q, Wang Ch, (2023), A Novel Hybrid Battery Thermal Management System for Prevention of Thermal Runaway Propagation, IEEE TRANSACTIONS ON TRANSPORTATION ELECTRIFICATION, VOL. 9, NO. 4, DECEMBER.
[10] Chen W, Hou S, Shi J, Han P, Liu B, Wu B, Lin X, (2022), Numerical analysis of novel air-based Li-ion battery thermal management Batteries, 8 (9), p. 17.
[11] Xu Y, Zhang H, Xu X, Wang X, (2021), Numerical Analysis and surrogate model optimization of air-cooled battery modules using double-layer heat spreading plates Int. J. Heat Mass Transf, Article 121380.
[12] Widyantara R, Naufal M, Sambegoro P, Nurprasetio I, Triawan F, Djamari D, Nandiyanto A, Budiman B, Aziz M, (2021), Low-cost air-cooling system optimization on battery pack of Electric Vehicle Energies, 14, p. 7954.
[13] Qin P, Sun J, Yang X, Wang Q, (2021), Battery thermal management system based on the forced-air convection: A review e-Transportation, 7, Article 100097.
[14] Thakur A.K, Prabakaran R, Elkadeem M, Sharshir S, Arıcı M, Wang C, Zhao W, Hwang Y, Saidur R, (2020), A state of art review and future viewpoint on advance cooling techniques for Lithium–ion battery system of electric vehicles J. Storage Mater., 32, Article 101771.
[15] Weng J, Ouyang D, Yang X, Chen M, Zhang G, Wang J, (2020), Optimization of the internal fin in a phase-change-material module for battery thermal management Appl Therm Eng, 167, Article 114698.
[16] Kim J, Oh J, Lee H, (2020), Review on battery thermal management system for electric vehicles Appl Therm Eng, 149, pp. 192-212.
[17] Enescu D, (2020), thermoelectric energy harvesting: basic principles and applications IntechOpen, 1, pp. 1-37, 10.5772/intechopen.83495.
[18] Luo D, Wang R, Yu W, Zhou W, (2020), A novel optimization method for thermoelectric module used in waste heat recovery Energy Convers. Manage, 10.1016/j.enconman.2020.112645.
 
[19] Arora Sh, (2018) Selection of thermal management system for modular battery packs of electric vehicles: a review of existing and emerging technologies, J. Power Sources 400: 621–640.
[20] Sun H, Dixon R, (2014) Development of cooling strategy for an air cooled lithium-ion battery pack, J. Power Sources 272: 404–414.
[21] Lithium-Ion Battery Inventor Introduces New Technology for Fast-Charging, Noncombustible Batteries, University of Texas at Austin. University of Texas. 28 February 2017. Retrieved 15 March 2017.
[22] Dubarry M, Baure G, Pastor-Fernandez C, Fai YT, Dhammika WW, Marco J. (2019) Battery energy storage system modeling: A combined comprehensive approach, J. Storage Mater 21:172–85.
[23] Karimi G, Li X. (2013) Thermal management of lithium-ion batteries for electric vehicles. Int J Energy Res 37: 13–24.
[24] Inui Y, Kabaysahi Y, Watanabe Y, Watase Y, Kitamura Y. (2007) Simulation of temperature distribution in cylindrical and prismatic lithium ion secondary batteries. Energy Convers Manage 48:2103–9.
[25] Hosseinzadeh E, Genieser R, Worwood D, Barai A, Marco J, Jennings P. (2018) A systematic approach for electrochemical-thermal modelling of a large format lithium-ion battery for electric vehicle application. J Power Sources 382: 77–94.
[26] Chung Y, Kim MS. (2019) Thermal analysis and pack level design of battery thermal management system with liquid cooling for electric vehicles. Energy Convers Manage 196:105–116h.
[27] Liu H, Wei Z, He W, Zhao J. (2017) Thermal issues about Li-ion batteries and recent progress in battery thermal management systems: A review. Energy Convers Manage 150:304–30.
[28] Dubarry M, Baure G, Pastor-Fernandez C, Fai YT, Dhammika WW, Marco J. (2019) Battery energy storage system modeling: A combined comprehensive approach, J. Storage Mater 21:172–85.
[29] Holman J.P, (1985) Heat Transfer, Fifth Edition, Chapter 6, Natural-convection Heat transfer, Page287