25831

بررسي ميزان افزايش طول عمر چرخه‌اي و تقويمي باتري‌هاي ليتيومي به وسيله‌ي خنك‌كاري با مواد تغيير فاز دهنده

كارشناسي ارشد

مهندسي قواي محركه خودرو

1398-1400

1400/08/29

دكتر غلامرضا مولايي منش-دكتر مسعود دهمرده

مهندسي خودرو

باتري‌ها در بين منابع مختلف ذخيره‌سازي انرژي، بيشترين كاربرد را در مصارف مختلف، از جمله خودروهاي هيبريدي، تمام الكتريكي و همچنين ذخيره‌ساز‌ي انرژي‌هاي تجديد‌پذير توليدي دارند و كارايي خودروهاي الكتريكي وابستگي زيادي به باتري‌هاي بكار رفته در آن‌ها دارد. امروزه اكثر باتري‌هاي مورد استفاده در اين خودروها از نوع ليتيوم-يون مي‌باشد. فرايند شارژ و تخليه، سبب افزايش دماي باتري ‌مي‌گردد كه اين موضوع استفاده از سيستم مديريت حرارتي‌ باتري را امري اجتناب‌‌ناپذير ‌مي‌نمايد. افزايش دما علاوه بر ملاحظات ايمني، طول عمر باتري را نيز كاهش مي‌دهد، تا جايي كه موجب تعويض باتري و در نتيجه افزايش هزينه‌ي استفاده از باتري‌ها مي‌شود. از اين‌ جهت بررسي و تحقيق پيرامون فرسودگي عمر باتري از اهميت بالايي برخوردار است. افزايش دما باعث ايجاد گراديان دمايي قابل توجهي در باتري‌ شده و يكنواختي حرارتي را از بين مي‌برد كه اين موضوع موجب كاهش پيمايش خودرو و عمر باتري‌هاست. اما با استفاد‌ه‌ از مواد تغيير فاز دهنده و افزايش كنترل‌پذيري اين مواد، مي‌توان عدم يكنواختي دما داخل باتري را از بين برد. در اين پايان‌نامه تركيب سيستم خنك‌كاري آب‌-خنك و مواد تغيير فاز دهنده به منظور افزايش عمر چرخه‌اي و عمر تقويمي باتري‌هاي ليتيوم-يون بررسي گرديده است، چرا كه افزايش پارامتر دما نقش بسيار كليدي در فرسودگي عمر باتري ايفا مي‌كند. روش انجام كار در اين پايان‌نامه بر اساس حل عددي و شبيه‌سازي‌ به‌ وسيله‌ي تكنيك‌هاي ديناميك سيالات محاسباتي مي‌باشد و باتري ليتيوم-يون با كمك داده‌هاي آزمايشگاهي كه بر اساس نرخ‌هاي شارژ و تخليه‌ي مختلف مي‌باشد، در نرم‌افزار انسيس فلوئنت شبيه‌سازي و دماي بيشينه‌ي بر روي سطح باتري، اختلاف دماي باتري و كسر مايع مواد تغيير فاز دهنده در نرخ‌هاي‌ جريان مختلف باتري و دماهاي ورودي كانال آب 295، 300 و 305 كلوين مورد بررسي قرار گرفته است. مطلوب‌ترين حالت سيستم مديريت حرارتي باتري شبيه‌سازي شده در اين پژوهش، استفاده از پره‌هاي موجدار افقي به همراه مواد تغيير فاز دهنده به عنوان روش غيرفعال و تركيب آن با آب ورودي به كانال‌ها به عنوان روش فعال مي‌باشد كه در اين حالت اختلاف دماي باتري به كمتر از 2 درجه رسيده است، در حالي كه در مورد نمونه‌‌هاي سيستم خنك‌كاري غيرفعال تنها با مواد تغيير فاز دهنده اين اختلاف دما به 40 درجه مي‌رسيد. در انتهاي پايان‌نامه مشخص مي‌شود كه افزايش بيش از حد دما، چه در فرسودگي چرخه‌اي و چه در فرسودگي تقويمي موجب كاهش ظرفيت و در نتيجه عمر باتري مي‌گردد.

1400/10/04

Investigation of increasing the cycle and calendar life of lithium batteries by cooling with phase-change materials

11/20/2022 12:00:00 AM

Batteries are the most widely used applications of various energy storage sources, including hybrid, all-electric vehicles, as well as the storage of renewable energy, and the performance of electric vehicles is highly dependent on the batteries used in them. Today, most batteries used in these cars are lithium-ion. The charging and discharging process raises the temperature of the battery, which makes the use of a thermal management system inevitable. Increasing the temperature, in addition to safety considerations, also reduces battery life, to the point where it replaces the battery and thus increases the cost of using the batteries. Therefore, it is very important to study and research on battery life. Increasing the temperature creates a significant temperature gradient in the battery and destroys the thermal uniformity, which in turn reduces the travel and life of the batteries. However, by using phase-change materials and increasing the controllability of these materials, the temperature non-uniformity inside the battery can be eliminated. In this dissertation, the combination of water-cooling cooling system and phase-change materials to increase the cycle life and calendar life of lithium-ion batteries is investigated, because increasing the temperature parameter plays a very key role in battery life. The method of work in this dissertation is based on numerical solution and simulation by computational fluid dynamics techniques and lithium-ion battery with the help of laboratory data based on different charge and discharge rates, in ANSYS Fluent software simulation and maximum temperature on the battery surface, battery temperature difference and liquid fraction of phase-change materials at different C rates and water channel inlet temperatures of 295, 300 and 305 K are investigated. The most desirable state of the battery thermal management system simulated in this study is the use of horizontal wavy Fins with phase-change materials as a passive method and its combination with inlet water in the channels as an active method, in which case the battery temperature difference is less than it reached 2 degrees, while in the case of passive cooling system samples, the temperature difference reached 40 degrees only with phase-change materials. At the end of the dissertation, it is clear that excessive temperature increase, both in cycle and calendar aging, reduces capacity and thus battery life.

سيستم مديريت حرارتي باتري , خنك‌كاري تركيبي (هيبريد) , مواد تغيير فاز دهنده , سيستم آب-خنك , عمر باتري , فرسودگي چرخه‌اي , فرسودگي تقويمي

Battery thermal management system , Combined cooling (hybrid) , Phase-change materials , Water-cooling system , Battery life , Cycle life , Calendar life