IMPROVING THE PERFORMANCE OF BATTERY THERMAL MANAGEMENT SYSTEM IN HARSH ENVIRONMENTAL CONDITIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

	PDF (MSc Thesis) Master Thesis - Final version.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 10 June 2025. Download (4MB)
	PDF Master Thesis - Final version.pdf Restricted to Repository staff only until 10 June 2025. Download (4MB)

Arabic Abstract

في اآلونة األخيرة، أصبحت السيارات الكهربائية حالً واعدًا الستبدال المحركات االحتراق الداخلي التقليدية، التي تعد مساهمة كبيرة في انبعاثات غازات االحتباس الحراري العالمية. ولذلك، أصبح بحث وتطوير بطاريات ليثيوم أيون أمراً مهما،ً خاصة في صناعة السيارات الكهربائية. لقد أظهرت بطاريات ليثيوم أيون إمكانات كبيرة بفضل كثافتها العالية وكفاءتها العالية وانخفاض التفريغ الذاتي وطول دورة حياة طويل. ومع ذلك، يتأثر البطاريات الليثيوم أيون بشكل كبير بدرجة الحرارة، سواء كانت ذلك لوسيط التخزين أو تلك المرتبطة بعملية الشحن/التفريغ. في بعض الحاالت العملية، يمكن أن تتجاوز درجة حرارة البطاريات الـ 60 درجة مئوية؛ مما يؤدي إلى حدوث هروب للبطارية وبالتالي انفجارها وفشل النظام. لذا، فإن نظام إدارة الحرارة الحرارية للبطارية ضروري لتحسين تبديد الحرارة في حزمة البطارية وضمان سالمة وأداء البطاريات الليثيوم أيون بشكل فعال. في هذه الدراسة البحثية، سيتم دراسة نظام إدارة الحرارة الحرارية للبطارية مختلفة لحزمة البطارية مع مواد تبريد متنوعة. أوالً باستخدام هندسيات ، تم إجراء تقويم تقدم بطاريات ليثيوم أيون لتحقيق تأثير درجة حرارة التخزين وحالة الشحن (SoC (على الخاليا. تم إجراء هذه الدراسات في المناخ التحدي الصعب في المملكة العربية السعودية على مدى شهرين من الصيف القاسي حيث ارتفعت درجات الحرارة في الهواء الطلق إلى 50 درجة مئوية. تم فحص مجموعة شاملة من المعايير األدائية، بما في ذلك التفريغ الذاتي، وحالة الصحة(SoH (، والمقاومة الداخلية، وكفاءة الكولومبية والطاقة. تسلط النتائج الضوء على الدور الهام لدرجة الحرارة التخزينية في تشكيل أداء بطاريات الليثيوم، مع تمييز أهمية متزايدة عند الشحن الكامل .(100٪ = SoC (تم تسجيل انخفاض أقصى بنسبة ٪6 في SoH، وزيادة بنسبة ٪6.5 في المقاومة الداخلية، وانخفاضات ملحوظة في كفاءات الكولومبية والطاقة )٪2 و ،٪2 على األكثر تحديا - خاليا موجودة في حاويات زجاجية مغطاة بالشمس المباشرة ومشحونة ً التوالي( في السيناريو التخزينية بالكامل. وعالوة على ذلك، تم إجراء تحقيق عددي ثنائي األبعاد لدراسة المعلمات المؤثرة على أنظمة إدارة الحرارة للبطارية بما في ذلك المسافات العرضية والطولية، وزاوية مدخل القناة، ونسبة الحجز، وسرعة تدفق الهواء الذي يستخدم كوسيط لنقل الحرارة لهذه الدراسة. تكشف نتائج التحليل الديناميكي للسوائل عن تحسن في نظام إدارة الحرارة الحرارية للبطارية على مستوى كمية الحرارة المزالة وانخفاض الضغط الذي يمكن أن يحدث في النظام. وعالوة على ذلك، تم إنشاء عالقات جديدة لتقدير عدد نسلت وعامل االحتكاك تضم جميع المعلمات التي تؤثر على األداء الهيدروليكي لنظام إدارة مع العالقة الموجودة في كتب نقل الحرارة، مما أظهر تطابقاً الحرارة الحرارية للبطارية. تمت مقارنة عالقة عدد نسلت بين النتائج االثنين. وأخي ًرا، تم إجراء دراسة تجريبية للتحقيق في بعض المعلمات من نتائج تحليل السوائل تحت جيداً معدالت تفريغ عالية. تم اعتبار زاوية مدخل القناة أنها 10 درجات والحجز يجب أن يكون 0.5 مع 30 مم لكل من المسافات العرضية والطولية. تمت دراسة مجموعة واسعة من معدالت تدفق الهواء من 0.3 - 1.5 .CFM تظهر النتائج الحاجة إلى ضبط معدالت تدفق الهواء لتحسين كفاءة التبريد مع الحفاظ على كفاءة الطاقة. وعالوة على ذلك، توفر الدراسة نظرة على المشكالت الناتجة عن معدالت التفريغ السريع، مؤكدة أهمية األنظمة القوية إلدارة الحرارة لتقليل ارتفاع درجة الحرارة والحفاظ على عمر خاليا البطارية. وبشكل عام، من خالل هذه الدراسة، توفر النتائج منصة قوية لبناء أنظمة بطاريات تبريد هواء يمكنها التكيف مع التغيرات في ظروف التشغيل، مما سيسرع من تطوير حلول إدارة الحرارة المستدامة والفعالة في مجال تقنيات تخزين الطاقة.

