TERMISKT SMARTA
HANTERINGSSYSTEM FÖR
LITIUM-JONBATTERIER
Analys av litium-jonbatteriets termiska beteende
CAN ISIK ROGER
KOHONT ALEXANDER
Akademin för ekonomi, samhälle och teknik
Kurs: Examensarbete Kurskod: ERA206 Ämne: Energiteknik Högskolepoäng: 15 hp
Program: Högeskoleingenjör i Energiteknik
Handledare: Hailong Li Examinator: Jinyue Yan
Uppdragsgivare: Hailong Li, Mälardalens
Högskola, Västerås
Datum: 2021-06-13 E-post:
Rik17001@student.mdh.se Akt18003@student.mdh.se
ABSTRACT
Batteries play an important role in a sustainable future. As the development for better and smarter batteries continues, new areas of use emerge boosting its demand. Controlling the temperature of a battery cell is a vital objective to ensure its longevity and performance. Both cooling and heating methods can be applied to keep the temperature within a certain range depending on its need. This study will review the technical aspects of lithium-ion batteries, observe the different thermal management systems and cooling methods, and lastly examine the required cooling flow needed for a battery cell to prevent its temperature from rising to critical levels during its discharge. Using CFD ANSYS Fluent as a simulation tool, the results show that different charging rates, in terms of C-rate, require different rates of mass flow to control the temperature. Simulating the cell with natural convection, the cell peaks at high temperatures even at lower C-rates, reaching up to 36,4°C and 48,8°C for 1C and 2C, respectively. Applying the cooling method with a flow rate of 0,0077kg/s reduces the temperature significantly, resulting in temperatures of 26,95°C and 31,27°C for 1C and 2C, respectively.
Keywords: Lithium-ion battery, thermal management systems, pouch cell, C-rate, CFD
FÖRORD
Detta är ett examensarbete på kandidatnivå inom området energiteknik skriven av Roger Isik och Alexander Kohont sommaren 2021 via Mälardalens högskola.
Ett speciellt tack går till Xueqiang Li samt Xinlin Zhu för den tid dem har tillägnat oss med svar gällande ANSYS Fluent. Vi vill tacka vår uppdragsgivare samt handledare Hailong Li professor på Mälardalens högskola för stödet och all hjälp vi fått under arbetets gång. Vi vill också tacka vår examinator Jinyue Yan professor på Mälardalens högskola.
Västerås i juni, 2021
SAMMANFATTNING
Batterier har en viktig roll inom en hållbar framtid. Med en konstant utveckling av bättre och smartare batterier, dyker nya användningsområden upp som i sin tur ökar efterfrågan. Det är viktigt att kontrollera temperaturen på battericellen för att kunna säkerställa lång hållbarhet och god prestanda. Olika metoder för temperaturkontroll kan appliceras för att bibehålla cellens temperatur inom ett visst spann, där behovet styr om uppvärmning eller nedkylning krävs.
Den här studien går igenom de tekniska aspekterna av ett litium-jonbatteri, smarta hanteringssystem och de olika kylmetoder. Till sist undersöks även hur mycket flöde som krävs av en battericell för att förhindra att batterier når kritisk temperatur vid urladdning. I rapporten används CFD ANSYS Fluent som simuleringsverktyg.
I simuleringar för celltemperaturen vid naturlig konvektion överstiger det optimala temperaturspannet för värden 1C och högre. Användningen av dielektrisk fluid som kylmedium leder till lägre temperaturer trots att inget flöde är applicerat. Med applicerat flöde erhålls effektivare kylning och celltemperaturen reduceras ytterligare, resultatet visar att temperaturen minskar vilket gäller för alla c-rates. För att säkerställa en konstant temperatur för cellen krävs det varierande flöde beroende på värdet för C-rate, från resultatet syns det tydligt att celler som arbetar vid högre c-rates behöver mer kylning.
Nyckelord: Litium-jonbatteri, termiska hanteringssystem, pouchcell, C-rate, CFD ANSYS
INNEHÅLL
1 INLEDNING ...1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Syfte ... 2 1.3 Frågeställningar ... 2 1.4 Avgränsning ... 3 2 METOD ...4 2.1 Litteraturstudie ... 42.2 Simulering och analys ... 4
3 LITTERATURSTUDIE ...5
3.1 LJB uppbyggnad och dess egenskaper ... 5
3.1.1 C-Rate ... 6
3.1.2 Olika typer av litiumjonbatterier ... 6
3.1.3 Cellens fysiska struktur ... 7
3.2 Temperaturpåverkan på LJB ... 8
3.2.1 Säkerhet ... 8
3.2.2 Livscykel och effektivitet ... 9
3.3 Termiska hanteringssystem (THS) ...10
3.3.1 Applicerbara kylmetoder ...11
3.3.1.1 Luftkylning ... 12
3.3.1.2 Fluidkylning ... 12
3.3.1.3 Jämförelser mellan luft- och fluidkylning ... 14
4 AKTUELL STUDIE ... 15
4.1 Data hämtad till modellen ...15
4.2 Skapandet av geometri samt meshgenerering ...17
4.4 Simulering för batterimodell ...20
4.5 Validering av modell ...21
5 RESULTAT ... 22
5.1 Temperaturprofil vid olika C-rates ...22
5.2 Effekten av applicerad fluidmetod ...23
6 DISKUSSION... 26
7 SLUTSATSER ... 28
8 FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE... 29
REFERENSER ... 30
APPENDIX A ... 32
FIGURFÖRTECKNING
Figur 1 Battericell med representativa material för anod och katod (Goodenough, 2018). 5
Figur 2 De olika temperaturintervallen för LJB i grader celsius (Warner, 2015). ... 9
Figur 3 Schema över metoden för aktiv luft (Warner, 2015). ... 11
Figur 4 Schema över metoden för passiv luft (Warner, 2015). ... 11
Figur 5 Schema över kylmetoden som använder sig av fluid (Warner, 2015)...12
Figur 6 Första fluid-kylmetoden med plattor (Warner, 2015). ... 13
Figur 7 Andra fluid-kylmetoden med fenor (Warner, 2015). ... 13
Figur 8 Dimensionerna av pouchcellen (Patil, Seo & Lee, 2021). ... 17
Figur 9 Mesh över battericellen (till vänster) och kylmetod applicerad på cellen (till höger). ... 18
Figur 10 Temperaturprofilen för en pouchcell vid olika C-rates. ... 22
Figur 11 Inloppflödet som krävs för att hålla temperaturen konstant runt 27 °C vid olika C-rates. ... 24
Figur 12 Temperaturgradient för cellen vid naturlig konvektion (till vänster) och med kylmetod applicerad (till höger). ... 25
Figur 13 Pouchcell vid 3C visad i ANSYS Fluent. ... 32
Figur 14 Temperaturprofilen för Pouchcell vid 3C visad i ANSYS Fluent. ... 32
Figur 15 Pouchcell vid 2C visad i ANSYS Fluent. ... 33
Figur 16 Pouchcell vid 3C och stationärt tillstånd visad i ANSYS Fluent. ... 34
Figur 17 Temperaturprofilen för Pouchcell vid 3C och stationärt tillstånd visad i ANSYS Fluent. ... 34
Figur 18 Flödesvägarna för kylsystemet vid 1,5C och inloppsflödet 0,0363 kg/s. ... 35
TABELLFÖRTECKNING
Tabell 1 Summering av egenskaper för de vanligaste litium-jonbatterierna (Buchman, 2011). ... 7Tabell 2 Fördelar och nackdelar med fluid- och luftkylning (Warner, 2015). ...14
Tabell 3 Randvillkor (Patil, Seo & Lee, 2021). ... 15
Tabell 5 Egenskaper för material som används till simulationerna (Patil, Seo & Lee, 2021).
