Study on lithium battery heat dissipation based on a fence structure of liquid cooling and phase change optimization
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि समानांतर-प्रतिवर्ती प्रवाह व्यवस्था और चरण परिवर्तन सामग्री (फेज चेंज मटेरियल) रैपिंग वाले फेंस-संरचनात्मक लिक्विड कूलिंग सिस्टम के माध्यम से लिथियम बैटरी ऊष्मा अपव्यय को अनुकूलित करने से पारंपरिक तरीकों की तुलना में अधिकतम तापमान काफी कम हो जाता है और तापीय एकरूपता में सुधार होता है।
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कल्पना कीजिए कि आपकी इलेक्ट्रिक कार की बैटरी पैक पाँच छोटे पावर प्लांटों वाला एक हलचल भरा शहर है, जो कार को चलाने के लिए कड़ी मेहनत कर रहे हैं। जब वे बहुत अधिक काम करते हैं, तो वे गर्म हो जाते हैं। यदि शहर का एक हिस्सा बहुत गर्म हो जाता है जबकि दूसरा ठंडा रहता है, तो पूरा शहर चिड़चिड़ा हो सकता है और खराब हो सकता है। यह वही समस्या है जिसे वुहान यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ता यूलियांग चेन, बो झाओ और फेंग्ये ली हल करने की कोशिश कर रहे हैं। उन्होंने यह देखने के लिए कि क्या वे एक बेहतर "कूलिंग सिस्टम" बना सकते हैं, कंप्यूटर सिमुलेशन (डिजिटल प्रयोगों) की एक श्रृंखला चलाई।
पुराना तरीका बनाम नया "फेंस" विचार
पारंपरिक रूप से, लोग इन बैटरियों को ठंडा करने के लिए उनके नीचे चपटे, क्षैतिज कोल्ड प्लेट्स रखते थे, जैसे किसी सोते हुए बच्चे के नीचे एक ही आइस पैक रखना। समस्या क्या थी? गर्मी बैटरी पैक के बीच में फंस जाती है, जिससे एक "हॉट ज़ोन" बन जाता है जबकि किनारे ठंडे रहते हैं।
शोधकर्ताओं ने एक नया, त्रि-आयामी (थ्री-डायमेंशनल) दृष्टिकोण प्रस्तावित किया। केवल एक सपाट प्लेट के बजाय, उन्होंने एक "फेंस स्ट्रक्चर" (बाड़ जैसी संरचना) बनाया। कल्पना कीजिए कि बैटरी के किनारों पर कूलिंग पाइप की एक ऊर्ध्वाधर दीवार लगाने के साथ-साथ ऊपर और नीचे की क्षैतिज प्लेटों का उपयोग करना, जैसे बैटरी शहर को चारों ओर से ठंडे पानी की खाई से घेर दिया गया हो, न कि केवल फर्श से।
उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि पानी का प्रवाह कैसा होना चाहिए। उन्होंने पैरेलल फ्लो (जहाँ पानी एक ही तरफ से प्रवेश करता है और दूसरी तरफ से बाहर निकलता है) की तुलना काउंटर-फ्लो (जहाँ पानी विपरीत सिरों से प्रवेश करता है, जैसे दो धाराएं बीच में मिलती हैं) से की।
सिमुलेशन ने क्या दिखाया
एक शक्तिशाली कंप्यूटर प्रोग्राम जिसका नाम ANSYS है, का उपयोग करके टीम ने सिम्युलेट किया कि यह सिस्टम कैसे व्यवहार करेगा जब बैटरियां कड़ी मेहनत कर रही हों (3C डिस्चार्ज दर पर)। उन्हें यहाँ क्या पता चला:
- फेंस और काउंटर-फ्लो का संयोजन: सबसे अच्छा सेटअप वह था जिसमें फेंस स्ट्रक्चर और काउंटर-फ्लो वॉटर अरेंजमेंट दोनों थे। इस परिदृश्य में, सबसे गर्म बैटरी सेल का तापमान एक तपते हुए 328.91 K (मानक पैरेलल फ्लो सेटअप में) से घटकर बहुत अधिक आरामदायक 315.86 K हो गया।
- गर्मी को समान बनाना: न केवल उच्चतम तापमान कम हुआ, बल्कि सबसे गर्म और सबसे ठंडे स्थानों के बीच का अंतर भी कम हो गया। तापमान का अंतर 6.47 K से घटकर 5.78 K रह गया। इसका मतलब है कि बैटरी शहर का तापमान बहुत अधिक एकसमान हो गया।
