Page Header

Home > Vol 33, No 2 (2023) > Dhuchakallaya

Cell Arrangement of Lithium-ion Battery Pack for Improvement in Cooling Performance of Air-Cooled Battery Thermal Management System

Isares Dhuchakallaya, Patcharin Saechan

Abstract


งานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาเชิงตัวเลขของระบบจัดการความร้อนของชุดแบตเตอรี่ด้วยอากาศ เนื่องจากต้นทุนการผลิตที่ต่ำ, โครงสร้างการจัดเรียงที่ไม่ซับซ้อน และความเสถียรภาพของระบบที่สูง โดยทำการศึกษาชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรุ่น 1860B จำนวน 40 เซลล์ ที่มีโครงสร้างการจัดเรียงเซลล์ที่แตกต่างกัน ได้แก่ แนวเดียวกัน, แนวเยื้อง และแนวสลับ เพื่อเปรียบเทียบสมรรถนะการระบายความร้อนของแต่ละรูปแบบ นอกจากนี้ อิทธิพลของความเร็วอากาศ และอัตราการคายประจุก็ถูกใช้ในการวิเคราะห์ร่วมด้วย เพื่อควบคุมให้เซลล์แบตเตอรี่ทำงานอยู่ภายในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสม ซึ่งมีค่าไม่เกิน 40C โดยแบบจำลองความร้อนที่เกิดขึ้นในเซลล์แบตเตอรี่ถูกจำลองขึ้นโดยอาศัยข้อมูลการทดสอบเซลล์แบตเตอรี่ภายใต้อุณหภูมิแวดล้อมต่าง ๆ จากผลการจำลองพบว่า เมื่อความเร็วของอากาศเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ระบบระบายความร้อนมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น โดยชุดแบตเตอรี่ที่ทำงานอย่างต่อเนื่องภายใต้อัตราการคายประจุ 0.5C อาจไม่จำเป็นต้องพึ่งพาระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ และในกรณีที่ชุดแบตเตอรี่ทำงานด้วยอัตราการคายประจุ 1C การระบายความร้อนจำเป็นต้องมีความเร็วของอากาศอย่างน้อย 1 m/s เพื่อควบคุมอุณหภูมิของเซลล์แบตเตอรี่ให้อยู่ภายในช่วงที่กำหนด แต่ระบบจัดการความร้อนด้วยอากาศไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิของเซลล์แบตเตอรี่ได้ในกรณีที่มีการคายประจุอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ การจัดเรียงเซลล์ที่เหมาะสมที่สุดในแง่ของประสิทธิภาพการระบายความร้อนคือการจัดเรียงแบบแนวเดียวกัน และช่องว่างที่เหมาะสมระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันคือประมาณ 1.5 มม.

Air-cooled thermal management system has been numerically studied due to low manufacturing cost, simple layout structure and high reliability of the system. A set of Lithium-ion battery pack 18650B consisting of 40 cells was investigated under different cell arrangement structures, i.e., inline, offset, and staggered configurations in order to evaluate their cooling performances. Additionally, the effects of inlet velocity and discharge rate were taken into consideration to guarantee the temperature of batteries in operation within an optimal range, i.e., not over 40 °C. The heat simulation model of battery cells was developed based on the data acquired from the test under various ambient temperatures. The simulation results revealed that the increased air velocity resulted in better cooling performance of the system. The continuously operating battery pack under the discharge rate of 0.5C may not rely on the forced air-cooling system. When the battery pack discharging of 1C-rate, it required at least the air velocity of 1 m/s for cooling the battery within the optimal working temperature range. However, the forced-air cooling strategy was unable to control the temperature of the battery cell in case of fast discharging rate. Furthermore, the best cell arrangement in terms of cooling performance is the inline configuration and the appropriate gap between adjacent cells is about 1.5 mm.


Keywords



[1] J. Kim, J. Oh, and H. Lee, “Review on battery thermal management system for electric vehicles,” Applied Thermal Engineering, vol. 149, pp. 192–212, 2019.

[2] I. Dincer, H. S. Hamut, and N. Javani, Thermal Management of Electric Vehicle Battery Systems. JohnWiley & Sons, 2017.

[3] X. Li, F. He, and L. Ma, “Thermal management of cylindrical batteries investigated using wind tunnel testing and computational fluid dynamics simulation,” Journal of Power Sources, vol. 238, pp. 395–402, 2013.

[4] Á. G. Miranda and C. W. Hong, “Integrated modeling for the cyclic behavior of high power Li-ion batteries under extended operating conditions,” Applied Energy, vol. 111, pp. 681–689, 2013.

[5] A. A. Pesaran, “Battery thermal management in EVs and HEVs: Issues and solutions,” in Advanced Automotive Battery Conference, pp. 10, 2001.

[6] Q. Wang, B. Jiang, B. Li, and Y. Yan, “A critical review of thermal management models and solutions of lithium-ion batteries for the development of pure electric vehicles,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 64, pp. 106–128, 2016.

