Skip to main content
SUPERVISOR
Mohamadreza Salimpour,Ebrahim Shirani
محمدرضا سلیم پور (استاد مشاور) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Atefeh Baradaran Naghshineh
عاطفه برادران نقشینه

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Two-Dimensional Studies of Heat Transfer and Profile of PCM Enclosures Used for Lithium-ion Battery Cooling
In recent years, thermal management of Lithium-ion batteries has been taken into consideration due to their high heat generation rate. Passive thermal management systems using Phase Change Materials (PCM) can control the temperature excursions and maintain temperature uniformity in Li-ion batteries without using active cooling. These materials are widely used for cooling electrical elements and batteries. In this project, the mechanism of heat transfer, material properties, convection coefficient, and ambient temperature are studied. To understand the effect of each property on cooling, models with different properties are simulated. The heat capacity, the thermal heat conductivity coefficient and latent heat of PCM are studied in this project. The most effective one is conductivity. When the amount of this property exceed from 1 , PCM can control the temperature during melting process. After that, the amount of latent heat increase the time duration of melting and absorb more energy form battery for constant volume of PCM. The results of simulation with various heat capacities almost similar. The results show this property is not effective as that of conductivity or latent heat. For understanding the effect of air convection coefficient on cooling, a model with various coefficients (from adiabatic to convection coefficient equal to 30 ) was simulated and subsequent simulations in this work were performed using 10 . The rectangular, trapezius, quadratic and three-part quadratic profiles are tried to find the best one. The criterion for choosing best profile was the maximum temperature of system. Also, in each simulation the percentage of liquid fraction has been considered for comparison. At first, one volume for PCM must be chosen and during changing the profile, this amount must be fixed. For rectangular profile the thickness of PCM in side edges change and subsequently the upper edge change. In these simulations, PCM in upper corner of enclosure melt in final moments. So, the trapezius profile was selected and simulations with fix volume have been performed. Then the quadratic profiles were selected. The results of these simulations did not produce appropriate maximum temperature. So, the three-part quadratic profile chose for next step. This profile was like trapezius one with quadratic edges. These simulations had better results. All of these simulations have been done for two materials with different properties. It could be seen that in low conductive materials, PCM must be placed monotonous around battery. But for materials such as graphite composite with high conductivity, it’s better to place more PCM around adiabatic boundary. In the end, modeling of PCM with variable properties relative to temperature has been taken. In this model, convection heat transfer has been considered and contour of velocity, density have been display. Because of considering convection heat transfer, this model obtains more suitable thermal performance with lower temperature. Key Words: Thermal management, Phase Change Material (PCM), Suitable profile, Lithium-ion battery.
در سال های اخیر کنترل گرمایی باتری های لیتیومی به دلیل توان تولیدی بالا اهمیت روزافزونی پیدا کرده است. سیستم های کنترل گرمایی غیرفعال با استفاده از مواد با قابلیت تغییرفاز می توانند توزیع دمایی در باتری های لیتیومی را بدون استفاده از خنک کاری فعال کنترل کنند. این مواد به صورت گسترده در خنک کاری قطعات الکترونیکی و باتری ها مورد استفاده قرار می گیرند. در این پروژه مکانیزم انتقال حرارت، تاثیر خواص ماده ی تغییر فاز دهنده، ضریب انتقال حرارت جابجایی و دمای هوا بررسی خواهد شد. برای آنکه تاثیر هرکدام از خواص بررسی شود، مدل هایی با خواص متفاوت شبیه سازی شده اند. گرمای ویژه، ضریب انتقال حرارت هدایتی و گرمای نهان از جمله خواص مورد بررسی می باشند. نتایج حاکی از آن است که موثرترین خاصیت ضریب هدایت می باشد و بعد از آن گرمای نهان بر مدت زمان ذوب تاثیرگذار خواهد بود. نتایج حاصل از بررسی گرمای ویژه نیز تاثیر کم این پارامتر را نشان می دهد. همچنین برای بررسی تاثیر ضریب جابجایی هوا بر خنک کاری، مدل های متفاوتی بررسی شده است و در انتها مقدار 10 برای قسمت های بعدی مدل سازی انتخاب شده است. هدف این پروژه کنترل گرمایی بهتر باتری است و در جهت کاهش گرادیان دمایی حرکت می کند و انتخاب بهینه بر اساس دمای ماکزیمم مجموعه خواهد بود. در این پروژه پروفیل های مستطیلی، ذوزنقه ای، درجه2 و درجه2 سه قسمته انتخاب شده است. در هر پروفیل پارامترهای مختلف و ضخامت PCM در اطراف باتری تغییر خواهد کرد تا بهترین حالت ممکن و کمترین دمای ماکزیمم بدست آید. نتایج حاکی از آن است که در ماده ی پارافین که ضریب هدایت در داخل آن کم است، توزیع ماده باید به گونه ای باشد تا در تمام وجوه مقدار کافی ماده برای ذوب وجود داشته باشد زیرا انتقال حرارت در ضخامت پارافین به سختی انجام می گیرد و بهتر است پارافین در نزدیکی باتری موجود باشد تا گرمای تولیدی را به صورت نهان جذب کند. در ماده ی کامپوزیت انتقال حرارت عمود بر سطح باتری به خوبی انجام می گیرد و گرما از باتری به کل PCM منتقل می شود. به همین دلیل تجمع ماده در قسمت پایینی باتری (مرز آدیاباتیک) تاثیر بیشتری در خنک سازی خواهد داشت. در انتها نیز مدلی از باتری و PCM با ماده ای جدید که خواص متغیر با دمای آن در دسترس است بررسی می شود. در این مدل با وجود تغییرات چگالی با دما ترم جابجایی آزاد در انتقال حرارت لحاظ شده است که باعث تسهیل در خنک سازی و کاهش دمای ماکزیمم مجموعه می شود. کلمات کلیدی: کنترل گرمایی، مواد با قابلیت تغییرفاز، پروفیل مناسب، باتری لیتیومی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی