Novel characterization of thermal properties of a battery has been introduced by defining its frequency-dependent thermal impedance function. Thermal impedance function can be approximated as a thermal impedance spectrum by analyzing experimental temperature transient which is related to the thermal impedance function through Laplace transformation. In order to obtain temperature transient, a process has been devised to generate external heat pulse with heating wire and to measure the response of battery. This process is used to study several commercial Li-ion batteries of cylindrical type. The thermal impedance measurements have been performed using potentionstat/galvanostate controlled digital signal processor, which is more commonly available than flow-meter usually applied for thermal property measurements. Thermal impedance spectra obtained for batteries produced by different manufactures are found to differ considerably. Comparison of spectra at different states of charge indicates independence of thermal impedance on charging state of battery. It is shown that thermal impedance spectrum can be used to obtain simultaneously thermal capacity and thermal conductivity of battery by non-linear complex least-square fit of the spectrum to thermal impedance model. Obtained data is used to simulate a response of the battery to internal heating during discharge. It is found that temperature inside the battery is by one-third larger that on its surface. This observation has to be considered to prevent damage by overheating.
Kim, Sunwoo;Jo, Jongmin;Han, Jaeyoung;Kim, Sung-Soo;Cha, Hanju;Yu, Sangseok
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.23
no.5
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pp.486-493
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2015
In this paper, a battery model for electric vehicle virtual platform was developed. A battery model consisted of a battery cell model and battery thermal management system. A battery cell model was developed based on Randles equivalent circuit model. Circuit parameters in the form of 3D map data was obtained by charge-discharge experiment of Li-Polymer battery in various temperature condition. The developed battery cell model was experimentally verified by comparing voltages. Thermal management system model was also developed using heat generator, heat transfer and convection model, and cooling fan. For verification of the developed battery model in vehicle level, the integrated battery model was applied in to EV(electric vehicle) virtual platform, and virtual driving simulation using UDDS velocity profile was conducted. The accuracy of the developed battery model has been verified by comparing the simulation results from EV platform with the experimental data.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.23
no.6
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pp.408-414
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2018
Given that lithium-ion batteries are expected to be used as power sources for electric and hybrid vehicles, thermodynamics experimentation and prediction based on experimental data were performed. Thermal, electrochemical, and electrochemical/electrical-thermal models were used for accurate battery modeling. Various applications of different battery packs were demonstrated, and thermal analysis was performed using the same experimental conditions for square and rectangular battery packs. Accurate thermal analysis for a single cell should be prioritized to determine the thermal behavior of the battery pack. The energy balance equation, which contains heat generation and heat transfer factors, defines the thermal behavior of the battery pack. By comparing battery packs of different shapes tested under the same condition, this study revealed that the rectangular battery pack is superior to the square battery pack in terms of the maximum temperature of inner cells and temperature variation between cells.
Along with global environmental issues, the size of the electric vehicle market has recently skyrocketed. Various efforts have been made to extend mileage, one of the biggest problems of the electric vehicles, and development of batteries with high energy densities has led to exponential growth in mileage and performance. However, proper thermal management is essential because these high-performance batteries are affected by continuous heat generation and can cause fires due to thermal runaway phenomena. Therefore, thermal management of the battery is studied through the optimal design of the guide vanes, while utilizing the existing battery casing to ensure the safety of the electric vehicles. A battery from T-company, one of a manufacturer of the electric vehicles, was used for the research, and the commercial CFD software, ANSYS CFX V20.2, was used for analysis. The guide vanes were derived through optimal design based on a genetic algorithm with flow analysis. The optimized guide vanes show improved heat removal performance.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.66
no.12
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pp.1889-1894
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2017
Global automobile manufacturers are developing electric vehicles (EVs) to eliminate the pollutant emissions from internal combustion vehicles and to minimize fossil fuel consumptions for the future generations. However, EVs have a disadvantage of shorter traveling distance than that of conventional vehicles. To answer this shortfall, more batteries are installed in the EV to satisfy the consumer expectation for the driving range. However, as the energy capacity of the battery mounted in the EV increases, the amount of heat generated by each cell also increases. Naturally, a better battery thermal management system (BTMS) is required to control the temperature of the cells efficiently because the appropriate thermal environment of the cells greatly affects the power output from the battery pack. Typically, the BTMS is divided into an active and a passive system depending on the energy usage of the thermal management system. Heat exchange materials usually include gas and liquid, semiconductor devices and phase change material (PCM). In this study, an application of PCM for a BTMS was investigated to maintain an optimal battery operating temperature range by utilizing characteristics of a PCM, which can accumulate large amounts of latent heat. The system was modeled using Dymola from Dassault Systems, a multi-physics simulation tool. In order to compare the relative performance, the BTMS with the PCM and without the PCM were modeled and the same battery charge/discharge scenarios were simulated. Number of analysis were conducted to compare the battery cooling performance between the model with the aluminum case and PCM and the model with the aluminum case only.
