19148

19148

شبيه سازي سيستم مديريت حرارتي هيبريد مبتني بر مواد تغييرفاز دهنده و سيستم مايع-خنك براي سيستم باتري يك خودروي الكتريكي

كارشناسي ارشد

سازه و بدنه

1394

1397/1/26

دكتر غلامرضا مولائي منش - دكتر مسعود دهمرده

خودرو

امروزه بحران¬هايي مانند كاهش منابع سوخت¬هاي فسيلي، گرم شدن كره زمين و آلودگي¬هاي ناشي از خودروهاي احتراق داخلي، خودروسازان را ترغيب به تحقيق و توسعه در خودروهاي هيبريدي و الكتريكي نموده است.كارايي خودروهاي الكتريكي وابستگي زيادي به باتري¬هاي بكار رفته در آنها دارند. عوامل گوناگوني در عملكرد باتري موثر هستند كه مي¬توان به درجه حرارت، عمر و عمق دشارژ اشاره كرد. هر نوع باتري در بازه دمايي محدود بهترين عملكرد خود را دارا است؛ در نتيجه عملكرد باتري وابستگي زيادي به دما دارد. دما¬هاي خارج از محدوده دماي كاري باتري موجب تضعيف كارايي انرژي و توان خروجي مي-شود. در نتيجه تحقيق درباره انتقال حرارت و مديريت حرارتي باتري براي عملكرد بهينه ضروري مي¬باشد. در اين رساله شبيه¬ سازي سيستم مديريت حرارتي هيبريد مبتني بر مواد تغييرفاز دهنده و سيستم مايع-خنك در دستور كار قرار گرفته است. ابتدا به شبيه سازي خنك¬¬كاري يك سلول استوانه¬اي كه همراه ماده تغيير فاز دهنده درون يك محفظه آلومينيومي قرار دارد پرداخته شده و اثر ثابت ناحيه خميري بر روي فرآيند ذوب بررسي گرديد. در اين بررسي‌ها مشاهده گرديد كه با افزايش ثابت ناحيه خميري از 105 تا 107 سرعت ذوب كاهش يافته و نتايج حكايت از بالاتر بودن سرعت ذوب در ثابت ناحيه خميري برابر 105 نسبت به حالت آزمايشگاهي دارد. درادامه ماژول‌هايي شامل دو سلول منشوري كه توسط حجم مشخصي از ماده تغيير فاز دهنده احاطه شده بود، با چهار پيكربندي متفاوت سيستم مديريت حرارتي، شامل موازي، سري-1، سري-2 و سري-موازي مورد بررسي و مقايسه قرار گرفت. در اين بررسي مشاهده نمودارهاي كسر مايع مربوط به آرايش‌هاي مختلف نشان مي‌دهد كه آرايش سري-موازي نسبت به آرايش-هاي ديگر ديرتر ذوب شده و از اين رو پيكربندي مناسب‌تري است. از طرفي با توجه ضرورت پايين بودن ماكزيمم اختلاف دما و نيز دماي بيشينه سلول، آرايش سري-1 مناسب‌ترين پيكربندي است. با توجه به مؤلفه‌هاي رفتار حرارتي و توجه به فضاي اشغال شده در طراحي باتري، از ميان پيكربندي¬هاي موجود آرايش سري-موازي يكي از مناسب ترين گزينه‌ها مي‌باشد. در گام بعد يك ماژول باتري شامل 15 عدد سلول استوانه¬اي و سيستم مديريت حرارتي هيبريد مورد بررسي قرار گرفت و نتايج نشان دهنده اين بود كه با افزايش نرخ دبي آب ورودي از يك مقدار بيشتر ميزان خنك¬كاري سلول¬ها تغيير محسوسي نمي¬كند. درگام آخر يك ماژول واقعي باتري شامل سلول¬هاي منشوري و سيستم مديريت حرارتي هيبريد شبيه-سازي شد كه نشان دهنده¬ي اين موضوع بود كه با تكرار فرايند شارژ-دشارژ پشت سر هم، خنك¬كاري صرفاٌ با ماده تغيير فازدهنده پاسخگو نيست و لازم است سيستم آب-خنك به آن اضافه گردد. واژ¬هاي كليدي: خودرو¬هاي الكتريكي، باتري ليتيوم-يون، مديريت حرارتي باتري، سيستم هوا-خنك، سيستم مايع-خنك، مواد تغيير فاز دهنده

1397/04/30

Simulation of a Hybrid Thermal Management Based on phase change material and liquid-Cooling System for the Battery System of an Electric Vehicle

4/21/2019 12:00:00 AM

With regards to issues like air pollution and rising fossil fuel prices, governments, industry and researchers have been struggling to find an alternative to conventional cars. In this regard, electric vehicles are considered as one of the most suitable alternatives for conventional cars and have come to production and commercialization. One of the most important challenges with electric vehicles is the performance of the battery with optimum efficiency. Since the batteries have an optimal temperature range, heat transfer in their cells should be made in such a way as to maintain the operating temperature in the optimal area. One ways for controlling heat transfer is the use of phase-change materials around the cells of these batteries which we intend to provide the best way to thermal manage in these batteries by simulating heat transfer in cells and using phase-varying phase material with different geometries using Ansys Fluent software. In this essay, we first study the melting of a phase change material in a vertical cylindrical tube by numerical method and validate the results using experimental data. The numerical analysis is performed using an enthalpy–porosity formulation. The effect of the term describing the mushy zone in the momentum equation is examined. The results show quantitatively that at the beginning of the process, the heat transfer is by conduction from the tube wall to the solid phase through a relatively thin liquid layer. As the melting progresses, natural convection in the liquid becomes dominant, changing the solid shape to a conical one. After simulating melting in cylindrical tube and ensuring the accuracy of the results, the function of the thermal management system based on the phase change material for four different configuration of TMS in the module consists of tow prismatical cells and the same volume of phase-change material (for four seris-1, seris-2, parrallel and seris-parallel configuration) have simulated, analyzed and compared. The results of these simulations indicate that the parallel and seris-parallel makeup is melting later than the other two layers and hence more suitable layouts. On the other hand, considering the necessity of low maximum temperature difference and maximum cell temperature in the battery, the seris-parralel configuration is the most suitable arrangement, and then the seri-parallel with the least significant difference will be chosen. In the next step, a battery module with 15 cells and hybrid TMS is investigated. The result shows that with increasing of water flow rate above, the cooling of cells is not significantly improved. Finally a practical battery moduleconsisting of prismatic cells and hybrid TMS is simulated witch demonstrate the factthat for 5 period of operations, pcm alone is not sufficient and applying hybrid TMS is necessary. Keywords: Electric Vehicle, phase change material(PCM), battery thermal management, Battery Madule, cell arrangement, Numerical Simulation.