본 연구의 목적은 절연유체 액침 냉각 기술을 적용한 전기 자동차용 배터리 셀 및 배터리 팩의 직접 냉각 성능 특성을 분석하는 것이다. 논문의 구성은 탭 냉각이 포함된 절연유체 액침 냉각 기술을 적용한 단일 리튬 이온파우치 셀의 열적 성능의 특징에 대한 분석과 50 V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능 특성에 대한 연구로 구성되어 있다. 첫번째, 단일 리튬 이온 파우치 셀에 대한 열-전기화학적 모델을 제안하였고 냉각조건 및 셀 작동조건에 따른 열적 성능을 분석하였다. 리튬 이온 파우치 셀의 최적 냉각방식을 선정하기 위하여 ...
본 연구의 목적은 절연유체 액침 냉각 기술을 적용한 전기 자동차용 배터리 셀 및 배터리 팩의 직접 냉각 성능 특성을 분석하는 것이다. 논문의 구성은 탭 냉각이 포함된 절연유체 액침 냉각 기술을 적용한 단일 리튬 이온파우치 셀의 열적 성능의 특징에 대한 분석과 50 V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능 특성에 대한 연구로 구성되어 있다. 첫번째, 단일 리튬 이온 파우치 셀에 대한 열-전기화학적 모델을 제안하였고 냉각조건 및 셀 작동조건에 따른 열적 성능을 분석하였다. 리튬 이온 파우치 셀의 최적 냉각방식을 선정하기 위하여 자연대류, 절연유체 액침 냉각 그리고 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식에 따른 온도특성을 실험적으로 분석하였다. 실험 결과, 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식을 적용한 경우 자연대류 및 DFIC와 비교하여 셀의 양극 탭에서 최대 온도가 70.8% (23.9 ℃) 및 27.1% (9.3°C) 감소한 것으로 나타났다. 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식을 적용한 리튬 이온 파우치 셀의 열-전기화학적 모델은 Newman, Tiedemann, Gu and Kim (NTGK) 모델을 적용한 MSMD (Multi-Scale Multi-Domain) 접근법에 기반하여 사용되었으며, 열-전기화학적 모델은 3차원 열 모델링의 통합과 서브스케일 전기화학 모델링을 위한 배터리 모델 매개변수를 실험적으로 추정하여 사용하였다. 결론적으로 제안된 리튬 이온 배터리 셀용 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식의 수치해석적 구현을 위하여 개발된 열-전기화학적 모델은 예측한 온도 및 전압에 대한 편차가 실험 데이터의 ±5% 이내로 검증되었다. 개발된 리튬 이온 파우치 셀의 열-전기화학적 모델을 사용하여, 단일 리튬 이온 파우치 셀의 온도 특성에 대한 유동 패턴, 방전율, 기류 속도, 절연유체의 유동 방향, 절연유체 온도 및 기류 매개 변수의 영향을 분석하였다. 단일 리튬 이온 파우치 셀의 온도 특성을 분석하기 위하여 다양한 매개 변수에 따른 셀 최대 온도, 온도 균일도 및 열 제거율을 계산하여 비교하였다. 결론적으로 탭에서 반대되는 절연유체의 유동 방향 조건에서 절연유체의 열 제거율은 6.26 W로 최대로 나타났다. 그리고 방전율 3C 조건에서 절연유체의 최대 셀 온도 및 온도 균일도는 절연유체 질량유량이 0.0462 kg/s 그리고 탭 냉각을 위한 공기 유속이 5 m/s 일 때 각각 40°C 및 5°C로 최적 성능을 나타내었다. 두번째, 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식을 적용한 50V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능을 평가하기 위하여 앞서 제안된 열-전기화학적 모델을 확장하였다. 50V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능은 온도 분포, 속도 분포, Nusselt 수 변화 및 압력 강하 변화를 고려하여 분석하였다. 결론적으로 3C 방전율 조건에서 펌프 출력 6.52 W로 냉각 유로를 구동한 경우 50V 리튬 이온 배터리 팩의 최대 온도를 40.0°C 이하로 유지 할 수 있었다. 5C의 고방전율 조건에서는 배터리 팩의 최대 온도를 40.0°C 이하로 유지하기 위하여 3C 방전율 조건의 12.5배인 81.7 W의 펌프 출력이 필요하였다. 그리고 50V 리튬 이온 배터리 팩의 온도 분포도는 0.0462 kg/s 이상의 절연유체 질량 유량 조건에서 5.0°C 이하로 유지하였다.제안된 탭 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식을 적용한 경우 최대 배터리 팩 온도는 물 및 에틸렌글리콜을 사용한 간접 냉각 방식과 비교하여 9.3% 낮은 결과를 나타내어 기존 냉각 방식과 비교하여 향상된 냉각 성능을 확인하였다. −15°C의 혹서조건에서 1C로 방전시킨 경우 25°C 의 절연유체 및 공기를 적용한 50V 리튬 이온 배터리 팩의 평균 온도는 540초 후 25.3°C에서 평형 온도에 도달하였다. 내부단락에 의한 열남용 조건에서 50V 리튬 이온 배터리 팩의 최대 온도는 341.7°C까지 증가하였으나, 배터리 팩을 구성하는 14개의 배터리 셀 중 가운데 1개 셀만 영향을 받았으며 나머지 배터리 셀은 40.0°C 이하로 유지되었다. 요약하며, 본 연구는 고집적 고발열 장치인 전기 자동차용 배터리의 열관리를 위하여 리튬 이온 배터리 및 배터리 팩에 대한 안전하고 효율적인 열관리 기술으로 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각을 제안하고 입증하였다. 