การปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนของระบบจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ด้วยอากาศโดยอาศัยการจัดเรียงเซลล์ของชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

Article Sidebar

PDF
เผยแพร่แล้ว: มี.ค. 18, 2023
คำสำคัญ:
การระบายความร้อนด้วยอากาศ การจัดเรียงเซลล์ ประสิทธิภาพการระบายความร้อน แบตเตอรี่ทรงกระบอก การจัดการความร้อน

Main Article Content

อิศเรศ ธุชกัลยา
ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล, คณะวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ศูนย์รังสิต
พัชรินทร์ แซ่จัน
ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ, คณะวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเหล้าพระนครเหนือ

บทคัดย่อ

งานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาเชิงตัวเลขของระบบจัดการความร้อนของชุดแบตเตอรี่ด้วยอากาศ เนื่องจากต้นทุนการผลิตที่ต่ำ, โครงสร้างการจัดเรียงที่ไม่ซับซ้อน และความเสถียรภาพของระบบที่สูง โดยทำการศึกษาชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรุ่น 1860B จำนวน 40 เซลล์ ที่มีโครงสร้างการจัดเรียงเซลล์ที่แตกต่างกัน ได้แก่ แนวเดียวกัน, แนวเยื้อง และแนวสลับ เพื่อเปรียบเทียบสมรรถนะการระบายความร้อนของแต่ละรูปแบบ นอกจากนี้ อิทธิพลของความเร็วอากาศ และอัตราการคายประจุก็ถูกใช้ในการวิเคราะห์ร่วมด้วย เพื่อควบคุมให้เซลล์แบตเตอรี่ทำงานอยู่ภายในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสม ซึ่งมีค่าไม่เกิน 40C โดยแบบจำลองความร้อนที่เกิดขึ้นในเซลล์แบตเตอรี่ถูกจำลองขึ้นโดยอาศัยข้อมูลการทดสอบเซลล์แบตเตอรี่ภายใต้อุณหภูมิแวดล้อมต่าง ๆ จากผลการจำลองพบว่า เมื่อความเร็วของอากาศเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ระบบระบายความร้อนมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น โดยชุดแบตเตอรี่ที่ทำงานอย่างต่อเนื่องภายใต้อัตราการคายประจุ 0.5C อาจไม่จำเป็นต้องพึ่งพาระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ และในกรณีที่ชุดแบตเตอรี่ทำงานด้วยอัตราการคายประจุ 1C การระบายความร้อนจำเป็นต้องมีความเร็วของอากาศอย่างน้อย 1 m/s เพื่อควบคุมอุณหภูมิของเซลล์แบตเตอรี่ให้อยู่ภายในช่วงที่กำหนด แต่ระบบจัดการความร้อนด้วยอากาศไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิของเซลล์แบตเตอรี่ได้ในกรณีที่มีการคายประจุอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ การจัดเรียงเซลล์ที่เหมาะสมที่สุดในแง่ของประสิทธิภาพการระบายความร้อนคือการจัดเรียงแบบแนวเดียวกัน และช่องว่างที่เหมาะสมระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันคือประมาณ 1.5 มม.

Article Details

ฉบับ
ปีที่ 33 ฉบับที่ 2 (2023): เมษายน-มิถุนายน, 2566
บท
บทความวิจัย ด้านวิศวกรรมศาสตร์
Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

บทความที่ลงตีพิมพ์เป็นข้อคิดเห็นของผู้เขียนเท่านั้น
ผู้เขียนจะต้องเป็นผู้รับผิดชอบต่อผลทางกฎหมายใดๆ ที่อาจเกิดขึ้นจากบทความนั้น

References

J. Kim, J. Oh, and H. Lee, “Review on battery thermal management system for electric vehicles,” Applied Thermal Engineering, vol. 149, pp. 192–212, 2019.

I. Dincer, H. S. Hamut, and N. Javani, Thermal Management of Electric Vehicle Battery Systems. JohnWiley & Sons, 2017.

X. Li, F. He, and L. Ma, “Thermal management of cylindrical batteries investigated using wind tunnel testing and computational fluid dynamics simulation,” Journal of Power Sources, vol. 238, pp. 395–402, 2013.

Á. G. Miranda and C. W. Hong, “Integrated modeling for the cyclic behavior of high power Li-ion batteries under extended operating conditions,” Applied Energy, vol. 111, pp. 681–689, 2013.

A. A. Pesaran, “Battery thermal management in EVs and HEVs: Issues and solutions,” in Advanced Automotive Battery Conference, pp. 10, 2001.

Q. Wang, B. Jiang, B. Li, and Y. Yan, “A critical review of thermal management models and solutions of lithium-ion batteries for the development of pure electric vehicles,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 64, pp. 106–128, 2016.

