Investigation of Thermal Performance of Battery Inside the Structure Consisting of Phase Change Material and Porous Media
Abstract
Bu çalışmada, lityum iyon pillerin farklı deşarj oranlarında ve farklı soğutma tasarımlarında ısıl performansları deneysel olarak incelenmiştir. Lityum iyon pillerin batarya yönetim sisteminin iyi olması kadar ısıl yönetim sisteminin de iyi tasarlanması gerekmektedir. Lityum iyon pillerde yüksek sıcaklık istenmeyen bir durumdur. Pilin yüksek sıcaklıklarda çalışması içyapısının bozulmasına, kapasitesinin kaybına ve yüksek deşarj döngüsü ömrünün azalmasına sebep olmaktadır. Bu kapsamda pil ve pil paketlerinin farklı koşullarda soğutulması durumlarındaki batarya sıcaklıkları incelenmiştir. İlk olarak tekli pil için araştırmalar yapılmış olup farklı hava kalınlıklarında ve farklı deşarj oranlarında bataryanın ve batarya kutusunun sıcaklıkları belirlenmiştir. Hava kalınlığının artması batarya ısıl performansı açısından oldukça önemlidir. Daha sonra aynı hava kalınlarındaki batarya kutusuna iki farklı faz değiştiren malzeme (FDM) yerleştirmiş ve FDM'nin batarya ısıl performansına etkisi araştırılmıştır. Düşük deşarj oranlarında her iki FDM hemen hemen aynı ısıl özelliği göstermektedir. Fakat deşarj oranı arttıkça FDM 35 malzemesi daha iyi performans göstermiştir. Fakat FDM 35 malzemesi katı fazda oldukça sert bir malzeme olup, batarya modülü oluştururken dezavantaj oluşturmaktadır. Bu yüzden katı fazda daha yumuşak olan FDM 42 malzemesi daha uygun olduğu tespit edilmiştir. Dört seri ve iki paralel bağlantıdan oluşan iki özdeş batarya modülü oluşturulmuş ve batarya kutusunun içerisinin boş, FDM'li ve kompozit FDM'li deney şartlarında farklı deşarj oranlarında batarya modülünün ısıl performansı araştırılmıştır. Bu batarya modüllerinde piller arası mesafenin 2 ve 8 mm olduğu iki farklı batarya kutusu ele alınmıştır. Boş batarya modülünde en fazla 2C deşarj oranında deneylere imkân sağlamıştır. Daha yüksek deşarj oranlarında batarya modülünün tavsiye edilen sıcaklık değerini aşmaktadır. Fakat içerisine hem FDM hem de kompozit FDM yerleştirilmesi durumunda batarya deşarj oranı 5C'ye kadar çıkmıştır. 5C deşarj oranında en yüksek batarya sıcaklığı yaklaşık 60℃ olup pil için güvenli sıcaklık aralığındandır. Düşük deşarj oranlarında FDM ve kompozit FDM'li batarya modüllerindeki batarya yüzey sıcaklıkları hemen hemen aynıdır. Deşaj oranı arttıkça gözenekli yapının etkisi de görülmeye başlanmıştır. Bakır örgü ve metal yün gözenekli yapılarla oluşturulan kompozit FDM'ler sayesinde saf FDM'ye göre batarya yüzey sıcaklığı daha düşük olduğu saptanmıştır. Ayrıca gözenekli yapı sayesinde kompozit FDM'nin efektif ısı iletim katsayısı artmış ve batarya da üretilen ısıyı ortama daha hızlı aktarmıştır. Gözenekli yapılar sayesinde FDM daha erken süre de eridiği görülmüştür. Batarya yüzey sıcaklığı bakımından hemen hemen her iki metal gözenekli ortamlar aynı performansı sergilese de bakır örgülü FDM en iyi ısıl performansı sergilemiştir. FDM'li ve kompozit FDM'li batarya modülünde de piller arası mesafenin oldukça önemli olduğu görülmüştür. Piller arası mesafe arttıkça batarya yüzey sıcaklıklarının daha düşük olduğu görülmüştür. Bu piller arası mesafe arttıkça batarya kutusunun hacmi dolayısıyla FDM hacmi artmaktadır. Batarya kutusu içerisinde daha fazla ağırlıkta FDM'nin olması batarya ısıl performansı için önemli olduğu görülmüştür. FDM ve özellikle kompozit FDM sayesinde batarya modülünün içerisindeki pillerin sıcaklıkları da daha homojen ve birbirleri ile aynı sıcaklıklardadır. Anahtar kelimeler: Batarya ısıl yönetim sistemi, Faz değiştiren malzeme, Gözenekli ortam, Lityum iyon batarya, Pasif soğutma
This study experimentally investigated the thermal performance of lithium-ion batteries at different discharge rates and different cooling conditions. The thermal management system of lithium-ion batteries should be well designed as well as the battery management system. High temperatures are undesirable in lithium-ion batteries. Operating the battery at high temperatures causes the internal structure to deteriorate, the capacity to be lost and the high discharge cycle life to decrease. Battery temperatures in different cooling conditions of batteries and battery modul are investigated. First, studies are conducted for a single battery and the temperatures of the battery and battery box are determined at different air thicknesses and different discharge rates. Increasing air thickness is very important for battery thermal performance. Then, two different phase change materials (PCM) are placed in the battery box with the same air thicknesses and the effect of PDM on battery thermal performance is investigated. At low discharge rates, both PCMs showed almost the same thermal properties. However, as the discharge rate increased, the PCM 35 material showed better performance. However, the PCM 35 material is a very hard material in the solid phase, which poses a disadvantage when creating a battery module. Therefore, it is determined that the PCM 42, which is softer in the solid phase, is more suitable. Two identical battery modules consisting of four series and two parallel connections are created and the thermal performance of the battery module is investigated at different discharge rates under the conditions of empty battery box, PCM and composite PCM. In these battery modules, two different battery boxes with 2 and 8mm distance between the batteries are considered. The empty battery module allowed experiments at a maximum discharge rate of 2C. At higher discharge rates, the recommended temperature value of the battery module is exceeded. However, when both PCM and composite PCM are placed inside, the battery