Study on lithium battery heat dissipation based on a fence structure of liquid cooling and phase change optimization

Stel je de batterij van je elektrische auto voor als een bruisende stad met vijf kleine elektriciteitscentrales die hard werken om de auto in beweging te houden. Wanneer ze te hard werken, worden ze warm. Als één deel van de stad te heet wordt terwijl een ander deel koel blijft, wordt de hele stad chagrijnig en kan hij kapot gaan. Dit is het probleem dat onderzoekers Youliang Chen, Bo Zhao en Fengye Li van de Wuhan University of Science and Technology proberen op te lossen. Ze voerden een reeks computersimulaties uit (digitale experimenten) om te zien of ze een beter "koelsysteem" voor deze batterijsteden konden bouwen.

De oude manier versus het nieuwe "hek"-idee
Traditioneel probeerden mensen deze batterijen te koelen door platte, horizontale koelplaten onder hen te plaatsen, zoals het leggen van een enkele icepack onder een slapend kind. Wat is het probleem? De hitte blijft vastzitten in het midden van de batterij, waardoor er een "hete zone" ontstaat terwijl de randen koel blijven.

De onderzoekers stelden een nieuwe, driedimensionale aanpak voor. In plaats van alleen een platte plaat, bouwden ze een "hekstructuur". Stel je voor dat je naast de verticale wanden van koelpijpen rond de zijkanten van de batterij, ook verticale wanden plaatst, naast de horizontale platen aan de boven- en onderkant. Het is alsof je de batterijstad omringt met een gracht van koud water aan alle kanten, en niet alleen op de vloer.

Ze testten ook hoe het water moest stromen. Ze vergeleken parallelle stroming (waarbij water aan de boven- en onderkant van dezelfde kant de plaat binnenkomt en aan dezelfde kant weer naar buiten gaat) met tegenstroom (waarbij water van tegenovergestelde uiteinden binnenkomt, als twee stromen die in het midden samenkomen).

Wat de simulaties lieten zien
Met behulp van een krachtig computerprogramma genaamd ANSYS simuleerde het team hoe dit systeem zou reageren wanneer de batterijen hard werkten (bij een 3C ontlaadvoet). Dit is wat zij ontdekten:

1. De combinatie van het hek en tegenstroom: De beste opstelling was de versie met de hekstructuur plus de tegenstroom-wateropstelling. In dit scenario daalde de temperatuur van de heetste batterijcel van een toasty 328,91 K (in een standaard parallelle stroming-opstelling) naar een veel comfortabelere 315,86 K.
2. Het nivelleren van de hitte: Niet alleen daalde de piektemperatuur, maar ook het verschil tussen de heetste en koelste plekken werd kleiner. Het temperatuurverschil daalde van 6,47 K naar 5,78 K. Dit betekent dat de batterijstad een veel gelijkmatiger temperatuur kreeg.
3. De "omwikkel"-truc: Om het nog beter te maken, wikkelden ze de batterij in een speciaal materiaal genaamd Phase Change Material (PCM). Denk aan PCM als een "warmtespons" die energie absorbeert door te smelten, net zoals ijs smelt in een drankje. Ze gebruikten een mengsel van koper schuim en paraffine was om deze spons de hitte beter te laten geleiden. Wanneer ze de batterij in dit materiaal wikkelden, kromp het temperatuurverschil nog verder, van 5,78 K naar 4,12 K.

De verrassende wending
Hier is een leuk, contra-intuïtief feit dat de studie aan het licht bracht: het simpelweg efficiënter maken van de lokale koeling maakt het hele systeem niet altijd even gelijkmatig.

Toen ze de hekstructuur toevoegden aan een enkele onderste plaat (zonder de bovenplaat), werd de lokale warmteoverdracht daadwerkelijk gelijkmatiger. Echter, het algemene temperatuurverschil tussen de heetste en koelste plekken nam toe met 2,21 K. Waarom? Omdat het water warmer werd terwijl het langs de pijp reisde, waardoor er een groot temperatuurverschil ontstond tussen het begin en het einde van de lijn. Het is alsof een rij mensen een emmer water doorgeeft; als de eerste persoon de emmer snel leeggooit, krijgt de laatste persoon niets meer. Het hek hielp de eerste persoon, maar de lijn werd nog steeds ongelijkmatig. Dit is waarom het tegenstroom-ontwerp (waarbij het water in tegengestelde richtingen beweegt) zo belangrijk was — het balanceerde de warmteafvoer van begin tot eind.

Snelheid en dikte: Het ideale punt vinden
De onderzoekers speelden ook met de snelheid waarmee het water bewoog en de dikte van de "warmtespons" (PCM).

• Watersnelheid: Ze testten snelheden van 0,1 m/s tot 1 m/s. Hoewel sneller water de maximale temperatuur iets verlaagde, maakte het het temperatuurverschil tussen de hete en koude plekken ook slechter en vereiste het veel meer energie om te pompen (de drukval sprong van 196,4599 Pa naar 4086,132 Pa). Ze concludeerden dat 0,1 m/s het ideale punt was, waarbij een balans werd gevonden tussen koeling en energie-efficiëntie.
• PCM-dikte: Ze testten het wikkelen van de batterij in PCM-lagen van 1 mm, 2 mm, 3 mm en 4 mm. Naarmate de laag dikker werd, daalde het temperatuurverschil van 4,16 K (bij 1 mm) naar 3,71 K (bij 4 mm). Echter, de dikkere lagen smolten minder, wat betekende dat het materiaal niet efficiënt werd gebruikt. De onderzoekers suggereerden dat 2 mm de meest geschikte dikte is, omdat dit een goede balans biedt.

De kern van het verhaal
Deze studie heeft geen fysieke auto-batterij gebouwd in een garage; het heeft een zeer gedetailleerd digitaal model gebouwd om ideeën te testen. De resultaten suggereren dat het combineren van een "hek" van koelpijpen met water dat in tegengestelde richtingen stroomt, en het wikkelen van de batterij in een dunne laag van speciaal warmteabsorberend materiaal, zorgt voor een veel stabielere en koelere omgeving voor lithiumbatterijen. Het is een slimme manier om de batterijstad te beschermen tegen oververhitting, zodat deze soepel blijft draaien en langer meegaat.