31700

آناليز حساسيت و بهينه سازي سيستم مديريت حرارتي غير فعال باتري ليتيوم يوني به وسيله ي لوله گرمايي

كارشناسي ارشد

مهندسي خودرو

1400

1403/07/15

علي قاسميان مقدم

ندارد

مهندسي خودرو

امروزه با توجه به دغدغه هاي محيط زيستي و با اميد به محدود كردن پديده آلايندگي در كلان شهرها، توسعه خودروهاي برقي و الكتريكي از جمله اولويت هاي جهان صنعتي مدرن است. باتري ليتيوم‌يوني، از اصلي‌ترين و پركاربردترين نوع باتري‌هاي مورد استفاده در اين نوع خودرو‌ها است. دما، يكي از پارامتر‌هاي بسيار مؤثر بر عملكرد اين باتري‌ها است، به دليل اينكه قادر به ايجاد تغيير رفتار شيميايي در آن‌ها است. نظر به لزوم عملكرد باتري‌ها در بازه دمايي مناسب و با توزيع دمايي يكنواخت، اتخاذ يك روش مناسب و بهينه خنك‌كاري با راندمان مناسب و قابل اطمينان در هر سه سطح واحد ساختاري، ماژول و مجموعه باتري ضروري است. يكي از روش هاي غيرفعال براي مديريت حرارتي در باتري‌ها، استفاده از لوله‌ گرمايي است كه در كنار وزن بسيار كم، عملكرد بسيار بالايي را از خود نشان‌ مي‌دهد. در نتيجه در اين پژوهش، تلاش گرديده است، با كمك روش شبيه‌سازي عددي و با بكارگيري ابزار‌هاي موجود براي بهينه‌سازي ماند آناليز حساسيت و روش تاگوچي، سيستم مديريت حرارتي باتري ليتيوم‌يوني از جنبه انتقال حرارتي بهبود داده شود. در اين پژوهش، در ابتدا يك سلول باتري ليتيوم‌يوني 18650در نرم‌افزار انسيس فلوئنت با بكارگيري مدل NTGK شبيه‌سازي شد، سپس نتايج بدست آمده با نتايج تجربي موجود، اعتبارسنجي شد. پس از آن يك ماژول خنك‌كاري بر پايه لوله گرمايي انتخاب و در نرم‌افزار مدل شد، در اين مدل، از سلول باتري مدل شده كه رفتار ‌آن، اعتبارسنجي شده بود، براي بخش باتري و از كد يك‌بعدي و مدار معادل حرارتي براي توسعه داده شده، براي لوله گرمايي استفاده شد. درگام بعدي، براي پارامترهاي هندسي در ماژول خنك‌كاري، آناليز حساسيت و آناليز گستره انجام شد و در نهايت تعداد 6 فاكتور 5 سطحي براي آزمايش انتخاب شد. سپس با روش تاگوچي و طرح تعامد، تعداد 25 آزمايش انتخاب و به صورت مجزا شبيه‌سازي شد. سپس با كمك روش تاگوچي، يك مدل بهينه پيشنهاد و شبيه‌سازي شد و نتايج آن با نتايج حل مدل پايه مقايسه شد. نتايج اين پژوهش نشان داد كه در ماژول بهينه نسبت به ماژول پايه، دماي بيشينه سلول‌هاي باتري به ميزان 09/12%، اختلاف دما در سطح ماژول به ميزان 71/22% و اختلاف دما در سطح لوله گرمايي 67/13% كاهش يافته‌اند. اين به معني بهبود بيشينه دما و توزيع يكنواخت دما در ماژول است. همچنين در لوله‌ي گرمايي، كاهش اختلاف دما بين دو سر لوله‌ي گرمايي به معناي افزايش راندمان حرارتي آن مي‌باشد.

1403/09/17

Sensitivity analysis and optimization of lithium-ion battery passive thermal management system by using heat pipe

10/6/2025 12:00:00 AM

Nowadays, due to environmental concerns and hoping to limit the phenomenon of pollution in mega-cities, the development of electric vehicles is one of the priorities of the modern industrial world. Lithium battery is one of the main and most widely used types of batteries used in this type of cars. Temperature is one of the most effective parameters on the performance of these batteries, because it is able to change their chemical behavior. Due to the need for batteries to function in a suitable temperature range and with a uniform temperature distribution, it is necessary to adopt a suitable and optimal cooling method with suitable and reliable efficiency in all three levels of the structural unit, module and battery assembly. One of the passive methods for thermal management in batteries is the use of a heat pipe, which shows very high performance along with very low weight.As a result, in this research, an attempt was made to optimize the passive thermal management system of the lithium-ion battery by means of a heat pipe with the help of numerical simulation method and by using one of the existing tools for optimization, i.e. sensitivity analysis. In this research, at first, an 18650 lithium-ion battery cell was modeled in Ansys Fluent software using the NTGK model, then the obtained was validated based on the existing experimental results. After that, a cooling module based on the heat pipe was also selected and modeled in the software, in this model, the validated battery model was used for the battery part and the one-dimensional calculation code related to the heat pipe was also used for the heat pipe simulation, and the battery, heat pipe and the cooling module were verified. In the next step, sensitivity analysis and range analysis were performed for the variables in the battery module and heating pipe, and finally 6 factors in 5 level were selected for testing. Then, 25 tests were selected for sensitivity analysis with Taguchi method and performed in simulation. Then, using the obtained results, the optimal module was compared with the basic module. The results of this research showed that in the optimal module compared to the basic module, the maximum temperature of the battery cells decreased by 12.09%, and the temperature difference at the level of the battery module decreased by 22.71%. , and the temperature difference at the level of the heat pipe decreased by 13.67%. This means improved maximum temperature and uniorm temperature distribution in the module. Also, in the heat pipe, reducing the temperature differencebetween the two ends of the heat pipe means increasing its thermal efficiency.

سامانه مديريت حرارتي باتري، لوله گرمايي، مدل الكتروشيميايي NTGK، باتري ليتيوم يوني، شبيه‌سازي.

Battery Thermal Management System, Heat Pipe, NTGK Electrochemical Model, Lithium-ion Battery, simulation.

naieme nikroo

Dr. Ali Qasemian Moqadam