Cell Arrangement of Lithium-ion Battery Pack for Improvement in Cooling Performance of Air-Cooled Battery Thermal Management System

Abstract

งานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาเชิงตัวเลขของระบบจัดการความร้อนของชุดแบตเตอรี่ด้วยอากาศ เนื่องจากต้นทุนการผลิตที่ต่ำ, โครงสร้างการจัดเรียงที่ไม่ซับซ้อน และความเสถียรภาพของระบบที่สูง โดยทำการศึกษาชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรุ่น 1860B จำนวน 40 เซลล์ ที่มีโครงสร้างการจัดเรียงเซลล์ที่แตกต่างกัน ได้แก่ แนวเดียวกัน, แนวเยื้อง และแนวสลับ เพื่อเปรียบเทียบสมรรถนะการระบายความร้อนของแต่ละรูปแบบ นอกจากนี้ อิทธิพลของความเร็วอากาศ และอัตราการคายประจุก็ถูกใช้ในการวิเคราะห์ร่วมด้วย เพื่อควบคุมให้เซลล์แบตเตอรี่ทำงานอยู่ภายในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสม ซึ่งมีค่าไม่เกิน 40C โดยแบบจำลองความร้อนที่เกิดขึ้นในเซลล์แบตเตอรี่ถูกจำลองขึ้นโดยอาศัยข้อมูลการทดสอบเซลล์แบตเตอรี่ภายใต้อุณหภูมิแวดล้อมต่าง ๆ จากผลการจำลองพบว่า เมื่อความเร็วของอากาศเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ระบบระบายความร้อนมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น โดยชุดแบตเตอรี่ที่ทำงานอย่างต่อเนื่องภายใต้อัตราการคายประจุ 0.5C อาจไม่จำเป็นต้องพึ่งพาระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับ และในกรณีที่ชุดแบตเตอรี่ทำงานด้วยอัตราการคายประจุ 1C การระบายความร้อนจำเป็นต้องมีความเร็วของอากาศอย่างน้อย 1 m/s เพื่อควบคุมอุณหภูมิของเซลล์แบตเตอรี่ให้อยู่ภายในช่วงที่กำหนด แต่ระบบจัดการความร้อนด้วยอากาศไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิของเซลล์แบตเตอรี่ได้ในกรณีที่มีการคายประจุอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ การจัดเรียงเซลล์ที่เหมาะสมที่สุดในแง่ของประสิทธิภาพการระบายความร้อนคือการจัดเรียงแบบแนวเดียวกัน และช่องว่างที่เหมาะสมระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันคือประมาณ 1.5 มม.

Air-cooled thermal management system has been numerically studied due to low manufacturing cost, simple layout structure and high reliability of the system. A set of Lithium-ion battery pack 18650B consisting of 40 cells was investigated under different cell arrangement structures, i.e., inline, offset, and staggered configurations in order to evaluate their cooling performances. Additionally, the effects of inlet velocity and discharge rate were taken into consideration to guarantee the temperature of batteries in operation within an optimal range, i.e., not over 40 °C. The heat simulation model of battery cells was developed based on the data acquired from the test under various ambient temperatures. The simulation results revealed that the increased air velocity resulted in better cooling performance of the system. The continuously operating battery pack under the discharge rate of 0.5C may not rely on the forced air-cooling system. When the battery pack discharging of 1C-rate, it required at least the air velocity of 1 m/s for cooling the battery within the optimal working temperature range. However, the forced-air cooling strategy was unable to control the temperature of the battery cell in case of fast discharging rate. Furthermore, the best cell arrangement in terms of cooling performance is the inline configuration and the appropriate gap between adjacent cells is about 1.5 mm.