English Abstract

Recently, electric vehicles have become a promising solution to replace conventional internal combustion engines, which are significant contributors to global greenhouse gas emissions. Therefore, the research and development of lithium-ion batteries have become predominant, especially in the electrical vehicles industry. Lithium-ion batteries (LIBs) have shown great potential due to their high energy density, high efficiency, low self-discharge, and long life cycle. However, LIBs are strongly affected by temperature, either that of the storage medium or that associated with the charging/discharging process. In some practical situations, the temperature of the LIBs can exceed 60 ºC; hence, a battery run-away will be triggered, which will cause an explosion and failure of the system. Therefore, a battery thermal management system is necessary to improve heat dissipation in the battery pack and to ensure the safety and effective performance of the LIBs system. In this research study, a battery thermal management system will be studied by using different geometries of the battery pack with various cooling materials. Firstly, a calendar aging of Lithium-Ion batteries was conducted to investigate the effects of storing temperature and State of Charge (SoC) on the cells. These investigations were conducted within the challenging climate of Saudi Arabia over a span of two harsh summer months when outdoor temperatures soared to 50 ◦C. A comprehensive array of performance parameters, including self-discharge, state of health (SoH), internal resistance, and coulombic and energy efficiencies, were examined. The results highlight the paramount role of storage temperature in shaping LIB performance, with heightened significance discerned at full charge (SoC = 100%). A maximum decrement of 6% in the SoH, a 6.5% increase in internal resistance, and notable reductions in coulombic and energy efficiencies (2% and 2%, respectively) were recorded under the most challenging storage scenario—cells housed in glass-covered containers, bared to direct sunlight and charged to full capacity. Furthermore, a 2D numerical investigation was conducted to examine the influential parameters on battery thermal management systems including transversal and longitudinal distances, channel inlet angle, confinement ratio, and the velocity of airflow which used as heat transfer medium for this study. The CFD results reveals improvement of the BTMS system on the level of the amount of heat removed and the pressure drop that can occur in the system. Moreover, a new correlations for estimating the Nusselt number and friction factor were built including all the parameters that affect the hydraulic performance of BTMS. The Nusselt number correlation was compared with the existing correlation in the heat transfer books, showing good matching between the two results. Lastly, an experimental study was carried out to investigate some of the parameters from the CFD results under high discharging rates. The channel inlet angle was taken to be 10 degrees and the confinement to be 0.5 with 30 mm for both transversal and longitudinal distances. The study was wide range of airflow rate from 0.3 – 1.5 CFM. The results show the need to regulate airflow rates to improve cooling efficiency while remaining energy efficient. Furthermore, the study provides light on the issues given by rapid discharging rates, underlining the importance of strong thermal management systems to reduce temperature rise and preserve the longevity of battery cells. Overall, from this study, the findings provide a solid platform to build air-cooled battery systems that can adapt to changing operating circumstances, which will accelerate the development of sustainable and effective thermal management solutions in the field of energy storage technologies.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Alshehri, Ali
Committee Members:	Munteshari, Obaidallah and Ben Mansour, Rached
Depositing User:	AHMED SAEED (g202115090)
Date Deposited:	10 Jun 2024 09:59
Last Modified:	10 Jun 2024 09:59
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142970