23635

بررسي تجربي يك سيستم مديريت حرارتي هيبريدي با مبرد و مواد تغيير فاز دهنده

كارشناسي ارشد

مهندسي خودرو

96

1399/1/31

غلامرضا مولايي منش

مسعود دهمرده

خودرو

استفاد‌ه ‌از خودروهاي برقي و هيبريدي به عنوان يكي از راه‌هاي موثر در كاهش خطرات و اثرات آلاينده‌ها و بحران‌هاي نفتي به شمار مي‌رود. در اين رابطه، به طور معمول بحث باطري، ظرفيت و مديريت حرارتي آن در اين بزرگترين تهديد و مانع در گسترش طراحي و استفاد‌ه‌از خودرو‌هاي برقي بوده و هست. باتري‌هاي ليتيوم-يون وليتيوم-پليمر از بهترين انواع باتري‌ها براي كاربردهاي خودرويي در نظر گرفته مي‌شوند. اما در اين ميان تاثيرات مخرب افزايش و تفاوت حرارت در سلول‌ها كه شامل كاهش كارايي، كاهش ظرفيت، و افزايش حرارت زنجيره‌اي به طور مبسوط بحث و اثبات شد‌ه‌اند. مدل‌هاي گوناگوني براي شبيه سازي توليد و انتقال حرارت در اين باتري‌ها ارائه شده كه در اين ميان مي‌توان به مدل‌هاي برقي-شيميايي، مدار معادل و برقي-شيميايي كوپله با مدل‌هاي برقي-حرارتي اشاره كرد. به منظور يكسان سازي و ثابت نگه داشتن دماي سلول‌هاي پك باتري، روش‌هاي متعدد مديريت حرارتي ابداع و به كار گرفته شده. اين روش‌ها را به سه دسته كلي: خنك كاري فعال، خنك كاري غير فعال و خنك كاري تركيبي(هيبريد) مي‌توان تقسيم بندي نمود. در روش فعال جهت خنك كاري انرژي صرف ‌مي‌گردد، مانند سيستم‌هاي خنك كاري با آب و اتيلن گليكول كه در خودروهاي با كارايي بالا مي‌توان نمونه‌هاي آن را ديد. در روش غير فعال خنك كاري بدون صرف انرژي صورت ‌مي‌پذيرد، نظير استفاد‌ه ‌از موادي با ظرفيت ذخيره سازي حرارتي بالا مانند مواد تغيير فاز دهنده كه نقطه ضعف اين روش عدم كنترل پذيري خنك كاري و كارايي پايين در برخي شرايط مي‌باشد. روش‌هاي تركيبي در اين ميان سعي مي‌كنند تا با بهره گيري از سودمندي‌ها و پوشش كاستي‌هاي هر دو روش، سامانه‌اي بهينه براي كارايي هرچه بيشتر توليد كنند. مدل‌هاي متعددي از سيستم‌هاي هيبريدي تا كنون توسعه داده شده است كه عملكرد خوب اين سيستم‌ها را تاييد مي‌كنند. اما تركيب سيستم هواي تبريد شده و مواد تغيير فاز دهنده تا كنون بررسي نشده است. اين سيستم همان‌طور كه در نتايج ارائه خواهد شد، عملكرد بسيار خوبي در محيط‌هاي خيلي گرم از خود نشان ميدهد. گرچه وجود مواد تغيير فاز دهنده در دماهاي نرمال براي خنك كاري ‌سلول‌ها كافيست و بدون مصرف انرژي تعادل حرارتي كاملا حفظ مي‌شود، اما وجود سيستم مبرد در دماهاي بالاتر ضروري است و نو‌آوري اين پژوهش به شمار مي‌رود. اين پژوهش با ساخت يك دستگاه تست، خنك كاري تركيبي با هواي تبريد شده و مواد تغيير فازدهنده را در چند نمونه بررسي مي‌كند. در اين پژوهش اثر دماي محيط در شرايط آب و هوايي بسيار گرم، استفاد‌ه‌از فين و مواد تغيير فازدهنده مورد آزمايش قرار گرفته‌ است. براي شبيه سازي بار حرارتي سلول‌ها از گرم‌كن‌هاي سيمي و به منظور جبران سازي ظرفيت حرارتي باتري ليتيوم يون، از سراميك به عنوان هسته‌اين المنت استفاده شد‌ه‌ است. به طور خلاصه ميتوان بيان كرد كه در شرايطي كه هواي محيط دماهاي 40 تا 45 درجه سانتيگراد قرار دارد، استفاد‌ه ‌از سيكل تبريد براي مديريت حرارت باتري‌ها حياتي است. داده شد كه در دماهاي پايينتر استفاده از مواد تغيير فاز دهنده به خوبي از عهده خنك كاري بر مي‌آيد، و از طرفي، سيستم مبرد به تنهايي باعث ايجاد گراديان دمايي قابل توجهي در باتري‌ها شده و يكنواختي حرارتي آنها را از بين مي‌برد كه خود باعث كاهش پيمايش و عمر باتري‌هاست. اما با استفاد‌ه‌ از مواد تغيير فازدهنده مي‌توان اين عدم يكنواختي را از بين برد. در نهايت با بررسي انواع فين‌ها، نوع مارپيچ آن به تبادل حرارتي مواد تغيير فازدهنده و همچنين باتري‌ها از انواع شعاعي و طولي موثرتر بود كه مي‌تواند با افزايش سرعت تبادل حرارت انرژي مورد نياز خنك‌كاري را كاهش داد.

