توصيفگر ها :
باتري ليتيوم-يوني , خودروهاي الكتريكي , لوله حرارتي , دماي كاري , سيستم مديريت حرارتي
چكيده فارسي :
باتريهاي ليتيوم-يوني، به دليل مزايايي همچون ظرفيت بالا، طول عمر بالا و نرخ تخليهي شارژ خود بخودي پايين، به طور گستردهاي در وسايل نقليه الكتريكي استفاده ميشوند. در اين باتريها به دليل واكنشهاي شيميايي و مقاومت اهمي در فرآيند شارژ / تخليه مقدار قابلتوجهي گرما توليد ميكنند كه موجب بروز مشكلاتي مانند گرم شدن بيشازحد، تورم و حتي انفجار باتري خواهدشد.
مشكلات مربوط به ناپايداري حرارتي در باتري ازجمله كاهش ظرفيت، افزايش نرخ فرايندهاي الكتروشيميايي ميشود كه خود باعث توليد حرارت بيشتر ميشود و انفجار، ناشي از گرم شدن بيشازحد باتري و يا عدم يكنواختي حرارتي در پك باتري هست. ازنقطه نظر ارزيابي قابليت اطمينان باتريهاي ليتيوم-يوني، طراحي يك سيستم مديريت حرارتي باتري كارآمد تبديل به يك چالش مهم در خودروهاي الكتريكي براي كنترل و حذف گرماي توليدشده توسط سلولها است. خواص اصلي هر سيستم مديريت حرارتي شامل هزينه ساخت پايين، نياز به طرح ساده، قابليت اطمينان بالا، اندازه كوچك و محكم بودن، ارزان، كموزن و عدم انتشار گاز مضر ميباشد.
در اين پژوهش به طراحي يك سيستم مديريت حرارتي تركيبي (تركيب لوله حرارتي و مبدل حرارتي مواد تغيير فاز دهنده) براي حالت شارژ سريع يا سوپر شارژ در نرخ شارژ ( 5Cكه باتري را در مدتزمان يكپنجم ساعت شارژ ميكند).پرداخته خواهدشد. لوله حرارتي داراي اندازه كوچك و فشرده و وزن سبك است زيرا فقط به مقدار كمي سيال عامل نياز دارد و براي گردش آن به پمپ يا
كمپرسور نياز ندارد. علاوه بر اين، لوله حرارتي يك وسيله حرارتي غيرفعال (منفعل) است زيرا براي گردش سيال عامل انتقال حرارت خود به منبع تغذيه خارجي نياز ندارد. عملكرد يك لوله حرارتي به طراحي ساختار آن، سيال عامل و ساختار فتيله مويينگي بستگي دارد.
ماژولهاي باتري مدل 18650استوانهاي ليتيوم-يوني توسط لوله حرارتي در قسمت اواپراتور، حرارت را منتقل كرده و قسمت كندانسور لوله حرارتي توسط سيال خنك ميشود. در قسمت دوم اين پژوهش به مبدل حرارتي اي كه خارج از پك باتري و در ايستگاه شارژ قرار دارد و سيال انتقالدهنده حرارت در قسمت كندانسور توسط آن خنك ميشود طبق پژوهش مرجع كه پيشازاين
در دانشكده انجامشده است و كوپل آن با قسمت اول پژوهش پرداخته ميشود.
نتيجه ميشود كه با افزايش طول ناحيه كندانسور لوله حرارتي و ضخامت فتيله، دماي ماكسيمم كاهش مييابد. براي رسيدن به
مدلي كه در آن با دريافت گرما از باتري و رعايت دماي عملكرد باتري (بازه 15تا 35درجه سلسيوس) مدلهاي مختلف سنجيده
شدند. نتيجه ميشود كه با افزايش ضريب انتقال حرارت جابجايي و براي دستيابي به دماي ماكسيمم پايينتر، ضخامت فتيله بايد
افزايش يابد. درنهايت مدلهاي پيشنهادي با افزايش ضخامت فتيله و قراردادن پره بر روي ناحيه كندانسور دستيابي به دماي زير 35
درجه را ممكن ميسازد.
كلمات كليدي:
باتري ليتيوم-يوني – خودروهاي الكتريكي – لوله حرارتي – دماي كاري – سيستم مديريت حرارتي
چكيده انگليسي :
Abstract
Lithium-ion batteries are widely used in electric vehicles due to their advantages such as
high capacity, long lifespan, and low self-discharge rate. However, these batteries
generate a significant amount of heat during the charge/discharge process due to chemical
reactions and internal resistance, leading to issues such as excessive heating, swelling,
and even battery explosions.
From a reliability standpoint, designing an efficient battery thermal management system
becomes a crucial challenge in electric vehicles to control and eliminate the generated
heat by the battery cells.
This research focuses on the design of a combined battery thermal management system
(combining heat pipes and phase-change material heat exchangers) for fast charging or
supercharging conditions at a charge rate of C5 (which charges the battery in one-fifth of
an hour). Heat pipes are small, compact and lightweight. Additionally, heat pipes act as
passive thermal devices as they do not require external power supply to transfer their heat
to the heat sink. The performance of a heat pipe depends on its structural design, working
fluid, and wick structure.
The 18650 cylindrical lithium-ion battery modules transfer heat through heat pipes to the
evaporator section, and the heat is dissipated by the cooling fluid in the condenser part of
the heat pipe. In the first part, the solution domain consists of a three-dimensional heat
pipe with transient behavior, and the simulation was performed using COMSOL
Multiphysics 6.0 software. Different physical domains, including heat transfer in the
porous medium, laminar flow and the Brinkman equation for heat and fluid flow in the
vapor chamber and wick were coupled and solved.
The second part of this research focuses on an external heat exchanger located outside the
battery pack and at the charging station, where the heat transfer fluid is cooled. This part
is based on previous research conducted at the faculty on designing a novel PCM heat
exchanger, and its coupling with the first part of the research is addressed.During the charging period, the proposed model is solved for specific parameters,
including a wick thickness of 0.7 millimeters, a heat pipe wall thickness of 0.3
millimeters, a condenser length of 30 millimeters, and an adiabatic section length of 30
millimeters. The time-dependent solution reveals that the maximum temperature ranges
from 31.8 to 32.8 degrees Celsius as the battery is charged for a duration of 720 seconds.
It is concluded that increasing the length of the heat pipe condenser region and the
thickness of the wick reduces the maximum temperature. Various models were evaluated
to obtain a model where heat is received from the battery while maintaining the battery's
operating temperature within the range of 15 to 35 degrees Celsius. It is found that
increasing the heat transfer coefficient and achieving a lower maximum temperature
requires an increase in the wick thickness. Ultimately, proposed models allow achieving
temperatures below 35 degrees Celsius by increasing the wick thickness and placing fins
on the condenser region. To achieve temperature uniformity throughout the battery pack,
a single modular compartment was designed around the condenser part of the heat pipe.
The compartment uses water as a fluid with a velocity of 0.05 meters per second,
employing a reference heat pipe and a square shaped water inlet of 3 millimeters square at
the end of the condenser and two circular outlet openings with a radius of 1.5 millimeters
square on both sides of the heat pipe model.
Keywords:
Li-ion battery, Heat pipe, Fast charging, BTMS, Maximum temperature