بررسی توزیع دما طی تست تنش دینامیکی بر روی سطح باتری لیتیوم-یون بکار گرفته شده در یک خودروی هیبرید الکتریکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار دانشگاه علم و صنعت ایران، دانشکده مهندسی خودرو

2 دانشکده شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران

3 دانشکده مهندسی خودرو، دانشگاه علم و صنعت ایران

چکیده

دو چالش بزرگ دنیای امروز، آلودگی هوای شهرها و نگرانی از روبه پایان نهادن سوخت‌های فسیلی است که بشر را ناگزیر به جایگزین کردن منابع تجدیدناپذیر سوخت با منابع تجدیدپذیر انرژی می‌کند. در هر دو زمینه، صنعت خودرو نقش قابل توجهی دارد. جهت غلبه بر چالش‌های مذکور، طی دهه اخیر توسعه خودروهای الکتریکی در دستور کار صنعت خودرو بوده است. در این خودروها باتری‌های قابل شارژ لیتیوم-یون نقشی اساسی ایفا می‌کنند. کارآیی، ایمنی و عمر این باتری‌ها بسیار متأثر از دمای عملکردی آنها است. در این پژوهش به کمک داده‌های تجربی یک سلول باتری لیتیوم-یون منشوری با استفاده از نرم‌افزار انسیس فلوئنت به صورت یک مدل دو پتانسیلی شبیه سازی می‌گردد و تغییرات زمانی ولتاژ و دمای ماکزیمم سلول به همراه توزیع دما طی چهار نرخ دشارژ ثابت 7C ،3C ،2C و 9C )نرخ دشارژ 1 C معادل نرخ جریانی است که کل بار الکتریکی باتری را طی یک ساعت تخلیه می‌نماید( و نیز طی پروفیل دشارژ متغیر با زمانتست تنش دینامیکی )تست ویژه باتری خودروی هیبریدی( در بازه‌های مختلف ارائه و مورد بررسی قرار می‌گیرد. نتایج حاصل از شبیه سازی بیانگر آن است که دماهای بالایی نظیر 45 درجه سانتیگراد نیز در طی تست تنش دینامیکی تجربه می‌شود. چنین دمایی علاوه بر اینکه می‌تواند منجر به فرسودگی سریع باتری شود، می‌تواند مخاطره آفرین نیز باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of Temperature Distribution During Dynamic Stress Test on the Surface of Lithium-ion Battery used in an Electric Hybrid Vehicle

نویسندگان [English]

  • Gholam Reza Molaeimanesh 1
  • Seyed Morteza Mousavi-khoshdel 2
  • Amir Bahador Nemati 3
1 School of Automotive Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
2 Department of Chemistry, Iran University of Science and Technology
3 School of Automotive Engineering, Iran University of Science and Technology
چکیده [English]

There are two major challenges for today’s world: urban air pollution and the concern that fossil fuels will end, which forces humans to replace fossil fuels sources with renewable energy sources; the automobile industry can have a key role in tackling of both challenges. To overcome these challenges, during the last decade, the development of electric vehicles has been on the agenda for the automotive industry. Lithium-ion rechargeable batteries play a vital role in these vehicles. The performance, safety and life of these batteries are very much affected by their operating temperature. In this study, with the help of experimental data, a lithium-ion battery cell is simulated using the ANSYS Fluent software via a two-potential model. The time variations of the voltage and maximum cell temperature along with the temperature distribution at four constant discharge rates of 2C, 3C, 7C, and 9C and the discharge profile of dynamic stress test -which is a special profile used for testing hybrid vehicles battery systems- are presented. The simulation results indicate that high temperatures as 45 C are also experienced during the dynamic stress test. Such a temperature which could lead to a battery thermal runaway would be a hazard to the battery and electric vehicle.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Air pollution
  • electric vehicles
  • Renewable Energy
  • Lithium-ion batteries
  • Battery simulation
[1] M. Ehsani, Y. Gao, S. Longo, K. Ebrahimi, Modern electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles, CRC press, (2018).
[2]   K. Chen, S. Wang, M. Song, L. Chen, Structure optimization of parallel air-cooled battery thermal management system, International Journal of Heat and Mass Transfer, 111 (2017) 943-952.
[3] Z. Lu, X. Meng, L. Wei, W. Hu, L. Zhang, L. Jin, Thermal management of densely-packed EV battery with forced air cooling strategies, Energy Procedia, 88 (2016) 682- 688.
[4] Z. Qian, Y. Li, Z. Rao, Thermal performance of lithium- ion battery thermal management system by using mini- channel cooling, Energy Conversion and Management, 126 (2016) 622-631.
[5] A. Greco, X. Jiang, A coupled thermal and electrochemical study of lithium-ion battery cooled by paraffin/porous- graphite-matrix composite, Journal of Power Sources, 315 (2016) 127-139.
[6]  R. Zhao, J. Gu, J. Liu. An experimental study of heat pipe  thermal management system with wet cooling method for lithium ion batteries, Journal of Power Sources, 273 (2015) 1089-1097.
[7]  Z. Rao, Q. Wang, C. Huang, Investigation of the thermal performance of phase change material/mini-channel coupled battery thermal management system, Applied Energy, 164 (2016) 659-669.
[8]  Z. Rao, S. Wang, A review of power battery thermal energy management, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 (2011) 4554-4571.
[9]  S. Panchal, I. Dincer, M. Agelin-Chaab, R. Fraser, M. Fowler, Experimental temperature distributions in a prismatic lithium-ion battery at varying conditions, International Communications in Heat and Mass Transfer, 71 (2016) 35-43.
[10]  S. Panchal, I. Dincer, M. Agelin-Chaab, R. Fraser, M. Fowler, Thermal modeling and validation of temperature distributions in a prismatic lithium-ion battery at different discharge rates and varying boundary conditions, Applied Thermal Engineering, 96 (2016) 190-199.
[11]   K. Darcovich, D. MacNeil, S. Recoskie, B. Kenney. Coupled electrochemical and thermal battery  models for thermal management of prismatic automotive cells, Applied Thermal Engineering, 133 (2018) 566-575.
[12] G.H. Kim, K. Smith, K.J. Lee, S. Santhanagopalan, A. Pesaran. Multi-domain modeling of lithium-ion batteries encompassing multi-physics in varied length scales, Journal of the Electrochemical Society, 158 (2011) A955-A969.
 [13] H. Gu, Mathematical analysis of a Zn/NiOOH cell, Journal of The Electrochemical Society, 130(1983) 1459-1464.
[14] K.H. Kwon, C.B. Shin, T.H. Kang, C.S. Kim. A two- dimensional modeling of a lithium-polymer battery, Journal of Power Sources, 163 (2006) 151-157.
[15] A.B. Nemati, Life investigation of Li-ion batteries used in electric vehicles, M.Sc. Thesis, Iran University of Science and Technology, 2016.
[16] N. Javani, I. Dincer, G. Naterer, B. Yilbas, Heat transfer and thermal management with PCMs in a Li-ion battery cell for electric vehicles, International Journal of Heat and Mass Transfer, 72 (2014) 690-703.