1399/12/24

Experimerimental Investigation of a Hybrid Refrigerant-Air-PCM System

4/20/2021 12:00:00 AM

The use of electric and hybrid vehicles is considered to be one of the effective ways to reduce the risks and effects of pollutants and oil crises. In this regard, the discussion of the battery, its capacity and thermal management in this major threat has usually been and is an obstacle to the expansion of the design and use of electric vehicles. Lithium-ion batteries Valentine-polymer are considered to be the best types of batteries for automotive applications. However, the destructive effects of increasing and decreasing temperature differences in cells, including reduced efficiency, reduced capacity, and increased chain temperature, have been extensively discussed and proven. Various models are provided to simulate the production and transfer of heat in these batteries, including electric-chemical models, equivalent circuit and electric-chemical coupling with electric-thermal models. In order to homogenize and keep the temperature of the battery pack cells constant, several thermal management methods have been developed and used. These methods can be divided into three general categories: active cooling, inactive cooling, and hybrid cooling. In the active method, energy is used for cooling, such as water-cooling systems and ethylene glycol, which can be seen in high-performance cars. Inactive cooling is done without energy consumption, such as the use of materials with high thermal storage capacity, such as phase change materials, the disadvantage of which is the lack of controllability of cooling and low efficiency in some situations. Combined methods, meanwhile, try to produce the optimal system for greater efficiency by taking advantage of the advantages and disadvantages of both methods. This study also examines the cooling method with refrigerant-air and phase change materials in several cases by making a test device. In this study, the effect of ambient temperature on very hot weather conditions, the use of fin and phase change materials were tested. Heat elements are used to simulate heat, and ceramic is used as the core of the element to compensate for the thermal capacity of the lithium-ion battery. In summary, the use of refrigeration cycles to manage battery heat is critical when the ambient temperature is between 40 and 45 degrees Celsius. On the other hand, this system alone creates significant temperature gradient in the batteries and eliminates their thermal uniformity, which in turn reduces the capacity and battery life, but this non-uniformity can be eliminated by using phase change materials. Finally, by examining the types of fins, the type of helix was more effective than the radial and longitudinal types in the heat exchange of the phase change materials as well as the batteries.

خنككاري هيبريد , مديريت حرارتي , باتري ليتيوم يون , مواد تغيير فازدهنده

hybrid cooling , phase change material , Lithium-ion batteries , thermal management system