Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Modelling of battery cooling for Formula Student application: 3D Simulation of air cooled lithium-ion battery with COMSOL Multiphysics®, applied on 2016 years KTH Formula Student car “EV12e”
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
2016 (English)Independent thesis Basic level (degree of Bachelor), 10 credits / 15 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Electric and hybrid cars is one of the technologies to reduce the uses of fossil fuel. What is common with an electric car and a hybrid car is the use of battery to store electrical energy. To sustain high performance, long lifetime and to keep high safety in an electric vehicle it’s very important to control the temperature of the battery cells. Therefore it’s important to have a sufficient and well-designed cooling system that can keep the battery cells within recommended temperature range when the car is driving.

In this thesis, battery cooling and battery heat generation in the KTH formula student car “EV12e” are simulated and analyzed. The first part is to modulate the heat production that can occur when driving the car at the formula student competition. The second part is analyzing predesigned air-cooling.

The “Thévenin Equivalent circuit” was used as battery model with a fixed value of cells internal resistance, the heat was approximated with Joule heating and the internal chemical heating was neglected. By using logged data from last year’s car “EV11e” on Silverstone 2015, a drive cycle could be estimated for EV12e with driving time and by using a parametric study of driving behavior. To simulate the airflow and heat transfer in cooling channels the software “COMSOL Multiphysics®”. Simplified geometric structure of the battery and cooling channels were imported to the software together with parameters specified from the car “EV12e”. This data was then used to simulate the temperature changes in the battery.

The result showed that the battery generates 0.8-1.4MJ heating at 500-900W, for driving time of 25 minutes and a specific driving behavior. When driving at 500W output power under outdoor temperature of 30 o C, the maximum temperature of the battery reaches 49 o C at the end of the race. If the driver uses the maximum theoretical power output, the internal heating can come up to 950W after 25 min driving and reaches temperature of 64 o C with the initial and outdoor temperature of 25 o C.

The pre-designed air cooling can manage to keep the battery temperature under the maximum allowable battery cell temperature with the outdoor temperature at 25 o C or lower. If the outdoor temperature is higher than 25 o C the driver will have to consider the battery temperature when driving and should avoid quick accelerations.

Abstract [sv]

Eldrivna bilar och elhybridbilar är en av de tekniska lösningarna för att minska användandet av fossila bränslen. Gemensamt för el och hybridbilar är att båda använder sig av batterier för att lagra elektrisk energi. För att erhålla bra prestanda, livslängd och säkerhet i ett eldrivet fordon är batteriernas temperatur en mycket avgörande faktor. För att undvika att temperaturen blir allt för hög i battericellerna behövs ett väldesignat kylsystem för att ta hand om värmeutvecklingen som uppstår inuti cellerna när bilen körs.

I den här rapporten analyseras luftkylningen och värmeutvecklingen av högspänningsbatteriet i KTH Formulastudent bilen ”EV12e”. Arbetet är uppdelat i två delar: Första delen handlar om att göra en modell för värmeutvecklingen som uppstår i battericellerna vid tävling, andra delen utgörs av CFD med värmeöverföring och analysera om den redan designade luftkylningen är tillräcklig för att undvika överhettning under körning.

I modell uppställningen för spillvärme användes Thévenin Equivalent ciruct som batterimodell och majoriteten av spillvärmen antogs komma från Ohm:isk uppvärmning. Genom att utgå från kör data med KTH Formula student bil ”EV11e” som tävlade 2015 på Silverstone kunde en modifierad körcykel för EV12e tas fram utifrån antagande om körtid och förarbeteende.

För att simulera luftflöde i kylkanaler, värmeöverföring och batteriets temperatur användes simuleringar med FEM i programmet COMSOL Multiphysics®. I programmet importerades en geometrisk förenklad modell av batteriet till ”EV12e” samt in parametrar med bland annat den beräknade värmeutvecklingen.

Resultatet var att batteriet genererar 0,8-1,4M Joule resistiv värme, vilket ger en genomsnittlig uppvärmning av 500-900W om körtiden antas vara 25minuter. Vid en körstill där batteriet genererar 500W spillvärme och en utomhus temperatur av 30o C blir den högsta uppmäta temperaturen 49o C efter körning. Om föraren istället använder maximala kapaciteten av batteriet kan den interna uppvärmningen bli som mest 950W vilket ger en högsta temperatur på 64o C om utomhus temperaturen är 25o C.

Slutsatsen är att batteriets kylsystem klarar av att hantera värmeutveckling i batteriet för en utomhus temperaturen är som mest 25o C, om utomhustemperaturen är högre behöver förare anpassa sin körstill för att inte riskera att batterierna blir varmare än den maximala temperaturen på 65o C.

Place, publisher, year, edition, pages
2016. , 27 p.
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-192556OAI: oai:DiVA.org:kth-192556DiVA: diva2:970700
Supervisors
Examiners
Available from: 2016-09-19 Created: 2016-09-14 Last updated: 2016-09-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1346 kB)5 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1346 kBChecksum SHA-512
1c38f2ddfddd2e0b0e5498e5515df3510f19e03aa3adcb3f1a93074c470c98761f0def48e25b485eb120cac6e717868e1620e181b5ec679fac8686a6e35f09f5
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Energy Technology
Energy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 5 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 5 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link