본 연구의 목적은 절연유체 액침 냉각 기술을 적용한 전기 자동차용 배터리 셀 및 배터리 팩의 직접 냉각 성능 특성을 분석하는 것이다. 논문의 구성은 탭 냉각이 포함된 절연유체 액침 냉각 기술을 적용한 단일 리튬 이온 파우치 셀의 열적 성능의 특징에 대한 분석과 50 V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능 특성에 대한 연구로 구성되어 있다. 첫번째, 단일 리튬 이온 파우치 셀에 대한 열-전기화학적 모델을 제안하였고 냉각조건 및 셀 작동조건에 따른 열적 성능을 분석하였다. 리튬 이온 파우치 셀의 최적 냉각방식을 선정하기 위하여 자연대류, 절연유체 액침 냉각 그리고 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식에 따른 온도특성을 실험적으로 분석하였다. 실험 결과, 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식을 적용한 경우 자연대류 및 DFIC와 비교하여 셀의 양극 탭에서 최대 온도가 70.8% (23.9 ℃) 및 27.1% (9.3°C) 감소한 것으로 나타났다. 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식을 적용한 리튬 이온 파우치 셀의 열-전기화학적 모델은 Newman, Tiedemann, Gu and Kim (NTGK) 모델을 적용한 MSMD (Multi-Scale Multi-Domain) 접근법에 기반하여 사용되었으며, 열-전기화학적 모델은 3차원 열 모델링의 통합과 서브스케일 전기화학 모델링을 위한 배터리 모델 매개변수를 실험적으로 추정하여 사용하였다. 결론적으로 제안된 리튬 이온 배터리 셀용 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식의 수치해석적 구현을 위하여 개발된 열-전기화학적 모델은 예측한 온도 및 전압에 대한 편차가 실험 데이터의 ±5% 이내로 검증되었다. 개발된 리튬 이온 파우치 셀의 열-전기화학적 모델을 사용하여, 단일 리튬 이온 파우치 셀의 온도 특성에 대한 유동 패턴, 방전율, 기류 속도, 절연유체의 유동 방향, 절연유체 온도 및 기류 매개 변수의 영향을 분석하였다. 단일 리튬 이온 파우치 셀의 온도 특성을 분석하기 위하여 다양한 매개 변수에 따른 셀 최대 온도, 온도 균일도 및 열 제거율을 계산하여 비교하였다. 결론적으로 탭에서 반대되는 절연유체의 유동 방향 조건에서 절연유체의 열 제거율은 6.26 W로 최대로 나타났다. 그리고 방전율 3C 조건에서 절연유체의 최대 셀 온도 및 온도 균일도는 절연유체 질량유량이 0.0462 kg/s 그리고 탭 냉각을 위한 공기 유속이 5 m/s 일 때 각각 40°C 및 5°C로 최적 성능을 나타내었다. 두번째, 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식을 적용한 50V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능을 평가하기 위하여 앞서 제안된 열-전기화학적 모델을 확장하였다. 50V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능은 온도 분포, 속도 분포, Nusselt 수 변화 및 압력 강하 변화를 고려하여 분석하였다. 결론적으로 3C 방전율 조건에서 펌프 출력 6.52 W로 냉각 유로를 구동한 경우 50V 리튬 이온 배터리 팩의 최대 온도를 40.0°C 이하로 유지 할 수 있었다. 5C의 고방전율 조건에서는 배터리 팩의 최대 온도를 40.0°C 이하로 유지하기 위하여 3C 방전율 조건의 12.5배인 81.7 W의 펌프 출력이 필요하였다. 그리고 50V 리튬 이온 배터리 팩의 온도 분포도는 0.0462 kg/s 이상의 절연유체 질량 유량 조건에서 5.0°C 이하로 유지하였다.제안된 탭 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식을 적용한 경우 최대 배터리 팩 온도는 물 및 에틸렌글리콜을 사용한 간접 냉각 방식과 비교하여 9.3% 낮은 결과를 나타내어 기존 냉각 방식과 비교하여 향상된 냉각 성능을 확인하였다. −15°C의 혹서조건에서 1C로 방전시킨 경우 25°C 의 절연유체 및 공기를 적용한 50V 리튬 이온 배터리 팩의 평균 온도는 540초 후 25.3°C에서 평형 온도에 도달하였다. 내부단락에 의한 열남용 조건에서 50V 리튬 이온 배터리 팩의 최대 온도는 341.7°C까지 증가하였으나, 배터리 팩을 구성하는 14개의 배터리 셀 중 가운데 1개 셀만 영향을 받았으며 나머지 배터리 셀은 40.0°C 이하로 유지되었다. 요약하며, 본 연구는 고집적 고발열 장치인 전기 자동차용 배터리의 열관리를 위하여 리튬 이온 배터리 및 배터리 팩에 대한 안전하고 효율적인 열관리 기술으로 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각을 제안하고 입증하였다.
