EXPERIMENTAL AND NUMERICAL ANALYSIS ON THE THERMAL MANAGEMENT SYSTEM OF LI-ION BATTERY MODULE WITH FERROFLUID

Abstract

Currently, Lithium-ion batteries are popular because of their higher efficiency compared to other types of batteries but are prone to fire from overheating, less efficient after prolonged use and any connected circuit module will also be damaged. In this research, a concept to design a thermal management system in a lithium-ion battery module with Ferrofluid is introduced. The module is created by using 60 units of type 18650 lithium-ion batteries connected to a 6S10P circuit. An average current of 4A for the charge and discharge test was used with water coolant and Ferrofluid coolant through the flow port in the cooling system test section. There were two models of coolant flow for one direction, divided into Model One and Model Two. The results showed that the temperature of the battery can be reduced by approximately 10°C and the lithium-ion battery temperature can be controlled within the temperature range of 28-30°C, where Model One made the battery temperature 1.84% lower than that of model Two, and the Ferrofluid coolant made the battery temperature 6.69% lower than the water. It was consistent with the experiment results in Model One and Model Two, with a difference of not more than 2.17%, and flowing into the system in two directions, it was found that Model Five was able to reduce the temperature of the lithium-ion battery most effectively compared to all five models.

ในปัจจุบันแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย ด้วยประสิทธิภาพที่สูงกว่าแบตเตอรี่ชนิดอื่น แต่การใช้งานแบตเตอรี่เป็นระยะเวลานาน ส่งผลให้แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนมีประสิทธิภาพลดลง อีกทั้งยังมีโอกาสเกิดไฟไหม้มากกว่าแบตเตอรี่ชนิดอื่นอีกด้วย ซึ่งการใช้งานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน อาจส่งผลให้เกิดความร้อนสะสมจนเกิดความร้อนสูงขึ้นแบบเฉียบพลัน หากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนต่อวงจรเป็นโมดูลจะส่งผลให้เกิดความเสียหายเป็นอย่างมากเช่นกัน ในงานวิจัยนี้จึงได้แนวคิดที่ออกแบบระบบการจัดการความร้อนในโมดูลแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนด้วยของไหลเฟอร์โร โดยใช้แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนชนิด 18650 จำนวน 60 ก้อน มาต่อวงจรแบบ 6S10P เพื่อสร้างเป็นโมดูล ทดสอบการอัดและคายประจุไฟฟ้าเฉลี่ย 4A ด้วยสารหล่อเย็นน้ำและของไหลเฟอร์โรผ่านช่องการไหลในชุดทดสอบระบบระบายความร้อน โดยมีรูปแบบการไหลของสารหล่อเย็นแบบไหลเข้าทางเดียว 2 รูปแบบแบ่งเป็นโมเดล 1 และโมเดล 2 ผลการทดลองพบว่าสามารถลดลงอุณหภูมิของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนลงได้ประมาณ 10°C และสามารถควบคุมอุณหภูมิของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนให้อยู่ในช่วงอุณหภูมิ 28-30°C โดยที่โมเดล 1 ทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนต่ำกว่าโมเดล 2 ที่ 1.84% และของไหลเฟอร์โรทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนต่ำกว่าน้ำ 6.69% และผลคำตอบจากการวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวนมีความสอดคล้องกับผลการทดลองในโมเดล 1 และโมเดล 2 โดยมีความแตกต่างกันไม่เกิน 2.17% และจากการวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวนเพื่อปรับปรุงแบบในโมเดลที่ 3,4 และ 5 ที่เป็นการไหลของสารหล่อเย็นแบบไหลเข้าระบบ 2 ทาง พบว่าโมเดล 5 สามารถลดอุณหภูมิของแบตเตอรี่ได้ดีที่สุดเมื่อเทียบทั้ง 5 โมเดล