Elektrikli Araçlarda Kullanılan Paralel ve Seri Kanallı Soğutma Plakalarının Performanslarının HAD Yöntemi ile Karşılaştırılması

Soğutucu levhalarda düşük ısıl direnç, dolayısıyla yüksek ısı transferi ve düşük basınç kaybı arzu edilmektedir. Bu çalışmada, elektrikli araç uygulamalarında li-iyon pil hücrelerinin termal regülasyonu için, farklı konfigürasyonlara sahip sıvı soğutmalı üç soğutucu levhanın performansları incelenmiştir. Seri, paralel ve seri-paralel konfigürasyonlarda oluşturulan soğutucu levhaların aynı batarya modülünde kullanılabilmeleri için dış boyutları birbiriyle aynı tutulmuştur. Çalışmada, soğuk plakaların performansları, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) araçları kullanılarak incelenmiştir. Çeşitli akış hızlarında, soğuk plakaların içindeki akış alanını ve termal alanı hesaplamak için ANSYS Fluent ticari yazılımı kullanılmıştır. Soğuk plakaların performansları, sürekli rejimde Navier-Stokes, enerji ve süreklilik denklemleri 3 boyutlu simülasyonlar ile çözülerek elde edilmiştir. Reynolds sayısı laminer akış limitleri içerisinde hesaplandığından, tüm akış durumları için laminer akış kabul edilerek çözümlere gidilmiştir. Simülasyonlar sonucunda, paralel akış geometrisindeki soğutucu sıvının basınç kaybının seri olana göre önemli ölçüde daha düşük olduğu görülmüştür. Bununla birlikte, beklenildiği gibi, paralel akış geometrisinde seriye göre yüksek ısıl direnç ve düşük sıcaklık homojenliği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, basınç düşüşü ve ısı transferi arasındaki dengenin, akış düzeninin mümkün olduğunca paralel tutulup çapraz kanalların ise uzunluğunun arttırıldığı bir serpantin şekli uygulanarak optimize edilebileceğini seri-paralel konfigürasyon sonuçları göstermektedir.

Anahtar Kelimeler:

Soğutucu levha, HAD, Termal direnç, Basınç kaybı, li-iyon batarya

PERFORMANCE COMPARISON OF PARALLEL AND SERIES CHANNEL COLD PLATES USED IN ELECTRIC VEHICLES BY MEANS OF CFD SIMULATIONS

In a cold plate low thermal resistance thus high heat transfer rate and also low pressure drop is desired. In this study, performances of three liquid cold plates with different configurations are investigated for the thermal regulation of li-ion battery cells in electric vehicle applications. The outer dimensions of the cold plates are kept identical in order to use the cold plates in the same battery module under series, parallel and series-parallel configurations. The performances of the cold plates are investigated by using Computational Fluid Dynamic (CFD) tools. ANSYS Fluent commercial software is used to calculate the flowfield and the thermal field inside the cold plates for various flowrates. The performances of the cold plates are obtained by 3D simulations that solve Navier-Stokes, energy and continuity equations in a steady manner. The flow is assumed to be laminar for all the cases since calculated Reynolds number stay in laminar flow limits. The results show that the pressure drop of the coolant liquid of parallel flow arrangement is significantly lower than the serial arrangement. However, high thermal resistance and low uniformity of the temperature through the cold plate is observed compared to the serial case, as expected. As a result, series-parallel configuration results show that the trade-off between pressure drop and heat transfer rate can be optimized by applying a serpentine shape while keeping the flow arrangement as parallel as possible and increasing the length of the cross channels.

Keywords:

Cold plate, CFD, thermal resistance, pressure drop, li-ion battery,

PDF

___

ANSYS FLUENT User’s Guide 14.0. (2011). Modelling Flows Using Sliding and Dynamic Meshes, ANSYS, Inc., November 2011, 11, pp. 610-612
Chen, D., et al. (2016). Comparison of Different Cooling Methods for Lithium Ion Battery Cells, Applied Thermal Engineering, 94 (2016), 1, pp. 846-854
Datta, A.B., Majumdar, A.K. (1980). Flow distribution in parallel and reverse flow manifolds, International Journal of Heat and Fluid Flow, 2 (1980), 4, pp. 253-262
Dincer, I., et al. (2017). Thermal Management of Electric Vehicle Battery Systems, John Wiley and Sons Ltd., United Kingdom.
Haifeng, D., et al. (2015). Design and Simulation of Liquid-cooling Plates for Thermal Management of EV Batteries, EVS28, Kintex, Korea, 2015, Vol. 1, pp. 1-7
Jarrett, A. (2011). Multi-Objective Design Optimization of Electric Vehicle Battery Cooling Plates Considering Thermal and Pressure Objective Functions, M. Sc. thesis, Queen's University, Ontario, Canada.
Jung, H.G., et al. (2011). A High-rate Long-life Li4Ti5O12/Li[Ni0.45Co0.1Mn1.45]O4 Lithium-ion Battery, Nature Communications, 2, pp. 516–520
Kandlikar, S.G., Hayner II, C.N. (2009). Liquid Cooled Cold Plates for Industrial High-Power Electronic Devices—Thermal Design and Manufacturing Considerations, Heat Transfer Engineering, 30 (2009), 12, pp. 918-930
Khan, M.R., et al. (2017). Towards an Ultimate Battery Thermal Management System: A Review, Batteries, 3, (2017), 1, pp. 1-18
Panchal, S., et al. (2015). Thermal Management of Lithium-Ion Pouch Cell with Indirect Liquid Cooling using Dual Cold Plates Approach, SAE Int. J. Alt. Power, 4 (2015), 2, pp. 293-307
Rahman, M.M., et al. (2016). Liquid cooled plate heat exchanger for battery cooling of an electric vehicle (EV), ICARET 2016, Selangor, Malaysia, 2016, Vol. 1, pp. 1-4
Schöner, H.P., Ogborn, L.L.. (1987). Fast Battery to Battery Charge, Journal of Power Sources, 21 (1987), pp. 91-103
Solovitz, S.A., Mainka, J. (2011). Manifold Design for Micro-Channel Cooling With Uniform Flow Distribution, ASME Journal of Fluids Engineering, 133 (2011), 5, pp. 1-11
Teng, H., Yeow, K. (2012). Design of Direct and Indirect Liquid Cooling Systems for High- Capacity, High-Power Lithium-Ion Battery Packs, SAE Int. J. Alt. Power, 1 (2012), 2, pp.525-536
Teng, H., et al. (2011). Thermal Characterization of a Li-ion Battery Module Cooled through Aluminum Heat-Sink Plates, SAE Int. J. Passeng. Cars – Mech. Syst, 4 (2011), 3, pp. 1331-1342
Warner, J. (2015). The Handbook of Lithium-Ion Battery Pack Design, Chemistry, Components, Types and Terminology, Elsevier, USA, 2015
Yeow, K., et al. (2012). Thermal Analysis of a Li-ion Battery System with Indirect Liquid Cooling Using Finite Element Analysis Approach, SAE Int. J. Alt. Power, 1 (2012), 1, pp. 65-78
Yeow, K., Teng, H. (2013). Reducing Temperature Gradients in High-Power, Large-Capacity Lithium-Ion Cells through Ultra-High Thermal Conductivity Heat Spreaders Embedded in Cooling Plates for Battery Systems with Indirect Liquid Cooling, SAE World Congress & Exhibition, Detroit, USA, 2013, Vol. 1, pp. 1-11.