30972

بهينه‌سازي چندهدفه سيستم مديريت حرارتي باتري با كمك روش سطح پاسخ

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1400

1403/3/8

آيت قره قاني

ندارم

مهندسي مكانيك

در چشم انداز انرژي امروزي كه به سرعت در حال تحول است، باتري‌ها نقشي اساسي در تامين انرژي كاربردهاي مختلف از وسايل نقليه الكتريكي گرفته تا سيستم‌هاي ذخيره انرژي تجديدپذير ايفا مي‌كنند. با تشديد تلاش براي بهبود عملكرد و طول عمر، بررسي پيچيدگي سيستم‌هاي مديريت حرارتي باتري ضروري مي‌شود. عملكرد حرارتي يك سيستم مديريت حرارتي باتري نسل زد كه شامل 9 باتري ليتيوم يوني با نرخ دشارژ C5 است، توسط ديناميك سيالات محاسباتي بررسي شده است. با كمك روش سطح پاسخ دو هدف بيشينه‌ي دماي باتري و بيشينه‌ي اختلاف دماي بين دو سلول باتري كمينه شده است. روش‌هاي مختلف فعال، غير‌فعال و هيبريدي اعم از: جابه‌جايي طبيعي، خنك‌كاري با هوا، پره، ماده تغييرفازدهنده و فوم فلزي براي طراحي سيستم مديريت حرارتي باتري نوين شبيه‌سازي شده است. بيشينه دماي باتري به ترتيب برابر 38/352، 82/382، 01/319، 2/313، 14/309 كلوين به‌دست‌آمده است. بيشينه اختلاف دماي باتري به‌ترتيب برابر 33/0، 6/14، 39/5، 92/3، 31/3 كلوين است. تست‌هاي ايمني براي زماني كه سيستم فعال ازكارافتاده باشد انجام شده است و سيستم مديريت حرارتي تحت اين شرايط دماي بيشينه‌اي برابر 64/310 كلوين و بيشينه اختلاف دماي باتري برابر 95/0 كلوين به‌دست‌آمده است. سپس با استفاده از نرم‌افزار ديزاين اكسپرت ، طراحي آزمايشاتي تحت روش سطح پاسخ انجام شده است تا مقادير بهينه سرعت هواي ورودي، دماي ورودي و ضخامت ماده تغييرفازدهنده به‌دست بيايد. نتايج اين بهينه‌سازي يك سيستم مديريت حرارتي باتري با سرعت هواي ورودي 2/1 متر بر ثانيه، دماي ورودي 15/297 كلوين و ضخامت 8/3 ميلي‌متر ماده تغييرفازدهنده است كه بيشينه‌ي دما و بيشينه‌ي اختلاف دمايي برابر 97/303 و 17/3 كلوين دارد. از اين نتايج براي طراحي سيستم مديريت حرارتي بهينه و قابل‌استفاده مي‌توان بهره‌برداري كرد.

1403/04/03

multi objective optimization of a battery thermal management system using response surface method

5/28/2025 12:00:00 AM

This study investigates thermal efficiency of a Z-type battery thermal management system (BTMS), which consists of nine lithium-ion batteries discharged at a 5C rate utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD). Using Response surface methodology (RSM), two major performance parameters of battery cells, the maximum battery temperature (T_max) and maximum temperature difference (ΔT_max) between battery cells are minimized. Different cooling methods, including active, passive, and hybrid, are studied considering inlet air speed and temperature of 2 m/s and 298.15 K, respectively together with 3 mm PCM thickness. Furthermore, five cooling methods including natural convection, forced convection, cooling fins, phase change material, and metal foam are examined in the CFD simulation. The T_max obtained at each cooling method are 352.38 K, 328.82 K, 319.01 K, 313.2 K, and 309.14 K, respectively. Also, the ΔT_max of the battery is 0.33 K, 14.6 K, 5.39 K, 3.92 K, and 3.31 K, respectively. The safety investigation was conducted under a critical condition that the active system had failed, where T_max and ΔT_maxwere 310.64 K and 0.95 K, respectively. In addition, with the adoption of Design Expert software, series of design of experiments (DOE) were carried out to determine the optimal inlet air speed, temperature, and thickness of the PCM. Inlet air speed varied from 0.5 m/s to 4 m/s, inlet air temperature ranged from 290.15 K to 300.15 K, and thickness of PCM from 3 mm to 4 mm. This optimization proposed a thermal management system with 1.2 m/s inlet air velocity, 297.15 K inlet air temperature, and 3.8 mm PCM thickness, resulting in T_max and ΔT_max of 303.97 K and 3.17 K, respectively. These results can be used designing an efficient and optimal BTMS.

بهينه سازي عددي , سيستم مديريت حرارتي باتري , ماده تغييرفازدهنده , خنك سازي با هوا , روش سطح پاسخ

Optimization , BTMS , PCM , Air Cooling , RSM

Amir Masood Kosari

Dr. Ayat Gharaghani