Tabell 10 visar temperatur av cellen omgiven av dielektriska fluiden utan flöde.
Tabell 10 Inner- och yttertemperaturer för pouchcellen vid olika C-rates (stationärt tillstånd). C-rate Innertemperatur [°C] Yttemperatur[°C]
0,5 C 27,23 27,23
1 C 30,26 30,25
1,5 C 33,70 33,69
2 C 37,24 37,12
Tabell 11 visar det flödet kylmetoden behöver ha för att bibehålla cellens inner- och yttertemperatur konstant med varandra vid olika C-rates samt hamna runt 27 °C om det går. Tabellerna från 12–14 visar inner- och yttertemperaturen vid olika inloppsflöden och C-rates.
Tabell 11 Inloppshastigheten som krävs för att inner- och yttertemperaturer för cellen ska hamna runt 27 °C vid olika C-rates.
C-rate Inloppsflöde [kg/s] Innertemperatur [°C] Yttemperatur [°C] 0,5 C 0 27,23 27,23 1 C 0,0077 26,94 26,95 1,5 C 0,0809 27,05 27,05 2 C 0,12337 28,09 28,03
24
Figur 11 Inloppflödet som krävs för att hålla temperaturen konstant runt 27 °C vid olika C- rates.
Tabell 12 Temperaturen vid inloppshastigheten 0,0077 kg/s. C-rate Inloppsflöde [kg/s] Innertemperatur [°C] Yttemperatur [°C] 0,5 C 0,0077 25,54 25,54 1 C 0,0077 26,94 26,95 1,5 C 0,0077 27,05 27,05 2 C 0,0077 31,29 31,27 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 In lop p sf löd e [kg/s ] C-rate
25
Tabell 13 Temperaturen vid inloppshastigheten 0,0363 kg/s. C-rate Inloppsflöde [kg/s] Innertemperatur [°C] Yttemperatur [°C] 0,5 C 0,0363 25,43 25,43 1 C 0,0363 26,56 26,56 1,5 C 0,0363 28,14 28,14 2 C 0,0363 30,10 30,10
Tabell 14 Temperaturen vid inloppshastigheten 0,0809 kg/s. C-rate Inloppsflöde [kg/s] Innertemperatur [°C] Yttemperatur [°C] 0,5 C 0,0809 25,27 25,27 1 C 0,0809 25,99 25,99 1,5 C 0,0809 27,05 27,05 2 C 0,0809 28,40 28,40
Nedan visas temperaturgradienten över cellen.
Figur 12 Temperaturgradient för cellen vid naturlig konvektion (till vänster) och med kylmetod applicerad (till höger).
26
6 DISKUSSION
I meshstudien, kapitel 4.2, jämför vi hur stor påverkan meshstorleken har på resultatet. En tiofaldig ökning av antal element gav oss en differens på temperaturen med <0,1%. Den låga avvikelsen tyder på stabilitet i simuleringsmetoden. Väljer man större antal element ökar även tid för simulering avsevärt. Med detta i åtanke tog vi beslutet att använda en mesh med mindre element eftersom temperaturskillnaden är minimal och simuleringstiden är rimligare inom tidsramen för studien. För att vara på säkra sidan så gjordes jämförelser mellan vår mesh och en annan mesh. Den andra meshen hade 600 000 element och fick fortfarande liknande resultat som vår mesh. Båda meshen var designade efter samma batterimodell.
Vid simulering av ett batteri krävs flertal parametrar, där många av dessa är kritiska för att få en verklighetsbaserad modell. I litteraturen av Patil, Seo & Lee (2021) är samtliga parametrar givna förutom ett värde för värmeöverföringskoefficienten av cell och noder som vi fick ta fram genom egna experiment i programmet (värdet återfås i kapitel 4.4). Ett stort problem har varit den stora begränsningen med simuleringarna då det tar lång tid samt att det inte finns något intuitivt sätt att felsöka när problem uppstår. Detta problem ledde till att vi blev tvungna att testa oss fram genom att ändra inställningar i programmet lite i taget tills att vi ser rätt resultat. Det positiva med valet att ändra inställningarna i programmet var att vi hittade rätt till slut men det ledde till att vi förlorade mängder med tid då det krävdes många simuleringar. Valideringen av själva cellen gick bra och värdena vi fick som visas i tabell 7 stämde bra överens med källan. Bekräftandet av kylmetoden gav ganska bra resultat när vi jämförde temperaturvärdet vid 3C då det skiljde sig med 0,4 °C. När vi sen simulerade vid 2C skiljde det sig med 1,8 °C, vilket kan bero på lite småfel i batterimodellen som exempelvis värdena på C1 och C2. I rubrik 4.4 visas värdena på C1 och C2 som är satta efter standard och dessa kan vara annorlunda då de inte var givna i källan. Värdet på värmeöverföringskoefficienten kan också vara en möjlig felkälla, då som tidigare nämnt var den inte heller given. Trots att vårt resultat skiljde sig med 1,8 °C för 2C ansågs det vara acceptabelt enligt litteratur som vi har jämfört med.
Resultatet som vi fick för cellen vid naturlig konvektion känns rimliga då vi dels har validerat resultatet vid olika C-rates med Patil, Seo & Lee (2021) arbete och stämde även överens med det som finns i vår litteraturstudie. Att temperaturen ökar med högre C-rate känns logiskt och formen på temperaturkurvan som visades i ANSYS såg nästan identisk ut med andra källors temperaturkurvor.Tittar vi på resultaten på figur 9 och jämför maxtemperaturerna med det optimala temperaturintervallen som visas i figur 2, ser vi att endast 0,5 C håller sig inom det
27
intervallet. Baserat på detta resultat anser vi att THS med applicerade kylmetoder är viktigt för att hålla batterier inom det optimala temperaturintervallet samt att de inte degraderar snabbare eller kommer till skada. Vi kan också se tydligt från resultaten i rubrik 5.2 att ju högre C-rate vi har desto mer flöde behövs appliceras. Med detta kan man se ur ett ekonomiskt perspektiv att det kan bli dyrare med batterier som arbetar vid högre C-rates. Eftersom ju högre värde det är på inloppshastigheten desto mer fluid kommer användas.
Tittar vi på resultatet från cellen när den är vid ett stationärt tillstånd och placerad i den dielektriska fluiden är temperaturskillnaden mellan inner- och ytterväggen väldigt liten. Detta beror antagligen på cellmodellen då pouchcellens tjocklek endast är 7,25mm, vi tror att temperaturskillnaden alltså hade varit större med exempelvis en cylindriskcell då den har tjockare väggar. När vi väl applicerade flöde till modellen ser man tydligt från vårt resultat att det går att fixa konstant innertemperatur med hjälp av att kontrollera yttertemperaturen. Något som vi ansåg vara märkvärdigt är att vi inte lyckades få cellens temperaturer att hamna runt 27 °C vid 2C, detta kanske beror på att batteriet utvecklar för mycket värme vid 2C och att det inte finns tillräckligt med fluid i systemet till att föra bort värmen. En annan möjlig felkälla kan vara att simuleringarna inte stannade av sig själv vid 1,5 – 0,5 C som det gjorde vid 2C och var tvungen att ställas in efter förväntad simuleringstid. Detta problem diskuterades med vår handledare som bekräftade för oss att resultaten såg bra ut trots detta. Figur 12 visar temperaturgradienten för cellen vid de olika simuleringarna. Vid naturlig konvektion är temperaturen högst i mitten av cellen och lägre ut mot kanter och noderna. När kylmetoden är applicerad är temperaturen högst i toppen av cellens högersida, detta på grund av att flödet inte strömmar homogent över cellen (se figur 18 i Appendix B). Viktigt att nämna är att kylsystemet hade kunnat förbättras ytterligare ifall användningen av skiljeväggar hade förekommit. Syftet med skiljeväggar är att reglera flödet inuti kylsystemet, detta testades men undveks senare på grund av svårigheterna i att applicera det inuti ANSYS Fluent.
28
7 SLUTSATSER
Baserad på den kunskap som vi har fått under arbetet anser vi att termiskt smarta hanteringssystem är definitivt något att satsa på inför framtiden. Som världen ser ut idag behövs det nya klimatsmarta lösningar som dels kan minska och ersätta användningen av klimatfarliga ämnen. Användningen av litium-jon batterier kan vara en av lösningarna vi letar efter då det redan idag används till olika sorters fordon som exempelvis bilar men också till lagring system. Ett stort problem som vi har haft länge är svårigheten i att lagra energin som utvinns från de energisystem som används idag. Många företag börjar fånga upp intresset för LJB som lagringsalternativ och några företag har redan börjat investera i detta genom att applicera det på vindkraftverk och solcellsparker. För att ett LJB ska arbeta så effektivt som möjligt samt hålla en god levnadscykel behövs termiskt smarta hanteringssystem som ser till att batterierna arbetar i en miljö som gynnar deras förmåga.
Battericellen arbetar bäst när den hålls inom ett specifikt temperaturspann, för de flesta batterier rekommenderas den hållas inom 10°C till 35°C för att säkerställa lång livslängd och prestanda. Vid användning utanför detta spann börjar batteriet degradera, därför designas smarta hanteringssystem för temperaturreglering och av säkerhetsskäl. Det finns olika metoder för kylning, de vanligaste metoderna är luft- och fluidkylning, och kan förekomma i flertal konfigureringar. I regel är luftkylning enklare att applicera medan fluidkylning är mer effektiv.
Vid simuleringarna av endast cellen med naturlig konvektion överstiger temperaturen 35°C redan vid c-rates 1C och högre. Med dielektrisk fluid som kylmedel syns tydliga förbättringar även utan flöden – resultaten visar en generell minskad temperaturökning för alla c-rates när cellen befinner sig i den dielektriska vätskan. När ett massflöde appliceras av fluiden runtom cellen kyls den ännu effektivare och en konstant temperatur i hela cellen kan erhållas. När cellen används vid olika c-rates har den dock olika behov av kylning, från resultatet syns det tydligt att celler som arbetar vid högre c-rates behöver mer kylning.
29
8 FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE
Här nedan visas en punktlista med olika förslag som kan vara intressant att arbeta med i fortsättningen.
• Större batteripack där flera celler är kopplade med varandra. • I stället för kylmetoder kan olika värmemetoder undersökas.
• Olika kylmetoder som PCM, luftmetoder eller andra fluidmetoder som exempelvis kylplattor kan undersökas och jämföras.
• Andra battericell-modeller som exempelvis cylindriska celler kan testas.
30
REFERENSER
Ali, H, A, A. & Abdeljawad, Z, N. (2020). Thermal Management Technologies of Lithium-ion Batteries Applied for Stationary Energy Storage Systems. [Masteruppsats, Mälardalens Högskola] http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1443146/FULLTEXT01.pdf
Andrea, D. (2020). Lithium-Ion Batteries and Applications. A Practical and Comprehensive Guide to Lithium-Ion Batteries and Arrays, from Toys to Towns. Artech House.
Ansys Fluent. (2013). ANSYS Fluent Battery Module Manual (ISO 9001:2008). International
Organization for Standardization.
https://www.yumpu.com/en/document/read/38452430/ansys-fluent-battery-module- manual
Battery Univeristy. (u.å). Is Lithium-ion the Ideal Battery? Hämtad: 2021-04-07: https://batteryuniversity.com/learn/archive/is_lithium_ion_the_ideal_battery
Battery University (2017). BU-410: Charging at High and Low Temperatures. Hämtad 2021- 04-27.
https://batteryuniversity.com/learn/article/charging_at_high_and_low_temperatures Battery University (2019). BU-301a: Types of Battery Cells. Hämtad 2021-04-15. https://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_battery_cells
Battery University (2021). BU-205: Types of Lithium-ion. Hämtad: 2021-04-12. https://batteryuniversity.com/index.php/learn/article/types_of_lithium_ion
Battery University. (2017). BU-402: What Is C-rate? Hämtad: 2021-04-06. https://batteryuniversity.com/learn/article/what_is_the_c_rate
Bergvall, J & Johansson,S. (2012). Termisk hantering av litium-jon-batterier i elektriska drivsystem. [Masteruppsats, Kungliga tekniska högskolan] http://kth.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A708057&dswid=-2025
Buchman, I. (2011). Batteries in a Portable World. A Handbook on Rechargeable Batteries for Non-engineers. Cadex Electronics Inc.
