Optimization and comparison of the liquid cooling plate used in the electric vehicle battery with different coolants as water and ethylene glycol-water solutions

Abstract

Electric vehicles are becoming increasingly common in order to minimize the devastating effects of climate change and to provide a sustainable life. The temperature of the battery used in these vehicles directly affects the battery performance and life. For this reason, studies on systems that control the temperature are increasing. In this study, the lithium ion battery used in the Goupil G6 vehicle is based, and a general thermal model of the battery was created and validated in the Amesim environment in order to find the required value for the constant heat flux boundary condition. For the battery producing 3020 [W/m²] heat and having a base surface area of 450 [mm] x 810 [mm], a cooling plate with the same base surface area is modeled. In the study, optimization studies were carried out under laminar and turbulent conditions with three different channel numbers, channel heights and fluid flow rate. In addition, to observe the effect of each different refrigerant, the mixture of water and ethylene-glycol with two different ratios and water was investigated. The Taguchi orthogonal matrix was used for optimization and analyzes were performed using Computational Fluid Dynamics (CFD). The maximum temperature, standard deviation of the surface temperature and pressure loss at the base were taken into account as evaluation criteria, and the outputs were evaluated using Minitab software. Since there is more than one result parameter, optimization study was carried out with Taguchi-based multi-response Grey Relational Analysis.

Elektrikli araçlar, iklim değişikliğinin yıkıcı etkilerini en aza indirmek ve sürdürülebilir bir yaşam sağlamak amacıyla giderek yaygınlaşmaktadır. Bu araçlarda kullanılan bataryanın kullanım sırasındaki sıcaklığı, batarya performansını ve ömrünü doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle sıcaklığı kontrol altına alan sistemler üzerindeki çalışmalar giderek artmaktadır. Bu çalışmada Gou pil G6 aracında kullanılan lithium ion batarya esas alınmış ve sabit ısı akısı sınır şartı için gerekli olan değeri bulmak adına bataryanın genel bir termal modeli Amesim ortamında oluşturulmuş ve validasyonu sağlanmıştır. 3020 [W/m²] ısı üreten ve450 [mm] x 810 [mm] taban yüzey alanına sahip olan batarya için yine aynı taban yüzey alanına sahip soğutma plakası modellenmiştir. Çalışmada üç farklı kanal sayısı, kanal yükseklikleri ve akışkan debisi ile laminer ve türbülanslı koşullar altında optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Buna ek olarak her bir farklı soğutucu akışkanları etkisini gözlemlemek için su ve etilen-glikolun iki farklı orandaki su ile karışımı incelenmiştir. Optimizasyon için Taguchi ortogonal matrisinden yararlanılmıştır ve analizler Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Değerlendirme ölçütü olarak tabanda oluşan maksimum sıcaklık, taban yüzey sıcaklığının standart sapması ve basınç kaybı göz önünde bulundurulmuş, elde edilen çıktılar Minitab yazılımı kullanılarak değerlendirilmiştir. Birden fazla sonuç parametresi olduğu için Taguchi tabanlı çok yanıtlı Gri İlişki Analizi ile optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir.