تحقیقات موتور

تحقیقات موتور

شبیه‌سازی دمای یک انبارة منشوری لیتیوم‌آهن‌فسفات با ظرفیت 8 آمپرساعت بر مبنای معادلة برناردی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
با توجه به بحران‌های جهانی انرژی و محیط‌زیست در عصر حاضر، پژوهشگران و صنعتگران بخش حمل‌ونقل به دنبال جایگزینی خودروهای مرسوم دارای موتور احتراق‌داخلی با خودروهای برقی و دورگه می‌باشند. انباره‌های لیتیوم-یونی به عنوان یکی از اجزاء اصلی اینگونه خودروها، حساسیت بالایی به دمای کارکردی داشته و حفظ دمای بدنه انباره در محدوده بهینه تاثیر بسزایی در عملکرد آن‌ها دارد. در جهت طراحی و توسعه سامانه‏‌های کارآمد مدیریت حرارتی انباره لیتیوم-یونی، شناخت سازوکار تولید حرارت درون انباره و شبیه‌سازی رفتار حرارتی انباره در شرایط کارکردی مختلف امری ضروری است. در این راستا هدف از این پژوهش پیش‌بینی دمای سطح یک انبارة منشوری لیتیوم‌آهن‌فسفات با ظرفیت 8 آمپرساعت در نرخ‌های تخلیه 3C، 5C، 7C و 9C و مقایسه آن‌ها با داده‌های آزمایشگاهی موجود می‌باشد. برای این کار از دو الگوی حرارتی گسترده و یکپارچه استفاده شده و تخمین نرخ تولید حرارت انباره توسط معادلة برناردی صورت گرفت. طبق نتایج بدست‌آمده، بهره‌گیری از معادلة برناردی در هر دو الگوی حرارتی یکپارچه و گسترده تقریب قابل قبولی از دمای میانگین سطح انباره ارائه داد. همچنین افزایش نرخ تخلیه از 3C تا 9C منجر به افزایش بیشینه خطا از %1 تا %5 در نتایج تولیدی الگوی یکپارچه شد. در بین چهار نرخ تخلیه بررسی‌شده، الگوی گسترده در نرخ‌های کمتر از 9C بهترین عملکرد را ارائه داد. در نهایت مشخص شد الگوی یکپارچه در تمام نرخ‌های تخلیه بررسی‌شده تخمین بالاتری از دمای میانگین سطح انباره در قیاس با الگوی گسترده ارائه می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Temperature simulation of a prismatic 8 Ah lithium-iron-phosphate battery using the Bernardi equation

نویسندگان English

Yashar Fekri
Mohammad Mahdi Heyhat
Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

Given the current global energy and environmental crises, researchers and industry professionals in the transportation sector are increasingly focused on replacing conventional internal combustion vehicles with electric and hybrid alternatives. Lithium-ion batteries, which are essential to these vehicles, are highly sensitive to operating temperature, and maintaining their temperature within an optimal range significantly influences performance. Designing efficient thermal management systems for lithium-ion batteries requires a thorough understanding of heat generation within the cells and accurate simulation of their thermal behavior under various operating conditions. This study aims to predict the surface temperature of a prismatic 8 Ah lithium-iron-phosphate battery under discharge rates of 3C, 5C, 7C, and 9C, and to compare these predictions with available experimental data. Two thermal models — distributed and lumped — were employed, using the Bernardi equation to estimate heat generation. Results indicated that applying the Bernardi equation in both models yielded acceptable approximations of the battery’s average surface temperature. Moreover, as the C-rate increased from 3C to 9C, the maximum relative error in the lumped model’s predictions rose from 1% to 5%. Among the C-rates tested, the distributed model performed better for C-rates below 9C. Overall, the lumped model consistently overestimated the average surface temperature compared to the distributed model.

کلیدواژه‌ها English

Electric and Hybrid Vehicle
Lithium-ion Battery
Thermal Management System
Bernardi Equation
Discharging C-rate
[1] Wang Y, Yu M, Fan H, Chung JD. Multi-Objective Topology Optimization of Cold Plates for Enhanced Battery Thermal Management in Electric Vehicles. Case Studies in Thermal Engineering. 2025 Jan 20:105794. doi: 10.1016/j.csite.2025.105794
[2] Rahmatinejad B, Rahimi Asiabaraki H, Azimpour Shishevan F. Investigation of the effect of AL2O3 nanofluid in M13NI engine cooling system. The Journal of Engine Research. 2023 Mar 21;70(1):47-65. doi: 10.22034/ER.2023.1975318.0 [In Persian]
[3] Kumar K, Sarkar J, Mondal SS. Evaluating nanofluid-cooled hybrid Lithium-ion battery thermal management system under abnormal operating scenarios. Journal of Power Sources. 2024 Dec 15;623:235495. doi: 10.1016/j.jpowsour.2024.235495
[4] Rahmatinejad B, Rahimi Asiabaraki H, Azimpour Shishevan F, Mohtadi Bonab MA. Experimental analysis of the effect of using aluminum oxide nanofluid in improving the heat transfer of XU7 engine radiator. The Journal of Engine Research. 2023 Jun 22;70(2):66-79. doi: 10.22034/ER.2023.2011671.1015 [In Persian]
[5] Chavan S, Venkateswarlu B, Salman M, Liu J, Pawar P, Joo SW, Choi GS, Kim SC. Thermal management strategies for lithium-ion batteries in electric vehicles: Fundamentals, recent advances, thermal models, and cooling techniques. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024 Nov 1;232:125918. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125918
[6] Yun FL, Tang L, Li WC, Jin WR, Pang J, Lu SG. Thermal behavior analysis of a pouch type Li [Ni 0.7 Co 0.15 Mn 0.15] O 2-based lithium-ion battery. Rare Metals. 2016 Apr;35:309-19. doi: 10.1007/s12598-015-0605-3
[7] Jindal P, Katiyar R, Bhattacharya J. Evaluation of accuracy for Bernardi equation in estimating heat generation rate for continuous and pulse-discharge protocols in LFP and NMC based Li-ion batteries. Applied Thermal Engineering. 2022 Jan 25;201:117794. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2021.117794
[8] Chauhan VK, Bhattacharya J. Error estimation of Bernardi heat evaluation of Li-ion cells under drive cycle operation. Applied Thermal Engineering. 2024 Oct 1;254:123870. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2024.123870
[9] Sheng L, Su L, Zhang H, Li K, Fang Y, Ye W, Fang Y. Numerical investigation on a lithium ion battery thermal management utilizing a serpentine-channel liquid cooling plate exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019 Oct 1;141:658-68. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.07.033
[10] Khan SA, Eze C, Dong K, Shahid AR, Patil MS, Ahmad S, Hussain I, Zhao J. Design of a new optimized U-shaped lightweight liquid-cooled battery thermal management system for electric vehicles: A machine learning approach. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2022 Jul 1;136:106209. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2022.106209
[11] Bernardi D, Pawlikowski E, Newman J. A general energy balance for battery systems. Journal of the electrochemical society. 1985;132(1):5. doi: 10.1149/1.2113792

  • تاریخ دریافت 03 اردیبهشت 1404
  • تاریخ بازنگری 10 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 01 خرداد 1404