31861

مطالعه عددي و آزمايشگاهي خنك‌كاري باتري استوانه‌اي ليتيوم يون به روش غوطه‌وري

كارشناسي ارشد

مهندسي خودرو گرايش سيستم محركه

1400

1403/07/15

دكتر علي قاسميان مقدم

دكتر علي قاسميان مقدم

خودرو

سلول‌هاي باتري ليتيوم-يون (LIB) مسئول تأمين انرژي بيشتر وسايل نقليه الكتريكي هستند. باتري‌هاي ليتيوم-يون به دليل چگالي انرژي بالا، توان خاص و طول عمر چرخه‌اي طولاني، برترين باتري‌هاي موجود در بازار محسوب مي‌شوند. با اين حال، اين باتري‌ها با چالش‌هايي همچون مديريت حرارتي مواجه هستند، زيرا به شدت نسبت به دما حساس هستند. در ميان روش‌هاي مختلف خنك‌سازي، خنك‌سازي مستقيم مايع، كه به عنوان خنك‌سازي غوطه‌وري نيز شناخته مي‌شود، مي‌تواند به دليل تماس كامل با منبع حرارت نرخ خنك‌سازي بالايي ارائه دهد،.خنك‌سازي غوطه‌وري مايع تك‌فاز با مايعات دي‌الكتريك (DELC) ايمني و عملكرد خنك‌سازي را با مصرف توان پارازيتي كمتر و نيازهاي فضاي كمتر فراهم مي‌كند.در اين پژوهش بررسي و مقايسه دو سيال دي الكتريك به دو روش آزمايشگاهي و عددي بر روي 4 سلول 18650 ليتيوم كبالت اكسايد(LCO) به آرايش سلولي 4سري-1موازي، مورد مطالعه قرارگرفت. بدين منظور با كمك ابزار ديناميك سيالات محاسباتي(CFD) و مدل شبيه سازي الكتروشيميايي باتري NTGK و ساخت ستاپ آزمايشگاهي غوطه‌وري باتري نتايج بدست آمده صحه گذاري مي‌شود. در اين طرح استفاده از آب ديونيزه و روغن معدني باعث بهبود اختلاف دماي ميان سيال ورودي و ميانگين دما هر سلول شد. اما در مقايسه آب ديونيزه، بهبود دماي بهتري را نسبت به روغن معدني ثبت كرده است. نتايج نشان داد كه در بهترين سلول در نرخ دشارژ C2: بهبود دما درنرخ جريان حجمي سيال 3/0 ليتر بر دقيقه برابر با 58/43%، در 4/0 ليتر بردقيقه 23/52% و 5/0 ليتر بردقيقه 53/56% بوده است. همچنين با افزايش نرخ جريان حجمي هر دو سيال در هر مرحله دما سلول ها كاهش مي‌ياد اما ميزان بهبود دما با افزايش نرخ جريان كاهش پيدا مي‌كند، علاوه بر آن با افزايش نرخ جريان سيال اختلاف دماي بين سلول‌هاي مقابل ورودي محفظه باتري و سلول‌هاي رديف بعدي آن‌ها كاهش مي‌يابد آب ديونيزه نسبت به روغن معدني داراي مزايايي از جمله ارزان‌تر بودن، دسترسي بيشتر، عملكرد بهتر و نياز كمتر به كار پمپي است. با اين حال، نقطه ضعف اصلي آب ديونيزه كه در آزمايش‌ها مشاهده شده، ايجاد سولفات بر روي سلول‌هاي باتري و سيال جاري در مدار و در نهايت خرابي آن‌ها در بلندمدت است.

1403/10/18

Numerical and Experimental Study of Immersion Cooling for Cylindrical Lithium-Ion Batteries

10/6/2025 12:00:00 AM

Lithium-ion battery (LIB) cells are responsible for powering most electric vehicles. Lithium-ion batteries are considered the best available on the market due to their high energy density, specific power, and long cycle life. However, these batteries face challenges such as thermal management because they are highly sensitive to temperature. Among the different cooling methods, direct liquid cooling, also known as immersion cooling, can provide a high cooling rate due to complete contact with the heat source. Single-phase liquid immersion cooling with dielectric fluids (DELC) ensures safety and effective cooling performance while reducing parasitic power consumption and space requirements. In this study, the comparison of two dielectric fluids is conducted using both experimental and numerical methods on four 18650 lithium cobalt oxide (LCO) cells arranged in a 4-series-1-parallel configuration. To achieve this, computational fluid dynamics (CFD) tools and the NTGK electrochemical battery simulation model are utilized, along with the construction of an experimental battery immersion setup to validate the obtained results. In this study, the use of deionized water and mineral oil improved the temperature difference between the inlet fluid and the average temperature of each cell. However, compared to mineral oil, deionized water showed better temperature improvement. For instance, in cell number 1, at a 1.5C discharge rate, temperature improvement at a fluid flow rate of 0.3 liters per minute was 42.34%, at 0.4 liters per minute it was 46.7%, and at 0.5 liters per minute it was 44.85%. Furthermore, as the volumetric flow rate of both fluids increased, the temperature of the cells decreased at each stage, but the rate of temperature improvement decreased with increasing flow rate. Additionally, as the fluid flow rate increased, the temperature difference between the cells near the inlet of the battery chamber and the cells in the next row decreased. Deionized water has advantages over mineral oil, such as being cheaper, more accessible, having better performance, and requiring less pumping effort. However, the main drawback of deionized water, as observed in the experiments, is the formation of sulfate on the battery cells and circulating fluid, which eventually leads to their long-term failure.

باتري ليتيوم يون , خنك‌كاري غوطه‌وري , مدل باتري NTGK , آب ديونيزه , روغن معدني

Lithium-ion battery , Immersion cooling , NTGK battery modeling , Deionized water , Mineral oil

Amirhosein Sanatgar

Dr. Ali Ghasemian Moghadam