Numerical and experimental investigation of liquid cooling of lithium ion batteries in an energy storage system - Bakar, Oya (My University, 2024)
Çevresel tehlikeler, sera etkisi, karbon emisyonları ve küresel ısınma gibi nedenlerden dolayı küresel endişe artmaktadır. Dünya, güneş ve rüzgar enerjisi gibi daha temiz ve sürdürülebilir enerji kaynaklarına geçiş yaparken, bu kaynakların değişkenliği ve kesintililiği önemli zorluklar teşkil etmektedir. Bataryalar, yenilenebilir kaynaklardan üretilen enerjiyi depolamada kritik bir rol oynar ve çevreye zararsız, temiz bir çözüm sunar. Teknolojik ilerlemelerle birlikte, batarya enerji depolama daha maliyet etkin hale gelmektedir ve enerji manzarasında giderek daha önemli bir rol oynamaktadır. Elektrikli araçlar, yenilenebilir enerji depolama çözümleri ve mikro akıllı şebeke uygulamaları nedeniyle batarya enerji depolama sistemlerinin uygulama alanları genişlemiştir. Lityum-iyon bataryalar, verimlilikleri, yüksek enerji yoğunlukları, uzun çevrim ömürleri ve güvenilirlikleri nedeniyle Batarya Enerji Depolama Sistemi (BESS) sektöründe hakim durumdadır . Ancak, yüksek enerji yoğunluğu ve güç nedeniyle, Lityum-iyon fosfat (LFP) pilleri operasyon sırasında sıcaklık artışı yaşar ve bu sıcaklık artışı 15°C ila 35°C aralığında kontrol edilmelidir. Her bir bataryada, bir modül veya batarya paketi içinde sıcaklık farkı 5°C'nin altında tutulmalıdır. Termal yönetim sistemi, batarya sıcaklığını kontrol etmek, iç direnç artışı, şişme, gaz salınımı, patlama ve batarya ömrünün kısalması gibi riskleri azaltmak için çok önemlidir. Bu çalışma, 280 Ah LFP bataryaların soğutulması için iki sıcaklık yönetim sistemi sunmaktadır: hava soğutma ve sıvı soğutma. Hava soğutmalı batarya paketi hem deneysel hem de sayısal olarak değerlendirilirken, sıvı soğutmalı batarya paketi sayısal olarak değerlendirilmiştir. Bu çalışma, yeni tasarlanmış hava soğutmalı 280 Ah LFP batarya paketinin soğutma performansını deneysel ve sayısal olarak değerlendirmeyi, sayısal sonuçları deneysel verilerle doğrulamayı ve ardından daha verimli ve etkili bir sistem olan sıvı soğutma sistemi kullanarak soğutma sistemini iyileştirmeyi amaçlamaktadır. Bu çalışma, sınırlı deneysel veriye sahip 280 Ah LFP bataryaları üzerinde çeşitli termal deneyler gerçekleştirmiş, LFP bataryaların sıcaklık dağılımını analiz etmek için doğrulanmış sayısal yaklaşımlar önermiş ve enerji depolama sistemlerindeki hava soğutmalı ve sıvı soğutmalı LFP batarya paketleri için tasarım fikirleri sunmuştur. Çalışmanın hedeflerine ulaşmak için öncelikle tek bir bataryanın sıcaklık dağılımı incelenmiştir. Bataryanın ısı üretim değeri, tek bir bataryanın deneysel sıcaklık dağılımı ile Fluent batarya modeli aracı kullanılarak elde edilen sayısal sıcaklık dağılımının karşılaştırılmasıyla doğrulanmıştır. Fluent yazılımındaki batarya model aracının CHT bağlama çözücü yöntemi, tek bir bataryanın yüzeyindeki sıcaklık dağılımını simüle etmek için kullanılmıştır. 10.54 W ısı üretim oranıyla yapılan simülasyonlar, deneysel sıcaklık dağılımı ile iyi bir uyum göstermiştir. Sayısal ve deneysel sonuçlar arasındaki maksimum ve minimum farklar sırasıyla % 4.83 ve %0.12 olarak bulunmuştur. Bu nedenle, tek bir bataryanın ısı üretim oranı 10.54 W olarak kabul edilebilir. Ayrıca, batarya paketi deneyinden elde edilen batarya ısı üretimi, seri bağlı bataryaların paket içindeki ısı üretim değerinin 0.5C deşarj oranında 15.35 W olduğunu ortaya koymuştur, bu tek bir bataryaya kıyasla farklıdır. Batarya paketinin analizi, 0.5C deşarj oranında 15.35 W ısı üretim değeri kullanılarak devam etmiştir. Hava soğutmalı batarya paketinde yapılan sıcaklık ölçüm deneyleri, deneysel ve sayısal çalışmalar arasındaki maksimum farkın %12 ve minimum farkın % 0.6 olduğunu göstermiştir. Bu fark kabul edilebilir olarak değerlendirilip, bu çalışmanın Fluent analiz modelinin hava soğutmalı batarya paketinin termal davranışını anlamak için uygun bir yöntem olduğu sonucuna varılmıştır. Sayısal olarak, batarya paketi yüzeyinde maksimum sıcaklık farkı batarya 3 ile hava soğutmalı plaka 4 arasında 2.14°C olarak bulunmuştur. Fanın etkisini değerlendirmek için doğal soğutmalı ve zorlamalı hava soğutmalı batarya paketleri ile deneyler devam etmiştir. Doğal soğutmalı batarya paketi deneylerinde, ortam havası ile sıcaklık farkı 16.7°C olarak ölçülmüştür. Eksenel fan etkinleştirildiğinde, ortam havası ile sıcaklık farkı 11.32°C'ye düşmüştür. Sonuç olarak, zorlamalı hava soğutma soğutma performansını %29 oranında iyileştirmiştir. Sıvı soğutmalı batarya paketi, hava soğutmalı batarya paketiyle aynı bataryalar kullanılarak tasarlanmıştır. Parametrik sayısal analizler, 1C deşarj oranında batarya yüzey sıcaklıkları üzerindeki soğutma sıvısı giriş hızı, soğutma sıvısı giriş sıcaklığı, ortam sıcaklığı ve soğutma sıvısı akış yönünün etkilerini araştırmak için gerçekleştirilmiştir. Bu parametrik çalışmalar, enerji depolama sistemlerindeki batarya paketinin termal yönetimi hakkında bilgiler sunmuştur. 0.5 m/ s, 1 m/ s, 1.5 m/ s, 2 m/ s'den 9 m/ s'ye kadar olan sıvı giriş hızları, 15°C, 20°C, 21°C, 22°C, 23°C, 24°C, 25°C, 30°C sıvı giriş sıcaklıkları ve 20°C, 25°C, 30°C, 35°C, 40°C, 45°C ve 50°C ortam sıcaklıkları incelenmiştir. Sayısal sonuçlar, 1 m/ s soğutma sıvısı giriş hızı ve 21°C soğutma sıvısı giriş sıcaklığının 50°C ortam sıcaklığına kadar yeterli olduğunu göstermiştir. Bu koşullar altında, batarya yüzeyindeki maksimum sıcaklık farkı 1.15°C ve maksimum sıcaklık 28°C olarak bulunmuştur. Bu sonuçlar, maksimum sıcaklık ve sıcaklık farkı sınırlamaları göz önüne alındığında oldukça kabul edilebilir. 0.5C deşarj oranında sıvı soğutmalı batarya paketinin performansı değerlendirildiğinde, paketteki maksimum sıcaklık farkı 0.53°C olarak bulunmuştur. Bu, hava soğutmalı batarya paketinde gözlemlenen maksimum sıcaklık farkı ile karşılaştırıldığında, 1.61°C'lik bir iyileşme göstermektedir. Bu önemli iyileşme, batarya paketinde termal homojenlikte önemli bir gelişmeyi göstermektedir.

Global concern is growing due to environmental hazards like the greenhouse effect, carbon emissions, and global warming. Global efforts to adopt renewable and eco-friendly energy alternatives, such as solar and wind, bring about substantial difficulties in handling the inconsistency and irregularity of these power sources. Energy storage through batteries is crucial for capturing power from renewable sources, offering a sustainable and eco-friendly option. With technological advancements, battery energy storage is becoming more cost-effective, thereby assuming a growingly vital role in the energy sector. The fields of use for battery energy storage systems have expanded due to the rise of electric vehicles, renewable energy storage solutions, and micro smart grid implementations. Lithium-ion batteries lead the Battery Energy Storage System (BESS) market due to their effectiveness, superior energy density, extended cycle life, and dependability. Given their high energy density and power, Lithium-ion phosphate (LFP) batteries experience temperature increases during operation, which must be controlled within a specific range of 15°C to 35°C. The temperature difference within each battery, whether in a module or a battery pack, must be held below 5°C. A temperature control system is vital for managing battery heat, mitigating risks such as increased internal resistance, swelling, gas release, explosion, and reduced battery lifespan. This study presents two temperature management systems for cooling 280 Ah LFP batteries: air cooling and liquid cooling. The air-cooled battery pack was evaluated both experimentally and numerically, whereas the liquid-cooled battery pack was assessed numerically. This study aims to experimentally and numerically evaluate the cooling performance of a newly designed air-cooled 280 Ah LFP battery pack, validate the numerical results with experimental data, and subsequently enhance the cooling system using a more efficient and effective liquid cooling system. This study conducted several thermal experiments on 280 Ah LFP batteries, which had limited experimental data available, proposed validated numerical approaches to analyze the temperature distribution of LFP batteries, and provided design insights for both air-cooled and liquid-cooled LFP battery packs in energy storage systems. To achieve the study’s objectives, the temperature distribution of a single battery was initially investigated. The heat generation value of the battery was verified by comparing the experimental temperature distribution of a single battery with the numerical temperature distribution obtained using the Fluent battery model tool at a 0.5C discharge rate. The CHT coupling solver method within the Fluent software's battery model tool was utilized to simulate the temperature distribution on the surface of a single battery. Simulations with a 10.54 W heat generation rate showed good agreement with the experimental temperature distribution. The maximum and minimum differences between the numerical and experimental results were 4.83% and 0.12%, respectively. Therefore, the heat generation rate for a single battery can be considered as 10.54 W. Additionally, battery heat generation was calculated from the battery pack experiment, revealing that the heat generation value for serially connected batteries within the pack was 15.35 W at a 0.5C discharge rate, in contrast to the single battery. The analysis of the battery pack continued using a 15.35 W heat generation value at a 0.5C discharge rate. Temperature measurement experiments on the air-cooled battery pack showed a maximum difference of 12% and a minimum difference of 0.6% between the experimental and numerical studies. Considering this study, the observed difference was deemed acceptable, leading to the conclusion that the Fluent analysis model is a suitable method for understanding the thermal behavior of the air-cooled battery pack. Numerically, the maximum surface temperature difference in the battery pack was found to be 2.14°C, occurring between battery 3 and air-cooled plate 4. Experiments continued with both the naturally cooled and forced air-cooled battery packs to assess the effect of the fan. In experiments with the naturally cooled battery pack, the temperature difference with the ambient air was measured at 16.7°C. Activating the axial fan reduced the temperature difference with the ambient air to 11.32°C. Consequently, forced air cooling improved the cooling performance by 29%. The liquid-cooled battery pack was designed using the same batteries as the air-cooled battery pack. Parametric numerical analyses were conducted to investigate the effects of cooling fluid inlet velocity, cooling fluid inlet temperature, ambient temperature, and cooling fluid flow direction on battery surface temperatures at a 1C discharge rate. These parametric studies provided insights into the thermal management of the battery pack for energy storage systems. Fluid inlet velocities of 0.5 m/ s, 1 m/ s, 1.5 m/ s, 2 m/ s up to 9 m/ s, fluid inlet temperatures of 15°C, 20°C, 21°C, 22°C, 23°C, 24°C, 25°C, 30°C, and ambient temperatures of 20°C, 25°C, 30°C, 35°C, 40°C, 45°C, and 50°C were examined. Numerical results indicated that a 1 m/ s cooling fluid inlet velocity and a 21°C cooling fluid inlet temperature were adequate up to an ambient temperature of 50°C. Under these conditions, the maximum temperature difference on the battery surface was 1.15°C, and the maximum temperature was 28°C. These results are quite acceptable considering the limitations on maximum temperature and temperature difference. When the performance of the liquid-cooled battery pack was evaluated at a 0.5C discharge rate, the maximum temperature difference within the pack was 0.53°C. This was compared to the maximum temperature difference observed in the air-cooled battery pack, revealing an improvement of 1.61°C. This significant enhancement indicates a considerable improvement in thermal homogeneity within the battery pack.
Bir enerji depolama sisteminde lityum iyon pillerin sıvı soğutulmasının sayısal ve deneysel incelenmesi
Keywords: Air cooling; Akümülatörler; Batarya paketi; Battery pack; CHT model; deney; Electric batteries; Elektrik bataryaları; Experiment; Forced cooling; Hava soğutma; LFP batarya; LFP battery; Liquid cooling; Sıvı soğutma; Storage batteries; Zorlanmış soğutma