...16
Tabell 6 Meshanalys för cellmodellen, vid 3 i C-rate. ... 18
Tabell 7 Maxtemperatur tagen under positiv-pol vid olika C-rates (endast cell). ...21
Tabell 8 Maxtemperatur tagen under positiv-pol vid olika C-rates (cell & kylmetod). ...21
Tabell 9 Maxtemperaturer för en pouchcell vid olika C-rates. ... 22
Tabell 10 Inner- och yttertemperaturer för pouchcellen vid olika C-rates (stationärt tillstånd). ... 23
Tabell 11 Inloppshastigheten som krävs för att inner- och yttertemperaturer för cellen ska hamna runt 27 °C vid olika C-rates. ... 23
Tabell 12 Temperaturen vid inloppshastigheten 0,0077 kg/s. ... 24
Tabell 13 Temperaturen vid inloppshastigheten 0,0363 kg/s. ... 25
Tabell 14 Temperaturen vid inloppshastigheten 0,0809 kg/s. ... 25
BETECKNINGAR
Beteckning Beskrivning Enhet
C Kapacitet Ah Cp Specifik värmekapacitet J/Kg-K E Energi Wh I Ström A L Längd m T Temperatur C U Spänning V Termisk konduktivitet W/m-K Densitet Kg/m3
FÖRKORTNINGAR
Förkortning Beskrivning
CFD Computational Fluid Dynamics
DF Dielektrisk fluid
LJB Litium-jonbatteri
NTGK Newman, Tiedemann, Gu, and Kim
SOC State of charge
THS Termiska hanteringssystem
DEFINITIONER
Definition Beskrivning
Anisotropisk Materialet har varierande egenskaper gällande intensitet och strålning. Icke homogena egenskaper.
Computational Fluid Dynamics
Beräkning av strömningsdynamik. Fluidmekaniska beräkningar.
C-rate Hastigheten som ett batteri laddas och urladdas med. Hållbar
framtid/utveckling
Att tillfredsställa dagens behov utan att äventyra kommande generationers möjligheter att tillfredsställa sina behov.
SOC Batteriets laddning i förhållande till dess kapacitet. Om SOC är 100% är batteriet fulladdat.
1
1 INLEDNING
Batteriets utveckling har sett stora framsteg under de senaste åren och har en viktig roll i en hållbar framtid med mindre emissioner. Denna utveckling har lett till att lagring av energi har blivit mer gynnsam, men det finns fortfarande en del problemområden som behöver förbättras. Med mindre förluster kommer batteriet att bli mer effektivare och dess användningsområden kommer att öka. Ett batteri har vanligtvis en långsam degradering vid användning och över tid, men om det däremot används vid felaktiga förhållanden försämras levnadscykeln och kapaciteten avsevärt. För att reducera temperaturvariation och upprätthålla en säkerhet utvecklas smarta termiska hanteringssystem för att säkerställa att batteriet inte används under felaktiga förhållanden.
Ett batteri kan vara uppbyggt av en eller flera sammankopplade celler som arbetar tillsammans och kan bestå av olika typer av material. Vid upp- och urladdning definieras strömmens specifika hastighet med rate, som talar om hur snabbt cellen laddas – laddning vid större C-rates leder till högre temperaturer inom batteriet. Denna rapport kommer att gå igenom simuleringar av en litium-joncell för att se hur temperaturprofilen ser ut vid olika C-rates, och även vilka möjligheter det finns till att hålla cellens innertemperatur konstant vid användning av fluidkylning. Simuleringar sker i mjukvaruprogrammet Ansys Fluent CFD, där en modell byggs upp och parametersätts för att efterlikna ett verkligt batteri.
1.1 Bakgrund
Den första battericellen uppfanns redan tidigt 1800-tal, då Alessandro Volta genom experiment upptäckte att en del material kunde generera flöden av strömmar när de kopplades ihop med en elektrolyt. Batteriets utveckling har varit lång och det skulle dröja ytterligare två sekel tills att det uppladdningsbara litium-jonbatteriet börjas används kommersiellt. Litium-jonbatteriet kan bestå av flera celler som kan serie och parallellkopplas för att skapa en önskad kapacitet för vald applikation. Idag står uppladdningsbara batterier för majoriteten av marknaden, där vanliga förbrukningsbatterier successivt fasas ut. Utvecklingen har varit framträdande de senaste åren gällande batteriets kapacitet, effektivitet och livslängd vilket har lett till att efterfrågan har ökat samt att kostnaden har sjunkit. De vanligaste användningsområdena för litium-jonbatteriet är för småelektronik som telefoner och laptops, däremot finns en ökad trend av batterier inom transportsektorn och för energilagring (Buchman, 2011) (Maiyalagan & Elumalai, 2020).
2
En begränsning med batterier är att de är temperaturkänsliga och tenderar att ha bäst verkningsgrad inom ett visst temperaturspann. Livslängden och kapaciteten försämras gradvis vid bruk och efter tid. Att systematiskt hantera den interna temperaturen är viktigt eftersom det finns risk för överhettning och i allra värsta fall, explosion. Med smarta hanteringssystem och kylning undviks dessa problem och batteriets hela potential kan nyttjas (Andrea, 2020) (Warner, 2015).
Energibehovet runt om i världen ökar ständigt, med hårdare krav på emissioner bidrar batterier och energilagring till ett mer hållbart sätt att producera elektricitet och värme. Stora energilager integreras med sol och vindkraft, som har en varierande produktion, vilket tillåter att elen kan nyttjas när behovet finns (Eftekhari, 2019). Om behovet ökar kraftigt i framtiden kan det bli problem att producera tillräckligt med litium-jonbatterier på grund av materialbrist (Väyrynen & Salminen, 2011).
Trots att materialet för uppbyggnaden av litium-jonbatterierna har haft stor utveckling är metoden för tillverkning i princip oförändrad. Kemin i ett litiumbatteri varierar en del, men i regel kombineras grafit tillsammans med olika typer av metalloxider. En vanlig kombination på grund av dess höga energidensitet är grafit och koboltoxid (Eftekhari, 2019).
1.2 Syfte
Syftet med arbetet är att hitta förbättringsmöjligheter för termiskt smarta hanteringssystem och dess användning gällande temperaturkontroll av batterier. En batterimodell simuleras för att undersöka kylningsbehovet för att hålla batteriets temperatur konstant vid olika C-rates.
1.3 Frågeställningar
• Vad för temperaturrelaterade problem finns det med LJB och hur blir dess påverkan? • Hur skiljer sig luft och vattenkylning och vilka för- och nackdelar har dem?
• Hur ser temperaturprofilen ut för batterimodellen vid olika C-rates?
• Hur kan yttertemperaturen kontrolleras med kylning för att säkerställa konstant innertemperatur i cellen?
3
1.4 Avgränsning
Studien kommer primärt fokusera på att analysera den optimala kylningsprocessen av ett batteri och kylmetoden kommer vara limiterad till fluid. Simuleringarna kommer vara begränsade till pouchceller. På grund av svårigheter med simuleringsprogrammet och bristen på relevanta källor för den specifika kylmetoden i kombination med val av cell resulterade i att simuleringar endast kunde utföras på en kylmetod. Denna avgränsning gjordes eftersom det inte fanns tid att simulera modeller för både luft- samt fluidmetoder. Tidsbrist var också anledningen till att vi valde att utesluta metoder för uppvärmning av batterier.
4
2 METOD
Metoden för denna rapport är en blandning av litteraturstudie, simuleringar och analyser. Nedan nämns de olika delarna.
2.1 Litteraturstudie
En litteraturstudie ansågs vara nödvändigt då det krävs mer heltäckande kunskap kring termiska smarta batterisystem, litium-jonbatterier samt betydelsen av C-rate. Valda källor hittades med hjälp av naturvetenskapliga databaser som Google schoolar och dIVA. Sökorden som valdes var bland annat ”battery storage systems”, ”C-rate battery”, ”lithium-ion battery”, ”Pouch cell” och ”NTGK battery model”. Mycket av de källor som användes till studien var böcker och vetenskapliga artiklar men några källor har också tagits från webbplatser. Källorna som används anses vara trovärdiga då de nämner ungefär samma saker kring sökområdet.
2.2 Simulering och analys
För att utföra simuleringar av en cell samt täcka upp bristande kunskaper om Ansys Fluent så påbörjas inlärning av mjukvaruprogrammet. Här har det använts en ISO-standardguide, ANSYS Fluent Battery Module Manual, som är utförd av Ansys Inc där simuleringsprocessen av ett batteri förklaras genomgående. Tidigare examensarbeten, vetenskapliga artiklar samt befintliga Youtube-handledarvideos har också bidragit till att bygga kunskap kring modellering- och simuleringsprocesser i ANSYS Fluent.
5
3 LITTERATURSTUDIE
En litteraturstudie har genomförts för att få mer heltäckande kunskap kring litium-jonbatterier, C-rate och de termiska processer som sker vid industriella applikationer. Fokusen kommer vara mest på litium-jonbatterier och dess egenskaper men också titta på olika batterimodeller samt kylningsalternativ.
3.1 LJB uppbyggnad och dess egenskaper
Litium-joncellen består av en del olika ämnen som arbetar tillsammans för att skapa en spänningsdifferens mellan den negativa och positiva elektroden. Dessa celler kopplas i serie och parallellt för att skapa ett komplett batteripack med önskad spänning och kapacitet. Cellen består av litium som är det centrala ämnet på grund av dess förmåga att enkelt reagera med andra ämnen. När batteriets elektroder kopplas ihop kan en spänning mätas eftersom elektronerna har en väg att gå, en ström uppstår. Cellens olika material separeras av en elektrolyt där man på anodens sida har ett ämne som gärna drar åt sig de elektroner som litiumet avger. På katodens sida av cellen har man ett mer stabilt ämne som inte avger eller tar upp några elektroner. Figur 1 visar exempel på detta. När batteriet är fulladdat befinner sig alla litiumatomer och elektroner samlade på katodens sida, vid urladdning passerar elektronerna genom polerna medan litiumjonerna passerar genom elektrolyten och samlas tillsammans på anodens sida. När batteriet är urladdat finns inga litiumatomer kvar på katodens sida därav inget flöde av elektroner. Då behövs en extern källa av ström tilläggas för att kunna driva tillbaka elektronerna till katodens sida. Detta representerar en full cykel av urladdning och uppladdning (Lin, Hsu & Huang, 2021) (Andrea, 2020).
6
3.1.1 C-Rate
Den specifika strömmen som passerar cellen kallas för C-rate vilket definierar upp- och urladdningshastigheten. Ett batteri med C-rate på 1C och kapacitet 100Ah kan leverera 100A ström under en timmas tid. Samma batteri kan leverera 50A över 2 timmar, då blir dess C-rate 0,5C. På samma sätt kan batteriet laddas ur med 200A över 30 minuter, då blir dess C-rate 2C. Vanligtvis brukar denna hastighet ligga strax under 1C för ett batteri, eftersom höga C-rates tenderar att förkorta batteriets livslängd (Andrea, 2020) (Battery University, 2017).
3.1.2 Olika typer av litiumjonbatterier
Enligt Battery University (2021) och Buchman (2011) varierar kemin bland de olika typer av litiumbatterier, nedan presenteras de vanligaste typer av celler med egenskaper och användningsområden. Slutligen sammanfattas egenskaperna i tabell 1.
Litiumkoboltoxid (LiCoO2) använder grafit i katoden och koboltoxid i anoden. Grafiten har en
stabil struktur där litiumjoner rör sig mellan polerna vid upp och urladdning. Den är populär bland småelektronik som mobiltelefoner och bärbara datorer. Detta batteri har en hög energidensitet men kan inte hantera laddningar med hög C-rate. Med kort livslängd och låg termisk stabilitet används i stället andra alternativ där detta är avgörande för produkten. Kobolt är en dyr metall.
Litiummanganoxid (LiMn2O4) använder manganoxid som katodmaterial och grafit som
anodmaterial. Mangan har en låg intern resistans vilket resulterar i att elektronerna och strömmen lättare kan flöda. Detta medför en högre tolerans för laddningar vid högre C-rate upp till 10C eftersom den har högre termisk stabilitet. Batteriet kan även hantera pulser av C-rate upp till 50C. Livslängden är låg och batteriet används för kraftverktyg, medicinsk utrustning och i vissa fall även till elbilar.
Litiumnickelmangankoboltoxid (LiNiMnCoO2) består av nickel som kombineras med mangan
och kobolt som katodmaterial, medan anoden består av grafit. Nickel har en hög specifik kapacitet men låg termisk stabilitet, när den kombineras med kobolt och mangan förstärks de positiva egenskaperna hos de individuella metallerna och skapar en potent slutprodukt. Batteriet används mestadels i kraftverktyg, medicinsk utrustning samt elbilar och elcyklar. Dessa har en lång livslängd.
Litiumjärnfosfat (LiFePO4) använder fosfat som material i katoden. Med en låg intern
7
har en lägre spänning jämfört med andra litiumbatterier men kan tolerera högre belastning över längre tid. Detta batteri används mestadels för lagring av energi, då den hanterar fulladdning utan bekostnad på livslängd. Fosfatbatteriet är något känslig för kyla men har en hög säkerhet.
Litiumnickelkoboltalumuniumoxid (LiNiCoAlO2) fungerar likt LiNiMnCoO2 och har en hög
specifik kapacitet. Detta batteri har en lång livslängd men detta på bekostnad av säkerhet och kostnad. Katoden består av en nickel, kobolt och aluminiumblandning när aluminiumet tillsätts för kemisk stabilitet. Batteriet används för elbilar, kraftverktyg och vid industriella tillämpningar.
Litiumtitanat (Li2TiO3) använder sig av titanat i anoden medan katodmaterialet kan variera.
Denna variant har en låg spänning men har hög tolerans för snabba laddningar med hög C-rate. Titanatet minskar den inre resistansen ytterligare jämfört med andra litiumbatterier och detta resulterar i en god säkerhet och en hög termisk stabilitet vid både höga och låga temperaturer. Med en låg specifik kapacitet och dyrt pris är detta alternativ inte lika vanligt förekommande som de andra varianterna. Dessa används för elbilar och för soldrivna gatlampor.
Tabell 1 Summering av egenskaper för de vanligaste litium-jonbatterierna (Buchman, 2011).
Batterityp Spänning per cell (V/cell) Specifik kapacitet (kWh/kg) C-rate, upp/ner (C) Livscykler LiCoO2 3,6 150–200 0,7–1 / 1 500–1000 LiMn2O4 3,8 100–150 0,7–1 / 1–10 300–700 LiNiMnCoO2 3,7 150–220 0,7–1 / 1–2 1000–2000 LiFePO4 3,3 90–120 1 / 1–25 2000+ LiNiCoAlO2 3,6 200–300 0,7 / 1 500 Li2TiO3 2,4 50–80 1–5 / 1–10 3000–7000
3.1.3 Cellens fysiska struktur
Litiumjoncellen konstrueras enligt behov men de vanligaste formerna är cylindrisk, knapp, pouch och prismatisk. Den cylindriska cellen används till kraftverktyg, elcyklar och bärbara datorer, där de oftast kopplas ihop till större batterier. Dessa har en hög specifik kapacitet och modellen tillåter även mer säkerhet än andra varianter. Den vanligaste celltypen är 18650, vilket definierar dess storlek, 18x65,0 mm. Knappcellen används för små applikationer, som
8
exempelvis i armbandsur. Pouch och prismatiska cellerna används mest för energilagring och småelektronik som mobiltelefoner, dessa celler kan inkapslas i ett skal av metall för att öka säkerheten. Både värmeprofilen och den specifika kapaciteten ser annorlunda ut för de olika modellerna och de har därmed olika behov av kylning. Celler med högre specifik kapacitet genererar oftast mer värme (Andrea, 2020).
3.2 Temperaturpåverkan på LJB
LJB har en rad positiva aspekter då det anses vara den populäraste lagringsmetoden då den har bättre prestanda, cyklingsförmåga, energidensitet, dimensionerna är mer kompakta samt en högre förmåga till att ladda och urladda än de tidigare nickel-metall-hydrid batterierna. En nackdel med LJB likt andra batterier är beroendet av temperaturförhållandena, vilket betyder att den kan endast arbeta effektivt och hållbart vid ett visst temperatursintervall (Bergvall & Johansson, 2012).
3.2.1 Säkerhet
Att designa ett säkert batterisystem är viktigt då det alltid finns en chans till att komplikationer kan uppstå för cellerna. Även de bäst designade batterierna kan i värsta fall börja brinna, vilket batterikonstruktören bör redan ha planerat för i designprocessen för att försöka lindra och minska spridning av eld. För säker och långvarig användning av batterier behöver cellerna verka i optimala området vad gäller kritiska parametrar, även kallad SOA (safe operating area). Här bör hänsyn till spänning, ström och temperatur vid upp- och urladdning tas. Hamnar cellen utanför dessa parametrar kan det leda till ökad degradering och risk för fel. Vissa parametrar är mer kritiska än andra, att bruka cellen vid felaktiga spänningar är värre än att temperaturen hamnar lite utanför optimalt intervall under kortare tid. Vanligtvis är det den kemiska kompositionen i cellen som avgör hur dessa parametrar ser ut (Andrea, 2020). Om ett batteri missköts kan ökad exotermiska reaktioner ske i cellerna, vilket kommer orsaka en snabb nedbrytning (thermal runaway). Detta kan ske med fysiska slag och deformeringar, överladdning för både upp- och nedladdningar samt kortslutningar. Även laddning i höga och låga omgivningstemperaturer kan orsaka ökad nedbrytning (Andrea, 2020) (Eftekhari, 2019).
9
3.2.2 Livscykel och effektivitet
Om drifttemperaturen överstiger 40°C kan det ske en ökad degradering av batteriets livslängd och vid lägre temperaturer som motsvarar -10°C sker det i stället en betydelsefull minskning av effektivitet och prestanda (Bergvall & Johansson, 2012). Vanligtvis sker degradering sakta över lång tid, då kapaciteten minskar och serieresistansen ökar. I vissa fall kan det vara fördelaktigt att använda ett batteri med större kapacitet när en produkt konstrueras eftersom degradering är ett faktum. En cell degraderas på två sätt, genom användning, det vill säga upp- och urladdning, men även konstant degradering över tid, oavsett om cellen brukas eller inte (Andrea, 2020).
Med det sagt kan LJB arbeta på ett temperaturintervall mellan -20 och 45°C på normal drift utan att uppleva någon extra degradering av livscykeln. När batterier väl hamnar mellan -20°C och -40°C tenderar elektrolysen att frysa, detta leder till att impedansen i battericellen ökar vilket påverkar effektiviteten samt kapaciteten negativt. Vid temperaturer över 60 °C påverkas de kemiska egenskaperna hos materialet i LJB då det blir instabilt (Warner, 2015).
Figur 2 De olika temperaturintervallen för LJB i grader celsius (Warner, 2015).
Ett problem som uppstår och som lyfter fram hur viktigt det är med temperaturreglering av batterier är den interna uppvärmningen av batteriernas celler. Battericellerna tenderar till att uppleva en temperaturhöjning på grund av elströmmar som utvecklas av den mängd inre resistans som finns i batterierna. Ifall systemet saknar temperaturreglering eller om den är bristande kommer battericellerna riskera att uppleva höga drifttemperaturer, som vidare leder till att batterierna försämras snabbare samt en minskning av prestanda och kapacitet (Bergvall & Johansson, 2012).
LJB anses vara fragil och kommer behöva ett skydd för att de ska kunna arbeta effektivt. Batteriets skydd är ett kretssystem som installeras i varje cell med syftet att avgränsa
10
toppvärdet av spänningen vid laddning samt hindra att värdet blir för lågt vid urladdning. Vid lagring av batterier är det viktigt att miljön där batterierna lagras har en temperatur på 15 °C samt att de är laddade, helst till minst 40%, detta leder till en långsammare degradering av livscykeln på batterierna (Battery University, u.å).
3.3 Termiska hanteringssystem (THS)
Som tidigare nämnt är det viktigt med optimala temperaturförhållanden då batterierna annars riskerar att få sämre prestanda och kapacitet samt att degraderingen av batteriets livscykel sker snabbare. För att undvika dessa risker är det viktigt med att termiska batterisystem existerar. Viktigt att ta upp är att THS har två funktioner där den ena är uppvärmning av batterier som används ifall cellerna skulle uppleva kallare klimat, och den andra är kylning av batterier vilket den här rapporten fokuserar på.
Syftet med THS är att de ska kunna reglera drifttemperaturen för batterierna att den hamnar inom det optimala temperaturintervallet och på så sätt minimera risker som tidigare har nämnts. Detta göres genom att installera någon form av värmeväxlare in i systemet som hjälper till att hålla temperaturen för battericellerna konstant. Det finns en rad olika metoder för att uppnå konstant temperatur för cellerna men det brukar alltid involvera att värme förs från cellerna och batteripaketet med hjälp av någon substans. Det är tre faktorer som kommer att spela roll när det gäller THS och hur den kan kommas till att bli designad. Första faktorn är arbetscykeln för batteriet. Om batteriet avses att arbeta under förhållanden som kräver mycket kraft kommer den att producera mer intern värme än vid andra lågkraft krävande applikationer. Andra faktorn är den omgivande miljön som den kommer att användas, om batteriet används inom en region där temperaturen alltid är hög kommer cykeln för batteriet att börja på en nivå som redan är hög. Tredje faktorn är battericellen och materialet som den använder och dess kemiska egenskaper. Kemiska ämnen beter sig annorlunda vid olika temperaturer och högt belastade förhållanden (Warner, 2015).
En annan viktig uppgift som THS har är att se till att varmaste cellen har en temperaturskillnad som håller sig i intervallet 2–3 °C från den kallaste cellen. Det är viktigt att temperaturskillnaden inte överstiger detta då det leder till att livscykeln av cellerna degraderas olika snabbt, i värsta fall får temperaturen skilja sig med 4–6 °C (Warner, 2015).