[7] J. Jaguemont and J. Van Mierlo, “A comprehensive review of future thermal management systems for battery-electrified vehicles,” Journal of Energy Storage, vol. 31, pp. 101551, 2020.

[8] C. Liu, D. Xu, J. Weng, S. Zhou, W. Li, Y. Wan, S. Jiang, D. Zhou, J. Wang, and Q. Huang, “Phase change materials application in battery thermal management system: A review,” Materials (Basel, Switzerland), vol. 13, 2020, Art. no. 4622.

[9] R. D. Jilte, R. Kumar, M. H. Ahmadi, and L. Chen, “Battery thermal management system employing phase change material with cell-tocell air cooling,” Applied Thermal Engineering, vol. 161, 2019, Art. no. 114199.

[10] X. Wu, C. Mo, J. Xie, Y. Xu, X. Yang, and G. Zhang, “Experimental study of a novel strategy to construct the battery thermal management module by using tubular phase change material units,” Journal of Energy Storage, vol. 39, 2021, Art. no. 102585.

[11] H. Zhang, X. Wu, Q. Wu, and S. Xu, “Experimental investigation of thermal performance of large-sized battery module using hybrid PCM and bottom liquid cooling configuration,” Applied Thermal Engineering, vol. 159, 2019, Art. no. 113968.

[12] D. Kong, R. Peng, P. Ping, J. Du, G. Chen, and J. Wen, “A novel battery thermal management system coupling with PCM and optimized controllable liquid cooling for different ambient temperatures,” Energy Conversion and Management, vol. 204, 2020, Art. no. 112280.

[13] S. Abbas, Z. Ramadan, and C. W. Park, “Thermal performance analysis of compact-type simulative battery module with paraffin as phase-change material and flat plate heat pipe,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 173, 2021, Art. no. 121269.

[14] Q. Huang, X. Li, G. Zhang, J. Zhang, F. He, and Y. Li, “Experimental investigation of the thermal performance of heat pipe assisted phase change material for battery thermal management system,” Applied Thermal Engineering, vol. 141, pp. 1092–1100, 2018.

[15] L. Jiang, H. Zhang, J. Li, and P. Xia, “Thermal performance of a cylindrical battery module impregnated with PCM composite based on thermoelectric cooling,” Energy, vol. 188, 2019, Art. no. 116048.

[16] H. Park, “A design of air flow configuration for cooling lithium ion battery in hybrid electric vehicles,” Journal of Power Sources, vol. 239, pp. 30–36, 2013.

[17] Z. Lu, X. Yu, L. Wei, Y. Qiu, L. Zhang, X. Meng, and L. Jin, “Parametric study of forced air cooling strategy for lithium-ion battery pack with staggered arrangement,” Applied Thermal Engineering, vol. 136, pp. 28–40, 2018.

[18] T. Wang, K. J. Tseng, J. Zhao, and Z. Wei, “Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air-cooling strategies,” Applied Energy, vol. 134, pp. 229–238, 2014.

[19] Y. Xie, W. Li, Y. Yang, and F. Feng, “A novel resistance-based thermal model for lithiumion batteries,” International Journal of Energy Research, vol. 42, pp. 4481–4498, 2018.

[20] C. Huber, “Phase change material in battery thermal management applications,” Ph.D. dissertation, Technische Universität München, German, 2017.

[21] A. Loges, S. Herberger, P. Seegert, and T. Wetzel, “A study on specific heat capacities of Li-ion cell components and their influence on thermal management,” Journal of Power Sources, vol. 336, pp. 341–350, 2016.

[22] H. S. Lee, Thermoelectrics: Design and Materials, 1st ed., John Wiley & Sons, 2016.

[23] Z. Du, D. L. Wood, C. Daniel, S. Kalnaus, and J. Li, “Understanding limiting factors in thick electrode performance as applied to high energy density Li-ion batteries,” Journal of Applied Electrochemistry, vol. 47, pp. 405–415, 2017.

[24] S. C. Chen, C. C. Wan, and Y. Y. Wang, “Thermal analysis of lithium-ion batteries,” Journal of Power Sources, vol. 140, pp. 111–124, 2005.

[25] T. A. Osswald, E. Baur, S. Brinkmann, K. Oberbach, and E. Schmachtenberg, International Plastics Handbook: The Resource for Plastics Engineers, 4th ed. Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2016.

[26] J. J. Hwang and C.-C. Lui, “Measurement of endwall heat transfer and pressure drop in a pin-fin wedge duct,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 45, pp. 877–889, 2002.

[27] M. S. Mon, “Numerical investigation of Air-side heat transfer and pressure drop in circular finnedtube heat exchangers,” Ph.D. dissertation, TU-Bergakademie, Freiberg, Germany, 2003.

Full Text: PDF

DOI: 10.14416/j.kmutnb.2022.09.007

ISSN: 2985-2145