Numerical and Experimental Investigations of an Air-Cooled Battery Thermal Management System

Abstract

Electric vehicles play an integral role in eliminating pollution related to transportation, especially if electricity is generated via renewable sources. However, storing electricity onboard requires many battery cells. If the temperature of the cells is not strictly regulated, their capacity decreases in time, and they may burn or explode due to thermal runaway. Battery thermal management systems emerged for safe operations by keeping the battery cell temperatures under limit values. However, the current solutions do not yield uniform temperature distribution for all the cells in a pack. Here, we document that constant temperature distribution can be achieved with uniform coolant distribution to the channels located between batteries. To this end, we performed both numerical and experimental investigations. The design process of the developed battery pack begins with a design used in current packs. Later, how the shape of the distributor channel affects flow uniformity is documented. Then, the design complexity was increased to satisfy the flow uniformity condition, which is essential for temperature uniformity. The design was altered based on a constructal design methodology with an iterative exhaustive search approach. The uncovered constructal design yields a uniform coolant distribution with a maximum of 0.81% flow rate deviation along channels. The developed design is palpable and easy to manufacture relative to the tapered manifold designs. The results also document that the peak temperature difference between the cells decreases from a maximum of 12 K to 0.4 K. Additionally, the developed design was simulated by using Newman, Tiedeman, Gu, and Kim (NTGK) electrochemical battery model, which provides more realistic results due to its heat generation approach in a battery cell. The electrochemical model was simulated with fluid and heat flow simultaneously at the battery pack level. The accuracy of numerical studies is validated by experimental work. The results show that the peak temperature can be kept under the desired operational temperature with a minimum deviation in the temperature difference.

Elektrikli araçlar, özellikle elektrik enerjisi yenilenebilir kaynaklardan elde ediliyorsa, ulaşım kaynaklı kirliliğin ortadan kaldırılmasında önemli rol oynamaktadır. Bununla birlikte, taşıt üzerinde elektrik enerjisinin depolanması için çok sayıda pil hücresi gerekir. Pil hücrelerinin sıcaklığı sıkı bir şekilde düzenlenmediği takdirde zamanla kapasiteleri düşer ve termal kaçak nedeniyle yanabilir veya patlayabilirler. Hücre sıcaklıklarının sınır sıcaklık aralığında tutarak güvenli operasyonlar için pil ısıl yönetim sistemleri ortaya çıkmıştır. Ancak mevcut çözümler, bir paketteki tüm hücreler için homojen sıcaklık dağılımını tam olarak sağlayamamaktadır. Bu çalışma, pil hücrelerinin arasında bulunan kanallara soğutucu akışkanı homjen bir şekilde dağıtılmasıyla sabit sıcaklık dağılımının sağlanabileceğini belgelemektedir. Bu amaçla, hem sayısal hem de deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada geliştirilen pil paketinin tasarım süreci, mevcut paketlerde kullanılan bir tasarımla başlamaktadır. Daha sonra dağıtıcı kanalın şeklinin akış homojenliğini nasıl etkilediği araştırılmıştır. Ardından, sıcaklık homojenliği için gerekli olan akış homojenliği koşulunu sağlamak için tasarım karmaşıklığı artırıldı. Tasarım, kapsamlı bir iteratif araştırma yaklaşımıyla yapısal tasarım metodolojisine dayalı olarak değiştirildi. Ortaya çıkarılan tasarım, kanallar boyunca maksimum %0,81 hava debisi sapması ile homojen bir hava dağılımı sağlamaktadır. Geliştirilen tasarım basit ve konik manifold tasarımlarına göre üretimi oldukça kolaydır. Ayrıca, elde edilen sonuçlar, hücreler arasındaki maksimum sıcaklık farkının maksimum 12 K'den 0,4 K'e düştüğünü göstermektedir. Ek olarak, geliştirilen tasarım, sabit olmayan ısı üretimi yaklaşımına sahip Newman, Tiedeman, Gu ve Kim (NTGK) elektrokimyasal pil modeli kullanılarak simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal model, batarya paketi seviyesinde aynı anda akış ve enerji sayısal çözümlemeleri yapılmıştır. Sayısal çalışmaların doğruluğu deneysel çalışmalarla doğrulanmıştır. Sonuçlar, sıcaklık farkında minimum sapma ile maksimum sıcaklığın istenen çalışma sıcaklığının altında tutulabileceğini göstermektedir.