11
3.3.1 Applicerbara kylmetoder
Som tidigare förklarat behöver LJB vara inom ett visst temperaturintervall för att kunna arbeta optimalt, samt att det sker intern uppvärmning då cellerna i batteriet upplever exotermiska reaktioner. Cellerna börjar alltså generera värme på grund av de kemiska reaktioner som uppstår samt att den inre resistansen ökar. Dessa reaktioner måste tas till hänsyn när systemet designas samt det faktum att omgivande temperaturen kan komma att spela roll. För att kunna ha ett hållbart system där batterierna arbetar under optimala förhållanden behöver THS ha någon form av kylningsmetod installerad. Det finns många olika sorter av kylsystem som skiljs åt gällande deras design och komplexitet, men normaltvis kategoriseras de i 3 typer vilka är aktiv luft, passiv luft samt temperaturkontroll med hjälp av fluid. En specifik passiv kylmetod värt nämna är phase change material (PCM). PCM är ett material som upplever fasändring då det absorberar värme och blir varmt. I denna studie kommer endast luft- och fluidkylning tas upp som applicerbara kylmetoder för TBS. Dessa kylmetoder brukar vanligtvis dyka upp i industriella applikationer och används bland annat till elektriska fordon. Kretsschemat för de olika metoderna visas nedan i figurer 3, 4 och 5 (Warner, 2015).
Figur 3 Schema över metoden för aktiv luft (Warner, 2015).
12
Figur 5 Schema över kylmetoden som använder sig av fluid (Warner, 2015).
3.3.1.1 Luftkylning
En av de vanligaste metoderna för nedkylning är just användningen av kall luft, vilket kan appliceras till både aktiva och passiva THS. I aktiva THS flödar den kalla luften genom batteripaketet och ovanför battericellerna samt självaste elektroniken, på sådant sätt kyls cellerna i batteriet. Det finns dock andra metoder än att använda kall luft. I vissa system används luften i omgivning eller från insidan av kabinen direkt för att sedan låta luften cirkulera kring batteripaketet. Denna metod måste däremot ha någon form av filter installerade samt att temperaturen kan endast kylas ner till omgivningstemperaturen (Warner, 2015).
För passiva THS hanteras temperaturregleringen utan att behöva tvinga in luft eller någon annan substans i batteripaketet. Med det sagt finns det en annan metod där fenor installeras på batteripaketet, ifall ett fordon skulle vara i rörelse skulle luft tvinga sig förbi dessa fenor och därmed kyla ner paketet (Warner, 2015).
3.3.1.2 Fluidkylning
Användningen av fluidkylning är vanligt och använder oftast en jämn blandning av vatten och glykol, denna blandning flödar sedan genom ett antal plattor i serie som i sin tur är monterade intill battericellerna. Den här typen av system innefattar oftast ett distributionssystem för fluider som är integrerade i batteripaketet. Själva integrationen sker genom användningen av värmeväxlare och slangar (Warner, 2015).
13
För att använda fluidkylning till att minska värmeökningen i batteripaketet kan två typer av metoder användas. I den ena metoden används plattor vilka monteras med battericellerna, när själva fluiden sedan flödar passerar den genom dessa plattor (Warner, 2015).
Figur 6 Första fluid-kylmetoden med plattor (Warner, 2015).
I den andra metoden används endast en platta som sedan fluiden flödar genom. Metoden går ut på att montera fenor på plattan och sedan fästa battericellerna på fenorna (Warner, 2015).
14
Viktigt att nämna är att det finns två vanliga termer kopplade till området ”kylning av batterier” och dessa är indirekt- och direktkylning. Direktkylning är kopplad till att battericellerna blir kylda genom att den kalla substansen flödar igenom. Indirektkylning är en metod där kalla substansen rör sig genom en värmeväxlare som är kopplad till battericellerna. Båda dessa metoder kan också appliceras till uppvärmning av battericeller (Warner, 2015).
3.3.1.3 Jämförelser mellan luft- och fluidkylning
Användningen av luft har många fördelar och nackdelar gentemot användningen av fluid. Luftkylning är bra då det är en effektivmetod gällande snabbhet och respons till temperaturavvikelser samt att användningen av luft inte bidrar lika mycket i vikt som fluider gör. En annan fördel med luft är att kyld luft kan flöda direkt genom battericellerna (Warner, 2015).
Nackdelen med att använda luft är att det inte är särskilt effektivt och beroende på flödedesignen kan det orsaka skada på batterierna. Risken med luftkylning och dess flödesdesign är att det sker ojämn kylning på batteriernas celler. En nackdel med en tillsluten design är att den försvårar designprocessen då batteripaketet är ett ”öppet system” (Warner, 2015).
En av de största fördelarna med fluidkylning är dess förmåga att kunna överföra värme från battericellerna på ett effektivt sätt. Annan fördel med att använda fluidkylning som metod är att den kan vara applicerbar i tillslutna design då det är ett ”slutet system”, funkar bra till batteripaket som är kopplade externt till fordon. Nackdelarna är att det alltid finns en risk för läckage samt som tidigare nämnt att vikten är tyngre (Warner, 2015).
Fördelar och nackdelar med respektive kylsystem redovisas i nedanstående tabell.
Tabell 2 Fördelar och nackdelar med fluid- och luftkylning (Warner, 2015).
Fluidkylning fördelar Fluidkylning nackdelar Luftkylning fördelar Luftkylning nackdelar
- Effektiv - Applicerbar i
tillslutna system
- Vikten kan bli tung
- Risk för läckage
- Snabbrespons till temperaturavvikelser. - Bidrar med lite vikt. - Kan flöda direkt
genom battericellerna - Inte särskilt effektiv - Risk för ojämn kylning av cellerna - Svårt att designa tillslutet system
15
4 AKTUELL STUDIE
Vanliga metoder för att modellera är att använda sig Simulink eller ANSYS Fluent. Simulink är ett program utvecklat av Mathworks och är ett verktyg till för att modellera, simulera samt analysera olika dynamiska system. I detta arbete kommer ANSYS Fluent användas som också är ett liknande verktyg som Simulink fast har fokus på fluidsimuleringar. För att kunna inleda arbetet behövdes programvaran ANSYS Fluent installeras. Programvaran från 2019 var redan installerade på några av Mälardalens högskolas datorrum men det gick även att införskaffa studentversionen av ANSYS Fluent. Totalt kommer 2 modeller utföras där den första är modellen på själva cellen och den andra kommer vara för fluidkylning.