본 연구의 목적은 절연유체 액침 냉각 기술을 적용한 전기 자동차용 배터리 셀 및 배터리 팩의 직접 냉각 성능 특성을 분석하는 것이다. 논문의 구성은 탭 냉각이 포함된 절연유체 액침 냉각 기술을 적용한 단일 리튬 이온 파우치 셀의 열적 성능의 특징에 대한 분석과 50 V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능 특성에 대한 연구로 구성되어 있다. 첫번째, 단일 리튬 이온 파우치 셀에 대한 열-전기화학적 모델을 제안하였고 냉각조건 및 셀 작동조건에 따른 열적 성능을 분석하였다. 리튬 이온 파우치 셀의 최적 냉각방식을 선정하기 위하여 자연대류, 절연유체 액침 냉각 그리고 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식에 따른 온도특성을 실험적으로 분석하였다. 실험 결과, 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식을 적용한 경우 자연대류 및 DFIC와 비교하여 셀의 양극 탭에서 최대 온도가 70.8% (23.9 ℃) 및 27.1% (9.3°C) 감소한 것으로 나타났다. 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식을 적용한 리튬 이온 파우치 셀의 열-전기화학적 모델은 Newman, Tiedemann, Gu and Kim (NTGK) 모델을 적용한 MSMD (Multi-Scale Multi-Domain) 접근법에 기반하여 사용되었으며, 열-전기화학적 모델은 3차원 열 모델링의 통합과 서브스케일 전기화학 모델링을 위한 배터리 모델 매개변수를 실험적으로 추정하여 사용하였다. 결론적으로 제안된 리튬 이온 배터리 셀용 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식의 수치해석적 구현을 위하여 개발된 열-전기화학적 모델은 예측한 온도 및 전압에 대한 편차가 실험 데이터의 ±5% 이내로 검증되었다. 개발된 리튬 이온 파우치 셀의 열-전기화학적 모델을 사용하여, 단일 리튬 이온 파우치 셀의 온도 특성에 대한 유동 패턴, 방전율, 기류 속도, 절연유체의 유동 방향, 절연유체 온도 및 기류 매개 변수의 영향을 분석하였다. 단일 리튬 이온 파우치 셀의 온도 특성을 분석하기 위하여 다양한 매개 변수에 따른 셀 최대 온도, 온도 균일도 및 열 제거율을 계산하여 비교하였다. 결론적으로 탭에서 반대되는 절연유체의 유동 방향 조건에서 절연유체의 열 제거율은 6.26 W로 최대로 나타났다. 그리고 방전율 3C 조건에서 절연유체의 최대 셀 온도 및 온도 균일도는 절연유체 질량유량이 0.0462 kg/s 그리고 탭 냉각을 위한 공기 유속이 5 m/s 일 때 각각 40°C 및 5°C로 최적 성능을 나타내었다. 두번째, 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식을 적용한 50V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능을 평가하기 위하여 앞서 제안된 열-전기화학적 모델을 확장하였다. 50V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능은 온도 분포, 속도 분포, Nusselt 수 변화 및 압력 강하 변화를 고려하여 분석하였다. 결론적으로 3C 방전율 조건에서 펌프 출력 6.52 W로 냉각 유로를 구동한 경우 50V 리튬 이온 배터리 팩의 최대 온도를 40.0°C 이하로 유지 할 수 있었다. 5C의 고방전율 조건에서는 배터리 팩의 최대 온도를 40.0°C 이하로 유지하기 위하여 3C 방전율 조건의 12.5배인 81.7 W의 펌프 출력이 필요하였다. 그리고 50V 리튬 이온 배터리 팩의 온도 분포도는 0.0462 kg/s 이상의 절연유체 질량 유량 조건에서 5.0°C 이하로 유지하였다.제안된 탭 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식을 적용한 경우 최대 배터리 팩 온도는 물 및 에틸렌글리콜을 사용한 간접 냉각 방식과 비교하여 9.3% 낮은 결과를 나타내어 기존 냉각 방식과 비교하여 향상된 냉각 성능을 확인하였다. −15°C의 혹서조건에서 1C로 방전시킨 경우 25°C 의 절연유체 및 공기를 적용한 50V 리튬 이온 배터리 팩의 평균 온도는 540초 후 25.3°C에서 평형 온도에 도달하였다. 내부단락에 의한 열남용 조건에서 50V 리튬 이온 배터리 팩의 최대 온도는 341.7°C까지 증가하였으나, 배터리 팩을 구성하는 14개의 배터리 셀 중 가운데 1개 셀만 영향을 받았으며 나머지 배터리 셀은 40.0°C 이하로 유지되었다. 요약하며, 본 연구는 고집적 고발열 장치인 전기 자동차용 배터리의 열관리를 위하여 리튬 이온 배터리 및 배터리 팩에 대한 안전하고 효율적인 열관리 기술으로 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각을 제안하고 입증하였다. 본 연구의 목적은 절연유체 액침 냉각 기술을 적용한 전기 자동차용 배터리 셀 및 배터리 팩의 직접 냉각 성능 특성을 분석하는 것이다. 논문의 구성은 탭 냉각이 포함된 절연유체 액침 냉각 기술을 적용한 단일 리튬 이온 파우치 셀의 열적 성능의 특징에 대한 분석과 50 V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능 특성에 대한 연구로 구성되어 있다. 첫번째, 단일 리튬 이온 파우치 셀에 대한 열-전기화학적 모델을 제안하였고 냉각조건 및 셀 작동조건에 따른 열적 성능을 분석하였다. 리튬 이온 파우치 셀의 최적 냉각방식을 선정하기 위하여 자연대류, 절연유체 액침 냉각 그리고 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식에 따른 온도특성을 실험적으로 분석하였다. 실험 결과, 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식을 적용한 경우 자연대류 및 DFIC와 비교하여 셀의 양극 탭에서 최대 온도가 70.8% (23.9 ℃) 및 27.1% (9.3°C) 감소한 것으로 나타났다. 