LIB thermal regulation with PCM
Abstract
Litium-ionbatterier (LIB) øker i etterspørsel og etter hvert som de blir tilpasset flerebruksområder må også kjøleteknologien tilpasses. Revolve NTNU er en studentorganisasjonsom designer og konstruerer elektriske racerbiler for banekonkurranser. De bygger ny bil hvertår og de leter alltid etter måter å forbedre bilen. Denne bacheloroppgaven utforsker hvordanfaseendringsmaterialer (PCM) kan brukes til termisk regulering av LIB-er. Hovedmålene i dettebachelorprosjektet var å undersøke muligheten for å erstatte tradisjonelle metoder som f.eks luft-og vannkjøling med PCM-kjøling og for å teste PCMs brannforebyggende egenskaper.
I løpet av semesteret ble det gjennomført fire hovedtester/eksperimenter. Den første testen varen varmekapasitetstest av både celle og PCM for å fastslå at produsentens data samsvarte medegne funn. Med fakta om varmekapasitet i PCM og LIB kan dimensjonering for mengden varmesom må fjernes for trygg og effektiv drift beregnes.
Den andre testen var lasttesting fra en faktisk løpsbelastning. Denne testen ble utført for åsamle inn data om kjøleevnen til PCM og lyktes i å etablere et klart mønster av tilfredsstillendekjøleytelse.
Den tredje testen som ble utført var en intern motstandstest. Hovedmålet med denne testen varå fastslå ved hvilken temperatur cellene har optimal virkningsgrad. Når man kjenner til optimalvirkningsgrad og driftstemperatur gjør det mulig å balansere effektivitet med aldring for å oppnålengre levetid for batteriet.
Den fjerde testen var en termisk nedsmelting hvor hovedmålene var å etablere brann-forebyggendeegenskaper til den valgte PCM og samle data som viser når omtrentlig ved hvilken temperaturtermisk nedsmelting starter. Kun én av tenningsmetodene klarte å utløse termisk nedsmelting,og PCM-en klarte ikke å stoppe brannen. Testene viste at PCM-en var i stand til å reduseretiden det tok for de andre cellene tok fyr, men at en mer kompakt utforming av cellespakken varnødvendig.
Som konklusjon kan dataene samlet i denne bacheloroppgaven brukes pålitelig til å gjennomføredimensjonering av PCM for kjøling av Melastas litium-ion-celler. Fordelene med å bruke PCMkjøling sammenlignet med luftkjølingssystemet i den eksisterende Revolve bilen er betydelige ogkan øke bilens ytelse. Lithium ion batteries (LIB) are in increasing demand and as they get adapted for moreapplications, and so must the cooling technology adapt. Revolve NTNU is a student organisationthat designs and constructs electric race cars for track competitions. This is a yearly build andthey are always looking for ways to improve the cars performance. This bachelors thesis exploreshow phase change materials (PCM) can be used for thermal regulation of LIBs. The main goalsof this bachelors project were to investigate the feasibility of replacing traditional methods suchas air- and water cooling with PCM cooling and to test the fire prevention capabilities of PCM.
During the course of the semester, four main tests and experiments were conducted. The firsttest was a heat capacity test of both cell and PCM to establish that the manufacturer datamatched our own findings. Subsequently, dimensioning for the amount of heat that needed tobe removed for safe and efficient operating conditions could be calculated.
The second test was load testing from an actual race load. This test was conducted to collectdata on the cooling capabilities of the PCM and was successful in establishing a clear pattern ofsatisfactory cooling performance.
The third test conducted was an internal resistance test. The main goal of this test was toestablish at which temperature the cell efficiency was optimal. Knowing the peak efficiencyoperating temperature allows for balancing efficiency with ageing to achieve longer cycle life.It was found that the optimal operating temperature for the cells was 35◦C and above, whichmatches the PTT of the PCM.
The fourth test was a thermal runaway test where the main goals were to establish the fireprevention capabilities of the chosen PCM and get an approximate temperature at which thermalrunaway starts. Only one of the ignition methods manged to trigger thermal runaway and PCMwas unable to stop the fire. The tests showed that the PCM was able to reduce the time it tookfor the other cells to catch fire, but that a more compact design of the cell stack was needed.
In conclusion, the data gathered in this bachelors thesis could be reliably used to conductdimensioning of PCM for cooling the Melasta lithium ion cells. The benefits of using PCMcooling compared to the air cooling system in the existing Revolve race car are substantial andcould increase the performance of the car.