پیوندهای مفید
آمار
| تعداد نشریات | 21 |
| تعداد شمارهها | 691 |
| تعداد مقالات | 10,035 |
| تعداد مشاهده مقاله | 71,039,750 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 62,489,337 |
Cooling Performance Enhancing by Employing Hybrid Pin-Blade Fin Geometry with Constant Weight for Prismatic Lithium-Ion Batteries | ||
| Journal of Heat and Mass Transfer Research | ||
| دوره 13، شماره 2 - شماره پیاپی 26، شهریور 2026، صفحه 159-174 اصل مقاله (1.6 M) | ||
| نوع مقاله: Full Length Research Article | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22075/jhmtr.2025.36024.1645 | ||
| نویسندگان | ||
| Somayeh Jalalichaleshtori؛ Ghanbar Ali Sheikhzadeh* | ||
| Faculty of Mechanical Engineering, University of Kashan, Iran | ||
| تاریخ دریافت: 05 آذر 1403، تاریخ بازنگری: 20 خرداد 1404، تاریخ پذیرش: 25 خرداد 1404 | ||
| چکیده | ||
| This research introduces a novel hybrid pin-blade fin architecture for lithium-ion battery thermal management systems, strategically integrating complementary fin geometries to overcome the traditional thermal-hydraulic performance trade-off. Through comprehensive 3D CFD simulations, the hybrid design achieves a remarkable dual improvement: maintaining battery temperatures below 21.5°C during 5C discharge (1°C lower than conventional designs) while reducing pressure drop by 30% compared to equivalent pin-fin configurations. The investigation reveals that smaller pin diameters (2.5 mm) provide superior thermal performance, while higher blade angles (80°) significantly reduce hydraulic resistance. By combining these optimal features, the hybrid architecture delivers exceptional cooling efficiency while requiring 7% less aluminum and 66% less coolant than benchmark designs. Quantitative analysis shows that reducing pin diameters from 10 mm to 2.5 mm decreases maximum battery temperature by 0.3°C, while optimizing blade orientation angles can reduce pressure drop by up to 65 Pa at 0.2 l/min flow rate. The innovative cooling plate achieves rapid thermal stabilization within 150 seconds and sustains temperature uniformity across the battery surface. This breakthrough approach resolves the long-standing dilemma between thermal regulation and hydraulic penalties in battery cooling systems, establishing a new standard for high-performance, material-efficient thermal management in electric vehicle applications. | ||
| کلیدواژهها | ||
| Hybrid fin architecture؛ Hydraulic efficiency؛ Prismatic lithium-ion battery؛ Cold plate؛ Battery thermal management system (BTMS)؛ Computational fluid dynamics (CFD) | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| بهبود عملکرد خنک کاری باتری لیتیوم یون منشوری با استفاده از هندسه فین پره-پین با وزن ثابت | ||
| چکیده [English] | ||
| این تحقیق یک معماری نوآورانه پره هیبریدی پین-تیغه را برای سیستم های مدیریت حرارتی باتری های لیتیوم-یون معرفی میکند که با ادغام هوشمندانه هندسه های پره مکمل، مانع از تبادل سنتی عملکرد حرارتی-هیدرولیکی میشود. از طریق شبیهسازیهای جامع سهبعدی سیالات محاسباتی (CFD)، طراحی هیبریدی به بهینهسازی دوگانه فوقالعاده دست مییابد: حفظ دمای باتری زیر 21.5 درجه سانتیگراد در طول تخلیه (1درجه سانتیگراد کمتر از طراحیهای متداول) در حالی که افت فشار را 30% نسبت به پیکربندی های معادل پره پین کاهش میدهد. این بررسی نشان میدهد که قطرهای پین کوچکتر (2.5 میلیمتر) عملکرد حرارتی برتری ارائه میدهند، در حالی که زوایای تیغه بالاتر (80 درجه) مقاومت هیدرولیکی را به طور قابل توجهی کاهش میدهند. با ترکیب این ویژگیهای بهینه، معماری هیبریدی کارایی خنککنندگی استثنایی را ارائه میدهد در حالی که نیاز به 7% کمتر آلومینیوم و 66% کمتر سیال خنککننده نسبت به طراحیهای مرجع دارد. تحلیل کمی نشان میدهد که کاهش قطر پین از 10 میلیمتر به 2.5 میلیمتر، دمای حداکثر باتری را 0.3 درجه سانتیگراد کاهش میدهد، در حالی که بهینهسازی زوایای جهتگیری تیغه میتواند افت فشار را تا 65 پاسکال در نرخ جریان 0.2 لیتر بر دقیقه کاهش دهد. صفحه خنککننده نوآورانه به ثبات حرارتی سریع در مدت 150 ثانیه و یکنواختی دمایی پایدار در سطح باتری دست مییابد. این رویکرد، مسئله دیرینه بین تنظیم حرارتی و تلفات هیدرولیکی در سیستم های خنککننده باتری را حل میکند و هندسه جدیدی را برای مدیریت حرارتی با کارایی بالا و کارآمد از نظر مواد در کاربردهای خودروهای الکتریکی ایجاد میکند. | ||