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식을 적용한 리튬 이온 파우치 셀의 열-전기화학적 모델은 Newman, Tiedemann, Gu and Kim (NTGK) 모델을 적용한 MSMD (Multi-Scale Multi-Domain) 접근법에 기반하여 사용되었으며, 열-전기화학적 모델은 3차원 열 모델링의 통합과 서브스케일 전기화학 모델링을 위한 배터리 모델 매개변수를 실험적으로 추정하여 사용하였다. 결론적으로 제안된 리튬 이온 배터리 셀용 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식의 수치해석적 구현을 위하여 개발된 열-전기화학적 모델은 예측한 온도 및 전압에 대한 편차가 실험 데이터의 ±5% 이내로 검증되었다. 개발된 리튬 이온 파우치 셀의 열-전기화학적 모델을 사용하여, 단일 리튬 이온 파우치 셀의 온도 특성에 대한 유동 패턴, 방전율, 기류 속도, 절연유체의 유동 방향, 절연유체 온도 및 기류 매개 변수의 영향을 분석하였다. 단일 리튬 이온 파우치 셀의 온도 특성을 분석하기 위하여 다양한 매개 변수에 따른 셀 최대 온도, 온도 균일도 및 열 제거율을 계산하여 비교하였다. 결론적으로 탭에서 반대되는 절연유체의 유동 방향 조건에서 절연유체의 열 제거율은 6.26 W로 최대로 나타났다. 그리고 방전율 3C 조건에서 절연유체의 최대 셀 온도 및 온도 균일도는 절연유체 질량유량이 0.0462 kg/s 그리고 탭 냉각을 위한 공기 유속이 5 m/s 일 때 각각 40°C 및 5°C로 최적 성능을 나타내었다. 두번째, 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각방식을 적용한 50V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능을 평가하기 위하여 앞서 제안된 열-전기화학적 모델을 확장하였다. 50V 리튬 이온 배터리 팩의 열유동 성능은 온도 분포, 속도 분포, Nusselt 수 변화 및 압력 강하 변화를 고려하여 분석하였다. 결론적으로 3C 방전율 조건에서 펌프 출력 6.52 W로 냉각 유로를 구동한 경우 50V 리튬 이온 배터리 팩의 최대 온도를 40.0°C 이하로 유지 할 수 있었다. 5C의 고방전율 조건에서는 배터리 팩의 최대 온도를 40.0°C 이하로 유지하기 위하여 3C 방전율 조건의 12.5배인 81.7 W의 펌프 출력이 필요하였다. 그리고 50V 리튬 이온 배터리 팩의 온도 분포도는 0.0462 kg/s 이상의 절연유체 질량 유량 조건에서 5.0°C 이하로 유지하였다.제안된 탭 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각 방식을 적용한 경우 최대 배터리 팩 온도는 물 및 에틸렌글리콜을 사용한 간접 냉각 방식과 비교하여 9.3% 낮은 결과를 나타내어 기존 냉각 방식과 비교하여 향상된 냉각 성능을 확인하였다. −15°C의 혹서조건에서 1C로 방전시킨 경우 25°C 의 절연유체 및 공기를 적용한 50V 리튬 이온 배터리 팩의 평균 온도는 540초 후 25.3°C에서 평형 온도에 도달하였다. 내부단락에 의한 열남용 조건에서 50V 리튬 이온 배터리 팩의 최대 온도는 341.7°C까지 증가하였으나, 배터리 팩을 구성하는 14개의 배터리 셀 중 가운데 1개 셀만 영향을 받았으며 나머지 배터리 셀은 40.0°C 이하로 유지되었다. 요약하며, 본 연구는 고집적 고발열 장치인 전기 자동차용 배터리의 열관리를 위하여 리튬 이온 배터리 및 배터리 팩에 대한 안전하고 효율적인 열관리 기술으로 탭 냉각 팬이 있는 절연유체 액침 냉각을 제안하고 입증하였다.
The objective of this study is to investigate direct cooling performance characteristics of battery and battery pack for electric vehicles using dielectric fluid immersion cooling technology. This thesis consists of two parts. The first part was on the thermal performance characteristics of a single...
The objective of this study is to investigate direct cooling performance characteristics of battery and battery pack for electric vehicles using dielectric fluid immersion cooling technology. This thesis consists of two parts. The first part was on the thermal performance characteristics of a single lithium-ion pouch cell using dielectric fluid immersion cooling assisted with tab cooling. The second part was on the thermal and flow performance characteristics of a 50V lithium-ion battery pack. Firstly, the electrochemical-thermal model for a single lithium