- "रैपिंग" का तरीका: इसे और भी बेहतर बनाने के लिए, उन्होंने बैटरी को एक विशेष सामग्री में लपेटा जिसे फेज चेंज मटेरियल (PCM) कहा जाता है। PCM को एक "हीट स्पंज" के रूप में सोचें जो ऊर्जा को सोख लेता है, ठीक वैसे ही जैसे बर्फ किसी ड्रिंक में पिघलती है। उन्होंने तांबे के फोम (कॉपर फोम) और पैराफिन वैक्स के मिश्रण का उपयोग किया ताकि यह स्पंज गर्मी को बेहतर ढंग से संचालित कर सके। जब उन्होंने बैटरी को इस सामग्री में लपेटा, तो तापमान का अंतर और भी कम होकर 5.78 K से 4.12 K हो गया।
चौंकाने वाला मोड़
यहाँ एक मजेदार, विरोधाभासी तथ्य है जो अध्ययन में सामने आया: केवल स्थानीय कूलिंग को अधिक कुशल बनाने से हमेशा पूरा सिस्टम अधिक एकसमान नहीं हो जाता है।
जब उन्होंने एक एकल बॉटम प्लेट (ऊपरी प्लेट के बिना) के साथ फेंस स्ट्रक्चर जोड़ा, तो स्थानीय हीट ट्रांसफर वास्तव में अधिक एकसमान हो गया। हालांकि, सबसे गर्म और सबसे ठंडे स्थानों के बीच का समग्र तापमान अंतर 2.21 K बढ़ गया। क्यों? क्योंकि पानी पाइप के साथ यात्रा करते समय गर्म होता गया, जिससे शुरुआत और अंत के बीच एक बड़ा तापमान अंतराल पैदा हो गया। यह पानी की बाल्टी ले जाने वाली लोगों की एक पंक्ति की तरह है; यदि पहला व्यक्ति जल्दी से बाल्टी खाली कर देता है, तो आखिरी व्यक्ति को कुछ नहीं मिलता। फेंस ने पहले व्यक्ति की मदद की, लेकिन लाइन अभी भी असमान रही। यही कारण था कि काउंटर-फ्लो डिज़ाइन (जहाँ पानी विपरीत दिशाओं में चलता है) इतना महत्वपूर्ण था—इसने शुरुआत से अंत तक गर्मी को संतुलित किया।
गति और मोटाई: सही संतुलन खोजना
शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि पानी कितनी तेजी से चलता है और "हीट स्पंज" (PCM) की परत कितनी मोटी है।
- पानी की गति: उन्होंने 0.1 m/s से लेकर 1 m/s तक की गति का परीक्षण किया। हालांकि तेज़ पानी ने अधिकतम तापमान को थोड़ा कम किया, लेकिन इसने गर्म और ठंडे स्थानों के बीच तापमान के अंतर को और खराब कर दिया और पंप करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता हुई (प्रेशर ड्रॉप 196.4599 pa से बढ़कर 4086.132 pa हो गया)। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि 0.1 m/s सबसे उपयुक्त है, जो कूलिंग और ऊर्जा दक्षता के बीच संतुलन बनाता है।
- PCM की मोटाई: उन्होंने PCM की 1 mm, 2 mm, 3 mm, और 4 mm की परतों के साथ परीक्षण किया। जैसे-जैसे परत मोटी होती गई, तापमान का अंतर 4.16 K (1 mm पर) से घटकर 3.71 K (4 mm पर) हो गया। हालांकि, मोटी परतों में सामग्री उतनी अधिक नहीं पिघली, जिसका अर्थ था कि सामग्री का कुशलतापूर्वक उपयोग नहीं किया जा रहा था। शोधकर्ताओं ने सुझाव दिया कि 2 mm की मोटाई सबसे उपयुक्त है, जो एक अच्छा संतुलन प्रदान करती है।
मुख्य निष्कर्ष
इस अध्ययन ने गैरेज में कोई भौतिक कार बैटरी नहीं बनाई; इसने विचारों का परीक्षण करने के लिए एक अत्यधिक विस्तृत डिजिटल मॉडल बनाया। परिणाम बताते हैं कि कूलिंग पाइप के "फेंस" को विपरीत दिशाओं में बहने वाले पानी के साथ जोड़ने और बैटरी को विशेष गर्मी-अवशोषित करने वाली सामग्री की एक पतली परत में लपेटने से, लिथियम बैटरियों के लिए बहुत अधिक स्थिर और ठंडा वातावरण बनता है। यह बैटरी शहर को अत्यधिक गर्म होने से बचाने का एक चतुर तरीका है, जिससे यह सुचारू रूप से चलता है और लंबे समय तक टिका रहता है।
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