Processen för modellering hade följande steg: • Hämta godtyckliga data för modellen. • Skapa geometri för modellen.
• Genereringen av mesh till modellen. • Inställningar för batterimodellen.
4.1 Data hämtad till modellen
För att kunna skapa och verifiera en modell av cellen kommer data hämtas från en vetenskaplig artikel skriven av Patil, Seo & Lee (2021) där simuleringar är utförda på pouchceller. Eftersom modellen bör vara noggrann gjord för att få bästa möjliga resultat kommer även dimensionerna för cellen att användas. För att simplifiera simuleringen kommer konstant värmegeneration att antas från cellerna samt en konstant inre resistans.
Simuleringar är baserade på följande data av en pouchcell:
Tabell 3 Randvillkor (Patil, Seo & Lee, 2021).
Specifikationer Dielektrisk Fluid (DF)
Inloppsförhållanden Konstant inloppshastighet Temperaturen för inloppets kylmedium (°C) 25
Flödesmodell Laminär
Utloppsförhållanden Atmosfärstryck
16
Tabell 4 Specifikationer för LJB-cellen (Patil, Seo & Lee, 2021). Parameter Värden Enhet
Nominell spänning 3,3 V Nominell energi 65 Wh Nominell kapacitet 20 Ah Referens kapacitet 20 Ah Cut-off spänning 2 V Maximum cellspänning 3.6 V
Anod material Grafit -
Katod material LiFePO4 -
Elektrolyt material Karbonatbaserad -
Cell dimensioner 227 × 160 × 7,5 mm
Tabell 5 Egenskaper för material som används till simulationerna (Patil, Seo & Lee, 2021).
Parameter Värde Enhet
Densitet för negativ pol 8978 Kg/m3
Densitet för positiv pol 2719 Kg/m3
Densitet för den aktiva zonen 1868 Kg/m3
Densitet för DF 924 Kg/m3
Specifik värmekapacitet för negativ pol 381 J/Kg-K
Specifik värmekapacitet för positiv pol 871 J/Kg-K
Specifik värmekapacitet för aktiva
zonen 1067 J/Kg-K
Specifik värmekapacitet för DF 1900 J/Kg-K
Termisk konduktivitet för negativ pol 387,6 W/m-K
Termisk konduktivitet för positiv pol 202 W/m-K
Termisk konduktivitet för aktiva zonen anisotropisk W/m-K
Termisk konduktivitet för DF 0,13 W/m-K
17
Figur 8 Dimensionerna av pouchcellen (Patil, Seo & Lee, 2021).
4.2 Skapandet av geometri samt meshgenerering
För att kunna börja skapa geometrin för modellen behövs ”Ansys (fluent)” föras in i workbenchen därefter startas CAD programmet ”Design Modulear”. I design modulear sker ritningen av geometrin. När geometrin är avklarad kan genereringen av mesh påbörjas. Cellen som skapas i ”Design Modulear” består av 3 delar, en aktiv zon som är själva cellkroppen och sen en negativ pol samt en positiv pol. Den positiva polen består av tunt aluminiumlager medan den negativa polen består av tunt kopparlager (Patil, Seo & Lee, 2021). Totalt kommer 2 geometrier skapas, en för varje modell.
När geometrin för modellen är avklarad är nästa steg att ställa in och generera en mesh för modellen och det görs i meshprogrammet som öppnas via workbenchen. En mesh kan definieras som ett kontinuerligt utrymme som delas in i både diskreta samt topologiska celler. Cellerna i meshen används som diskreta verktyg för att kunna estimera på en lokal skala ett större område. Mesher ställs oftast in av personer men skapas av dator algoritmer i programvaror som exempelvis ANSYS. Mesh har en stor betydelse i arbetet då den påverkar noggrannheten, konvergensen samt hur snabbt resultat framtas. Kortfattat kan det sägas att
18
ju bättre mesh desto bättre resultat (Sack & Urrutia, 2000). I meshprogrammet är det viktigt att definiera vissa zoner som kroppen för cellen samt dess positiva- och negativa pol.
När meshen är genererad och zonerna definierade måste först en meshanalys genomföras innan de riktiga simuleringarna kan börja. För att kunna avgöra om den genererade meshen är godtycklig utförs testsimulationer där värden på ”Maxstorlek” och ”Elementstorlek” kommer att användas. Dessa värden kommer att varieras tills maxtemperaturen stannar på ett konstant värde. När maxtemperaturen har stannat runt ett värde kommer värdena som får ut lägst antal element att väljas. Anledningen är att det tar mindre tid att utföra simulationer med lägre antal element.
Tabell 6 Meshanalys för cellmodellen, vid 3 i C-rate.
Mesh Maxstorlek [m] Elementstorlek [m] Antal element Maxtemperatur [C] 1 0,01 0,009 480 62,33 2 0,007 0,005 3006 62,25 3 0,004 0,002 37 538 62,31
Figur 9 Mesh över battericellen (till vänster) och kylmetod applicerad på cellen (till höger).
19
4.3 Batterimodell
När meshen har laddats upp i Ansys Fluent aktiveras batterimodelleringen där parametrar kan sättas. Det finns tre metoder för batterimodellering, ECM metoden (Electrical Circuit Model), Newman P2D metoden och NTGK metoden (Newman, Tiedemann, Gu & Kim). I de olika metoderna skiljer sig den elektrokemiska processen i cellen och vilken användaren väljer baseras på vad för indata man har. I den här studien används NTGK, en semi-empirisk metod, där användaren kan skapa effektiva resultat med ett litet antal indata. Med enkla parametrar kan man få effektiva och pålitliga resultat. Metoden är också den bästa när man ska analysera den termiska prestandan i cellen, och lämpar sig bäst när man ska skala upp modellen för att analysera med flera celler (Ansys Fluent, 2013) (Patil, Seo & Lee, 2021).
Strömningsmekaniska värmeberäkningar löses i samtliga fall enligt nedanstående ekvationer 1, 2 och 3.