ion pouch cell was developed and thermal performance according to cooling conditions and operating conditions were analyzed. The experimental results showed that Li-ion pouch cell immersed in flowing dielectric fluid assisted with tab cooling showed better cooling performance with 46.8% reduction in the maximum temperature at the positive tab compared to natural convection at 3C discharge rate. The electrochemical-thermal model of Li-ion pouch cell immersed in flowing dielectric fluid assisted with tab cooling was developed using Multi-Scale Multi-Domain (MSMD) approach with Newman, Tiedemann, Gu, and Kim (NTGK) model. The temperature and voltage predictions of the developed electrochemical-thermal model for the lithium-ion pouch cell were validated within ±5% variation of the experimental data. To analyze thermal performance of the lithium-ion pouch cell, the maximum temperature, temperature difference and heat removal rate were compared. As a result, the dielectric fluid flow direction opposite to the tab end was suggested as the heat removal rate of 6.26W at 3C discharge rate was observed, which was 3.8% higher compared to the case of dielectric fluid flow from the tab end. Subsequently, with developed electrochemical-thermal model the thermal and flow performances of the 50V lithium-ion battery pack using the dielectric fluid immersion cooling assisted with tab cooling technology were evaluated. The results revealed that, the maximum temperature of the 50V lithium-ion battery pack was maintained below 40.0°C at 3C discharge rate with ideal pumping power of 6.52W, however, under high discharge rate condition of 5C, the pumping power increased 12.5 times to 81.5W. With the application of the proposed dielectric fluid immersion cooling assisted with tab cooling technology, the maximum battery pack temperature was 9.3% lower than the indirect cooling method with water-ethylene glycol, confirming the improved cooling performance compared to the conventional cooling method. Under subzero temperature condition of −15°C at 1C discharge rate, the average temperature of the 50V lithium-ion battery pack reached the equilibrium temperature of 25.3°C after 540s for the inlet temperatures of dielectric fluid flow and airflow of 25°C, respectively. Under thermal abuse condition with internal short circuit, the peak temperature of 341.7°C was observed for the battery pack and thermal runaway of battery pack was prevented except the affected cell. To summarize, this study demonstrated the dielectric fluid immersion cooling assisted with tab cooling as a safe and efficient thermal management technology for high-density and high capacity lithium-ion battery and battery pack application in electric vehicles.