In the present study, the discharge characteristics of a lithium-ion battery was evaluated to calculate the rate of heat generation under various discharge rates by mathematical modeling. The modeling and simulation of a pseudo-two dimensional ionic transport system for governing Butler-Volmer equation were carried out by using FEMLAB as a PDE (partial differential equation) solver, where the discharge rate was changed from 5 $A/m^2$ to 25 $A/m^2$. The computational results showed that the concentration of consumed solid-phase lithium at the surface of electrode was increased with increasing discharge rates. While the resulting diffusion limitation occurred shortly, it increased the rate of heat generation even more rapidly for the internal voltage to approach the cutoff voltage of the lithium-ion battery.
The performance of the Electric Vehicle and Hybrid Electric Vehicle depends on that of the battery pack composed of series connected batteries. And thermal property is one of the main factors which decide the performance of the battery pack. So heat generation rate from the battery under the various driving mode must be measured as precise as possible because thermal characteristics of the battery affect the driving performance and battery pack's life cycle. Besides, to design and develop the battery thermal management system for the EV and HEV, the measurements of the thermal properties of the batteries are needed. However, the established calorimeter is not adequate to test an EV's battery because its cavity is too small to accommodate the EV's battery. Therefore we developed the calorimeter to test the thermal property of the EV's battery. Its cavity size is 120mm long, 75mm wide and 200mm high. The calorimeter is calibrated by the dummy cell which generates the heat rate from zero to 200W. The measuring accuracy of the calorimeter is within $2\%$ and its voltage stability is 2.5mV in the constant temperature bath.
Study of electric vehicle is popular with automobile company. However, battery cooling problem has delayed development of electric vehicle. Lifetime of electric vehicle's battery depends on the cooling effect for the battery tray. One model was simulated by 3-D, steady state, incompressible, k-e turbulent model simulation. It is found that flow inlet, outlet and inlet position are very important design parameters.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.15
no.5
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pp.2545-2552
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2014
This study is aiming to suggest the effective thermal management system design technologies for the high voltage and capacity battery system of the electricity driven vehicles and introduce the theoretical designing methods. In order to investigate the effective operation of the battery system for the electricity driven vehicles, the heat generation model for Li-ion battery system using the chemical reaction while charging and discharging was suggested and the thermal loads of the heat sources (air or liquid) for cooling and heating were calculated using energy balance. Especially, the design methods for the cooling and heating of the battery system for maintaining the optimum operation temperature were investigated under heating, cooling and generated heat (during charging and discharging) conditions. The battery thermal management system for the effective battery operation of the electricity driven vehicles was suggested reasonably depending on the variation of the season and operation conditions. In addition, at the same conditions under summer season, the cooling method using the liquid and active cooling technique showed a relatively high capacity, while cooling method using the passive cooling technique showed a relatively low capacity.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.19
no.5
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pp.105-110
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2020
The global battery market is rapidly growing due to the development of vehicles(EV) and wireless electronic products. In particular logistics robots, which hielp to produce EVs, have attracted much interest in research in Korea Because logistics sites and factories operate continuously for 24 hours, the technology that can dramatically increase the operation time of the logistics equipment is rapidly developing, and various high-level technologies are required for the batteries used in. for example, logistics robots. These required technologies include those that enable rapid battery charging as well wireless charging to charge batteries while moving. The development of these technologies, however, result in increasing explosions and topical accidents involving rapid charging batteries These accidents due to the thermal shock caused by the heat generated during the charging of the battery cell. In this study, a performance evaluation of a heat dissipation design using infrared thermal imaging was performed on an energy storage systrm(Ess) applied with an internal heat conduction cooling method using a heating plate.
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