discharge rate increased to 5C. At a 5C discharge rate, the highest battery temperature is approximately 60℃, which is within the safe temperature range for the battery. At low discharge rates, the battery surface temperatures in PCM and composite PCM battery modules are almost the same. The effect of the porous structure began to be seen as the discharge rate increased. It is determined that the battery surface temperature is lower in pure PCM thanks to the composite PCMs formed with copper mesh and metal wool porous domain. In addition, thanks to the porous domain, the effective thermal conductivity of composite PCM has increased and the battery has transferred the heat produced to the environment faster. It is observed that PCM melts earlier thanks to the porous structures. Although the two metal porous environments exhibit almost the same performance in terms of battery surface temperature, copper braided PCM exhibited the best thermal performance. It is observed that the distance between the batteries is also very important in the battery module with PCM and composite PCM. It is observed that as the distance between the batteries increases, the battery surface temperatures are lower and better. As the distance between the batteries increases, the volume of the battery box and therefore the PCM volume increases. It is determined that the presence of a higher weight PCM in the battery box is important for the battery thermal performance. Thanks to PCM and especially composite PCM, the temperatures of the batteries in the battery module are more homogeneous and at the same temperatures as each other. Keywords: Battery thermal management system, Phase change material, Porous domain, Lithium-ion battery, Passive cooling
This study experimentally investigated the thermal performance of lithium-ion batteries at different discharge rates and different cooling conditions. The thermal management system of lithium-ion batteries should be well designed as well as the battery management system. High temperatures are undesirable in lithium-ion batteries. Operating the battery at high temperatures causes the internal structure to deteriorate, the capacity to be lost and the high discharge cycle life to decrease. Battery temperatures in different cooling conditions of batteries and battery modul are investigated. First, studies are conducted for a single battery and the temperatures of the battery and battery box are determined at different air thicknesses and different discharge rates. Increasing air thickness is very important for battery thermal performance. Then, two different phase change materials (PCM) are placed in the battery box with the same air thicknesses and the effect of PDM on battery thermal performance is investigated. At low discharge rates, both PCMs showed almost the same thermal properties. However, as the discharge rate increased, the PCM 35 material showed better performance. However, the PCM 35 material is a very hard material in the solid phase, which poses a disadvantage when creating a battery module. Therefore, it is determined that the PCM 42, which is softer in the solid phase, is more suitable. Two identical battery modules consisting of four series and two parallel connections are created and the thermal performance of the battery module is investigated at different discharge rates under the conditions of empty battery box, PCM and composite PCM. In these battery modules, two different battery boxes with 2 and 8mm distance between the batteries are considered. The empty battery module allowed experiments at a maximum discharge rate of 2C. At higher discharge rates, the recommended temperature value of the battery module is exceeded. However, when both PCM and composite PCM are placed inside, the battery discharge rate increased to 5C. At a 5C discharge rate, the highest battery temperature is approximately 60℃, which is within the safe temperature range for the battery. At low discharge rates, the battery surface temperatures in PCM and composite PCM battery modules are almost the same. The effect of the porous structure began to be seen as the discharge rate increased. It is determined that the battery surface temperature is lower in pure PCM thanks to the composite PCMs formed with copper mesh and metal wool porous domain. In addition, thanks to the porous domain, the effective thermal conductivity of composite PCM has increased and the battery has transferred the heat produced to the environment faster. It is observed that PCM melts earlier thanks to the porous structures. Although the two metal porous environments exhibit almost the same performance in terms of battery surface temperature, copper braided PCM exhibited the best thermal performance. It is observed that the distance between the batteries is also very important in the battery module with PCM and composite PCM. It is observed that as the distance between the batteries increases, the battery surface temperatures are lower and better. As the distance between the batteries increases, the volume of the battery box and therefore the PCM volume increases. It is determined that the presence of a higher weight PCM in the battery box is important for the battery thermal performance. Thanks to PCM and especially composite PCM, the temperatures of the batteries in the battery module are more homogeneous and at the same temperatures as each other. Keywords: Battery thermal management system, Phase change material, Porous domain, Lithium-ion battery, Passive cooling
Description
Keywords
Makine Mühendisliği, Batarya, Mechanical Engineering, Battery
Turkish CoHE Thesis Center URL
WoS Q
Scopus Q
Source
Volume
Issue
Start Page
End Page
107