Eftekhari, A. (2019). Future Lithium-ion Batteries. The Royal Society of Chemistry 2019. Goodenough, J. B. (2018). How we made the Li-ion rechargeable battery. doi: https://doi.org/10.1038/s41928-018-0048-6
31
Gulbinska, M, K. (2014). Lithium-ion Battery Materials and Engineering. Springer-Verlag London.
Li, J. & Zhu, Z. (2014). Battery Thermal Management Systems of Electric Vehicles.
[Masteruppsats, Chalmers University of Technology]
https://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/200046/200046.pdf
Lin, M-F., Hsu, W-D. & Huang, J-L. (2021). Lithium-Ion Batteries and Solar Cells. Physics, Chemical and Material Properties. CRC Press.
Maiyalagan, T. & Elumalai, P. (2020). Rechargeable Lithium-ion Batteries: Trends and Progress in Electric Vehicles. CRC Press.
Mansour, A. [Have a nice time!]. (2018). CFD simulations about ECM Li - Ion battery, single cell & pack with & without cooling, Ansys Fluent [Video]. YouTube.
https://www.youtube.com/watch?v=vx6Sv8pRNhU&t=1863s&ab_channel=Haveanicetime %21
Patil, S, M. Seo, J-H. & Lee, M-Y. (2021). A novel dielectric fluid immersion cooling technology
for Li-ion battery thermal management. doi:
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113715
Pistoia, G. & Liaw, B. (2018). Behaviour of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles. Battery Health, Performance, Safety, and Cost. Springer International Publishing AG.
Sack. J.-R. & Urrutia.J. (2000). Handbook of Computational Geometry. Elsevier Science B.V. Väyrynen, A. & Salminen, J. (2011). Lithium ion battery production. doi: https://doi.org/10.1016/j.jct.2011.09.005
Warner, J. (2015). The Handbook of Lithium-Ion Battery Pack Design. Chemistry, Components, Types and Terminology. Elsevier Inc.
32
APPENDIX A
Här i Appendix A visas figurer för resultaten över den verifierade cellen vid naturlig konvektion. Figur 13 visar pouchcellen vid naturlig konvektion och där C-rate är satt på 3C, där färgerna i figuren visar hur temperaturen ser ut vid olika cellområden. Figur 14 visar hur temperaturprofilen ser ut vid olika flödestider. Figur 15 är pouchcellen vid 2C där naturlig konvektion också råder. Flow time visar hur många sekunder som gått för cellen, vid 3C laddas cellen ur efter 1200s.
Figur 13 Pouchcell vid 3C visad i ANSYS Fluent.
33
34
APPENDIX B
I Appendix B visas figurer över den verifierade kylmetoden samt andra resultat där flöde har applicerats. Figur 16 visar pouchcellen vid stationärt tillstånd och där C-rate är satt på 3C, där färgerna i figuren visar hur temperaturen ser ut vid olika cellområden. Med stationärt tillstånd menas att cellen är stillastående innuti den dielektriska fluiden och där inget flöde råder. Figur 17 är temperaturprofilen för pouchcellen i figur 16 och visar temperaturen avseende på flödestiden.
Figur 16 Pouchcell vid 3C och stationärt tillstånd visad i ANSYS Fluent.
35
Figur 18 visar flödesvägarna för kylsystemet.
Box 883, 721 23 Västerås Tfn: 021-10 13 00 Box 325, 631 05 Eskilstuna Tfn: 016-15 36 00