| کلیدواژهها [English] | ||
| معماری پره هیبریدی, کارایی هیدرولیکی, باتری یون-لیتیوم پریسماتیک, صفحه سرد, سیستم مدیریت حرارتی باتری (BTMS), دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) | ||
| مراجع | ||
|
Abada, S., Marlair, G., Lecocq, A., Petit, M., Sauvant-Moynot, V. & Huet, F., 2016. Safety focused modeling of lithium-ion batteries: A review. Journal of Power Sources, 306, pp. 178-192. [2] Alrashdan, A., Mayyas, A. T. & AL-Hallaj, S., 2010. Thermo-mechanical behaviors of the expanded graphite-phase change material matrix used for thermal management of Li-ion battery packs. Journal of Materials Processing Technology, 210, pp. 174-179. [3] Cuma, M. U. & Koroglu, T., 2015. A comprehensive review on estimation strategies used in hybrid and battery electric vehicles. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 42, pp. 517-531. [4] Deng, T., Zhang, G., Ran, Y. & Liu, P., 2019. Thermal performance of lithium ion battery pack by using cold plate. Applied Thermal Engineering, 160, 114088. [5] Duan, X. & Naterer, G., 2010. Heat transfer in phase change materials for thermal management of electric vehicle battery modules. International Journal of Heat and Mass Transfer, 53, pp. 5176-5182. [6] Hao, H., Geng, Y. & Sarkis, J., 2016. Carbon footprint of global passenger cars: Scenarios through 2050. Energy, 101, pp. 121-131. [7] Li, Y., Bai, M., Zhou, Z., Wu, W.-T., Gao, L., Li, Y., Yang, Y., Li, Y. & Song, Y., 2023. Numerical Simulations for Lithium‐Ion Battery Pack Cooled by Different Minichannel Cold Plate Arrangements. International Journal of Energy Research, 2023, 8207527. [8] Li, Y., Zhou, Z., Hu, L., Bai, M., Gao, L., Li, Y., Liu, X., Li, Y. & Song, Y., 2022. Experimental studies of liquid immersion cooling for 18650 lithium-ion battery under different discharging conditions. Case Studies in Thermal Engineering, 34, 102034. [9] Liu, H., Wei, Z., He, W. & Zhao, J., 2017. Thermal issues about Li-ion batteries and recent progress in battery thermal management systems: A review. Energy conversion and management, 150, pp. 304-330. [10] Malik, M., Dincer, I., Rosen, M. A., Mathew, M. & Fowler, M., 2018. Thermal and electrical performance evaluations of series connected Li-ion batteries in a pack with liquid cooling. Applied Thermal Engineering, 129, pp. 472-481. [11] Mohammed, A. H., Esmaeeli, R., Aliniagerdroudbari, H., Alhadri, M., Hashemi, S. R., Nadkarni, G. & Farhad, S., 2019. Dual-purpose cooling plate for thermal management of prismatic lithium-ion batteries during normal operation and thermal runaway. Applied Thermal Engineering, 160, 114106. [12] Monika, K., Chakraborty, C., Roy, S., Dinda, S., Singh, S. A. & Datta, S. P., 2021a. An improved mini-channel based liquid cooling strategy of prismatic LiFePO4 batteries for electric or hybrid vehicles. Journal of Energy Storage, 35, 102301. [13] Monika, K., Chakraborty, C., Roy, S., Dinda, S., Sinngh, S. A. & Datta, S. P., 2021b. Parametric investigation to optimize the thermal management of pouch type lithium-ion batteries with mini-channel cold plates. International Journal of Heat and Mass Transfer, 164, 120568. [14] Pesaran, A. A., 2002. Battery thermal models for hybrid vehicle simulations. Journal of power sources, 110, pp. 377-382. [15] Rabiei, M., GHarehghani, A. & Andwari, A. M., 2023. Enhancement of battery thermal management system using a novel structure of hybrid liquid cold plate. Applied Thermal Engineering, 232, 121051. [16] Rao, Z. & Zhang, X., 2019. Investigation on thermal management performance of wedge‐shaped microchannels for rectangular Li‐ion batteries. International Journal of Energy Research, 43, pp. 3876-3890. [17] Sabbah, R., Kizilel, R., Selman, J. & AL-Hallaj, S., 2008. Active (air-cooled) vs. passive (phase change material) thermal management of high power lithium-ion packs: Limitation of temperature rise and uniformity of temperature distribution. Journal of power sources, 182, pp. 630-638. [18] Saha, S., Bose, B., Garg, A., Chandra, K. P., Zhao, J., Panda, B. & Gao, L., 2024. A topology optimization for design of double input-single output battery module liquid cooling plate with improved thermal performance. Journal of Energy Storage, 97, 112750. [19] Sevilgen, G., Dursun, H. & Kılıc, M., 2023. Experimental and numerical investigations on the thermal performance of three different cold plates designed for the electrical vehicle battery module. Sustainability, 15, 14162. [20] Sheng, L., Su, L., Zhang, H., Li, K., Fang, Y., Ye, W. & Fang, Y., 2019. Numerical investigation on a lithium ion battery thermal management utilizing a serpentine-channel liquid cooling plate exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer, 141, pp. 658-668. [21] Sun, R., Lu, K. & Cheng, J., 2023. Performance study of battery thermal management system with a bionic cooling plate based on leaf vein channels of plantain. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 15, 121003-1. [22] Wang, J., Gan, Y., Liang, J., Tan, M. & Li, Y., 2019. Sensitivity analysis of factors influencing a heat pipe-based thermal management system for a battery module with cylindrical cells. Applied Thermal Engineering, 151, pp. 475-485. [23] Wang, Q., Ping, P., Zhao, X., Chu, G., Sun, J. & Chen, C., 2012. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery. Journal of power sources, 208, pp. 210-224. [24] Wang, T., Tseng, K., Zhao, J. & Wei, Z., 2014. Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air-cooling strategies. Applied energy, 134, pp. 229-238. [25] Wu, C., Ni, J., Shi, X. & Huang, R., 2024. A new design of cooling plate for liquid-cooled battery thermal management system with variable heat transfer path. Applied Thermal Engineering, 239, 122107. [26] Wu, W., Wang, S., Wu, W., Chen, K., Hong, S. & Lai, Y., 2019. A critical review of battery thermal performance and liquid based battery thermal management. Energy conversion and management, 182, pp. 262-281. [27] Zhan, S., Liang, L., Li, Z., Yu, C. & Wang, F., 2024. Topology optimization of liquid cooling plate for lithium battery heat dissipation based on a bionic leaf-vein structure. International Journal of Heat and Mass Transfer, 231, 125898. [28] Zhong, Q., Chanra, P. K., Li, W., Gao, L., Garg, A., Lv, S. & Tai, K., 2024. A comprehensive numerical study based on topology optimization for cooling plates thermal design of battery packs. Applied Thermal Engineering, 236, 121918. [29] Zhu, J., Wang, J., Cheng, D., Mao, J. & Zhang, K., 2024. Numerical investigation and parameter optimization on a rib-grooved liquid-cooled plate for lithium battery thermal management system. Journal of Energy Storage, 85, 111085. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 556 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 5 |
||