J. Jaguemont and J. Van Mierlo, “A comprehensive review of future thermal management systems for battery-electrified vehicles,” Journal of Energy Storage, vol. 31, pp. 101551, 2020.

C. Liu, D. Xu, J. Weng, S. Zhou, W. Li, Y. Wan, S. Jiang, D. Zhou, J. Wang, and Q. Huang, “Phase change materials application in battery thermal management system: A review,” Materials (Basel, Switzerland), vol. 13, 2020, Art. no. 4622.

R. D. Jilte, R. Kumar, M. H. Ahmadi, and L. Chen, “Battery thermal management system employing phase change material with cell-tocell air cooling,” Applied Thermal Engineering, vol. 161, 2019, Art. no. 114199.

X. Wu, C. Mo, J. Xie, Y. Xu, X. Yang, and G. Zhang, “Experimental study of a novel strategy to construct the battery thermal management module by using tubular phase change material units,” Journal of Energy Storage, vol. 39, 2021, Art. no. 102585.

H. Zhang, X. Wu, Q. Wu, and S. Xu, “Experimental investigation of thermal performance of large-sized battery module using hybrid PCM and bottom liquid cooling configuration,” Applied Thermal Engineering, vol. 159, 2019, Art. no. 113968.

D. Kong, R. Peng, P. Ping, J. Du, G. Chen, and J. Wen, “A novel battery thermal management system coupling with PCM and optimized controllable liquid cooling for different ambient temperatures,” Energy Conversion and Management, vol. 204, 2020, Art. no. 112280.

S. Abbas, Z. Ramadan, and C. W. Park, “Thermal performance analysis of compact-type simulative battery module with paraffin as phase-change material and flat plate heat pipe,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 173, 2021, Art. no. 121269.

Q. Huang, X. Li, G. Zhang, J. Zhang, F. He, and Y. Li, “Experimental investigation of the thermal performance of heat pipe assisted phase change material for battery thermal management system,” Applied Thermal Engineering, vol. 141, pp. 1092–1100, 2018.

L. Jiang, H. Zhang, J. Li, and P. Xia, “Thermal performance of a cylindrical battery module impregnated with PCM composite based on thermoelectric cooling,” Energy, vol. 188, 2019, Art. no. 116048.

H. Park, “A design of air flow configuration for cooling lithium ion battery in hybrid electric vehicles,” Journal of Power Sources, vol. 239, pp. 30–36, 2013.

Z. Lu, X. Yu, L. Wei, Y. Qiu, L. Zhang, X. Meng, and L. Jin, “Parametric study of forced air cooling strategy for lithium-ion battery pack with staggered arrangement,” Applied Thermal Engineering, vol. 136, pp. 28–40, 2018.

T. Wang, K. J. Tseng, J. Zhao, and Z. Wei, “Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air-cooling strategies,” Applied Energy, vol. 134, pp. 229–238, 2014.

Y. Xie, W. Li, Y. Yang, and F. Feng, “A novel resistance-based thermal model for lithiumion batteries,” International Journal of Energy Research, vol. 42, pp. 4481–4498, 2018.

C. Huber, “Phase change material in battery thermal management applications,” Ph.D. dissertation, Technische Universität München, German, 2017.

A. Loges, S. Herberger, P. Seegert, and T. Wetzel, “A study on specific heat capacities of Li-ion cell components and their influence on thermal management,” Journal of Power Sources, vol. 336, pp. 341–350, 2016.

H. S. Lee, Thermoelectrics: Design and Materials, 1st ed., John Wiley & Sons, 2016.

Z. Du, D. L. Wood, C. Daniel, S. Kalnaus, and J. Li, “Understanding limiting factors in thick electrode performance as applied to high energy density Li-ion batteries,” Journal of Applied Electrochemistry, vol. 47, pp. 405–415, 2017.

S. C. Chen, C. C. Wan, and Y. Y. Wang, “Thermal analysis of lithium-ion batteries,” Journal of Power Sources, vol. 140, pp. 111–124, 2005.

T. A. Osswald, E. Baur, S. Brinkmann, K. Oberbach, and E. Schmachtenberg, International Plastics Handbook: The Resource for Plastics Engineers, 4th ed. Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2016.

J. J. Hwang and C.-C. Lui, “Measurement of endwall heat transfer and pressure drop in a pin-fin wedge duct,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 45, pp. 877–889, 2002.

M. S. Mon, “Numerical investigation of Air-side heat transfer and pressure drop in circular finnedtube heat exchangers,” Ph.D. dissertation, TU-Bergakademie, Freiberg, Germany, 2003.