Prizmatik Li-Ion bataryalar için soğutma amaçlı sıvı soğutma bloklarının tasarımı ve HAD analizi

Abstract

Sıvı soğutmalı batarya termal yönetim sistemleri (BTYS) için soğutucu blok tasarımları, bataryanın optimum çalışma sıcaklığını korumak açısından kritik bir öneme sahiptir. Bataryalar için sıvı soğutmalı soğutucu blok tasarımında dikkate alınması gereken temel faktörler; blok tasarım parametreleri, soğutucu akışkan türü, giriş sıcaklığı ve soğutucu akışkanın giriş hızı olarak sıralanabilir. Ayrıca, batarya için şarj ve deşarj durumlarındaki ısı akışının etkili bir şekilde uzaklaştırılması da önemli bir gerekliliktir. Bu çalışmada, 3C deşarj koşulunda çalışan bir elektrikli aracın 16 prizmatik tip hücreli batarya paketi için soğutma bloğu tasarımı ve HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizleri gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, çok kanallı yapı içerisine yerleştirilen üçgen, kare, daire ve altıgen gibi farklı geometrilere sahip soğutucu blokların ısıl ve hidrodinamik performansları karşılaştırılmıştır. Daha sonra, bu analizlerden elde edilen verilere dayanarak, optimize edilmiş çift giriş çıkışlı çok kanallı soğutucu blok tasarımı geliştirilmiştir. Bu tasarımın, kanatçıklı ve kanatçık içermeyen soğutucu bloklara kıyasla daha verimli bir soğutma sağladığı ve batarya yüzeylerindeki sıcaklık dağılımında daha fazla homojenlik elde ettiği belirlenmiştir. It was concluded that improvements in the parameters of homogeneous surface temperature distributions and maximum temperature differences in effective cooling designs play an important role in increasing battery pack performance as well as extending its life. The designs developed in this direction aim to support the safe, efficient and long-lasting operation of batteries.

Liquid-cooled battery thermal management system (BTMS) designs play a critical role in maintaining the optimal operating temperature of batteries. Key factors to consider in the design of liquid-cooled cooling blocks for batteries include block design parameters, coolant type, inlet temperature, and coolant flow rate. Additionally, it is essential to effectively remove the heat generated during charge and discharge cycles. In this study, the cooling block design and CFD (Computational Fluid Dynamics) analyses were performed for a 16-prismatic-cell battery pack of an electric vehicle under 3C discharge conditions. Initially, the thermal and hydrodynamic performance of cooling blocks with different geometric shapes, such as triangular, square, circular, and hexagonal, integrated into a multi-channel structure were compared. Subsequently, based on the data obtained from these analyses, an optimized new dual-split multi-channel cooling block design was developed. This design was found to provide more efficient cooling and achieve greater temperature uniformity on the battery surfaces compared to finned and non-finned cooling blocks. It was concluded that effective cooling designs not only enhance the performance of electric vehicle battery packs but also play a crucial role in extending their lifespan. In this context, the developed designs aim to support the safe, efficient, and long-lasting operation of batteries.