The objective of this study is to investigate direct cooling performance characteristics of battery and battery pack for electric vehicles using dielectric fluid immersion cooling technology. This thesis consists of two parts. The first part was on the thermal performance characteristics of a single lithium-ion pouch cell using dielectric fluid immersion cooling assisted with tab cooling. The second part was on the thermal and flow performance characteristics of a 50V lithium-ion battery pack. Firstly, the electrochemical-thermal model for a single lithium ion pouch cell was developed and thermal performance according to cooling conditions and operating conditions were analyzed. The experimental results showed that Li-ion pouch cell immersed in flowing dielectric fluid assisted with tab cooling showed better cooling performance with 46.8% reduction in the maximum temperature at the positive tab compared to natural convection at 3C discharge rate. The electrochemical-thermal model of Li-ion pouch cell immersed in flowing dielectric fluid assisted with tab cooling was developed using Multi-Scale Multi-Domain (MSMD) approach with Newman, Tiedemann, Gu, and Kim (NTGK) model. The temperature and voltage predictions of the developed electrochemical-thermal model for the lithium-ion pouch cell were validated within ±5% variation of the experimental data. To analyze thermal performance of the lithium-ion pouch cell, the maximum temperature, temperature difference and heat removal rate were compared. As a result, the dielectric fluid flow direction opposite to the tab end was suggested as the heat removal rate of 6.26W at 3C discharge rate was observed, which was 3.8% higher compared to the case of dielectric fluid flow from the tab end. Subsequently, with developed electrochemical-thermal model the thermal and flow performances of the 50V lithium-ion battery pack using the dielectric fluid immersion cooling assisted with tab cooling technology were evaluated. The results revealed that, the maximum temperature of the 50V lithium-ion battery pack was maintained below 40.0°C at 3C discharge rate with ideal pumping power of 6.52W, however, under high discharge rate condition of 5C, the pumping power increased 12.5 times to 81.5W. With the application of the proposed dielectric fluid immersion cooling assisted with tab cooling technology, the maximum battery pack temperature was 9.3% lower than the indirect cooling method with water-ethylene glycol, confirming the improved cooling performance compared to the conventional cooling method. Under subzero temperature condition of −15°C at 1C discharge rate, the average temperature of the 50V lithium-ion battery pack reached the equilibrium temperature of 25.3°C after 540s for the inlet temperatures of dielectric fluid flow and airflow of 25°C, respectively. Under thermal abuse condition with internal short circuit, the peak temperature of 341.7°C was observed for the battery pack and thermal runaway of battery pack was prevented except the affected cell. To summarize, this study demonstrated the dielectric fluid immersion cooling assisted with tab cooling as a safe and efficient thermal management technology for high-density and high capacity lithium-ion battery and battery pack application in electric vehicles.
주제어
#Lithium-ion battery Direct cooling Dielectric fluid Electric vehicle Immersion cooling Thermal performance
학위논문 정보
저자
마헤쉬 수레쉬 파티르
학위수여기관
동아대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
기계공학과
지도교수
이무연
발행연도
2021
키워드
Lithium-ion battery Direct cooling Dielectric fluid Electric vehicle Immersion cooling Thermal performance
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.