𝜕𝜌𝐶𝑝𝑇
𝜕𝑡 − 𝛻(𝑘𝛻𝑇) = 𝑞̇ Ekvation 1
𝛻(𝜎+𝛻𝜑+) = −𝑗 Ekvation 2
∇(𝜎−∇𝜑−) = 𝑗 Ekvation 3
där 𝑞̇ är aktiv värmegenerering i cellen, 𝑗 är strömdensitet, 𝜌 är densiteten på materialet, 𝑘 är termisk konduktivitet och 𝑇 är temperaturen. 𝜎+ och 𝜎− är elektriska konduktiviteter för
positiva och negativa noder, 𝜑+ och 𝜑− är faspotentialer för noderna. Strömdensiteten beräknas med parametersättning enligt ekvation 4.
𝑗 = 𝑎𝑌[𝑈 − (𝜑+− 𝜑−)] Ekvation 4
där 𝑎 är den specifika arean under en av noderna mot cellen, Y och U är batteriparametrar som baseras på hur mycket laddning som finns kvar i batteriet (DoD), enligt ekvation 5.
𝐷𝑜𝐷 = 𝑉𝑜𝑙
3600𝑄𝐴ℎ(∫ 𝑗 𝑑𝑡
𝑡
0 ) Ekvation 5
𝑉𝑜𝑙 är cellens volym, 𝑄𝐴ℎ är den totala elektriska kapaciteten.
20 𝑌 = (∑5𝑛=0𝑎𝑛(𝐷𝑜𝐷)𝑛)exp [−𝐶1( 1 𝑇− 1 𝑇𝑟𝑒𝑓)] Ekvation 6 𝑈 = (∑5𝑛=0𝑏𝑛(𝐷𝑜𝐷)𝑛) − 𝐶2(𝑇 − 𝑇𝑟𝑒𝑓) Ekvation 7
där 𝐶1 och 𝐶2 är NTGK konstanter i modellen.
Den totala värmegenereringen kommer från den elektriska uppvärmningen genom resistorer och kondensatorer, reaktioner från den elektrokemiska processen och entropisk värmegenerering, enligt ekvation 8.
𝑞̇ = 𝜎+∇2𝜑++ 𝜎−∇2𝜑−+ 𝑗 [𝑈 − (𝜑+− 𝜑−) − 𝑇 𝑑𝑈
𝑑𝑇] Ekvation 8
Vid simulering med kylmetoder introduceras även ekvationer för strömningsdynamik och värmeöverföring.
4.4 Simulering för batterimodell
Följande segment går igenom parametersättning för batterimodellen. Tagna från tidigare studie utförd av Patil, Seo & Lee (2021).
𝑈 = 3.462647 − 3.87924(𝐷𝑜𝐷)1 + 22.9369(𝐷𝑜𝐷)2 − 60.0521(𝐷𝑜𝐷)3+ 70.26211(𝐷𝑜𝐷)4 − 30.2737(𝐷𝑜𝐷)5
𝑌 = 131.2422 + 28.57686(𝐷𝑜𝐷)1 − 266.689(𝐷𝑜𝐷)2 + 955.2629(𝐷𝑜𝐷)3− 1347.92(𝐷𝑜𝐷)4 + 573.8234(𝐷𝑜𝐷)5
𝐶1= 1800, 𝐶2= −0.00095, 𝐷𝑜𝐷 = 0
Den termiska konduktiviteten för cellen är anisotropisk som tidigare visats i tabell 5. Enligt Patil. et al. (2021) har tidigare studier visat att värdet specificeras enligt:
𝑘 = [ 𝑘𝑝𝑙𝑎𝑛𝑎𝑟 0 0 0 𝑘𝑝𝑙𝑎𝑛𝑎𝑟 0 0 0 𝑘𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣 ] = [ 28 0 0 0 28 0 0 0 0.8 ]
Värmeöverföringskoefficient för cell och noder sätts till 2 W/m2,K och omgivningstemperaturen sätts till 25°C.
21
4.5 Validering av modell
För att validera modellen för cellen samt kylmetoden har simulering med 2 olika värden på C-rate utförts. Dessa värden har blivit satta till 2C samt 3C, efter simuleringen har resultaten jämförts med Patil, Seo & Lee resultat. Bilaga finns i Appendix A.
Tabell 7 Maxtemperatur tagen under positiv-pol vid olika C-rates (endast cell).
C-rate Maxtemperatur (vår modell) Maxtemperatur (Patil, Seo & Lee, 2021)
2 C 48,4 °C 49 °C
3 C 58,1 °C 58,2 °C
Kylmetoden använder sig av dielektrisk fluid i en rektangulär form där cellen är placerad i. Den rektangulära lådan har två inlopp och utlopp. Modell visas i Appendix B.
Tabell 8 Maxtemperatur tagen under positiv-pol vid olika C-rates (cell & kylmetod). C-rate Maxtemperatur (vår modell) Maxtemperatur (Patil, Seo & Lee,
2021)
2 C 37 °C 38,8 °C
22
5 RESULTAT
Här redovisas resultat över pouchcellen vid 3 olika tillstånd som råder över cellen. I rubrik 5.1 redovisas resultat för cellen vid naturlig konvektion. I rubrik 5.2 så redovisas resultat för cellen när den är vid ett stationärt tillstånd, men detta menas att cellen är placerad i dielektrisk fluid utan något flöde som går in eller ut ur systemet. Rubrik 5.2 kommer också innehålla resultat för cellen som är placerad i dielektriskfluid fast med flöde applicerad.
5.1 Temperaturprofil vid olika C-rates
Tabell 8 och figur 9 visar simuleringsresultat för pouchcellen vid naturlig konvektion. Dessa resultat visar tydligt hur C-rate påverkar temperaturprofilen för en battericell.
Tabell 9 Maxtemperaturer för en pouchcell vid olika C-rates.
C-rate Maxtemperatur [°C]
0,5 C 29,5
1 C 36,4
1,5 C 43
2 C 48,8
Figur 10 Temperaturprofilen för en pouchcell vid olika C-rates.
26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Ma xt em p era tu r [ºC ] SOC (%)
23
5.2 Effekten av applicerad fluidmetod
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
