Studi Numerik Pengaruh Metode Pendinginan Air Cooling dan Hybrid Cooling terhadap Fenomena Termal Battery Pack

Irsyad, Sena Abraham (2024) Studi Numerik Pengaruh Metode Pendinginan Air Cooling dan Hybrid Cooling terhadap Fenomena Termal Battery Pack. Masters thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 6007221045-Master_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 October 2026. Download (9MB) | Request a copy

Abstract

Baterai lithium-ion digunakan sebagai penyimpan energi karena keunggulan seperti kepadatan energi yang tinggi, kepadatan daya yang baik, dan bobot yang ringan. Battery pack lithium-ion yang digunakan terdiri dari 16 sel dengan kapasitas maksimal masing-masing 100 Ah yang dirangkai membentuk daya maksimal 5 kWh. Battery pack dalam bentuk box yang dirangkai akan ditempatkan pada dua kondisi lingkungan berbeda, yaitu outdoor dan indoor. Sehingga, pada dua kondisi tersebut akan diterapkan metode pendinginan yang berbeda sebagai upaya untuk menjaga temperatur baterai pada kondisi optimal dengan pembebanan tinggi. Pada kondisi indoor akan diterapkan metode air cooling, dan untuk kondisi outdoor akan diaplikasikan metode hybrid cooling. Pendinginan ini diharapkan, akan menurunkan temperatur baterai hingga batas optimum operasinya pada 40oC.Pada penelitian ini, dilakukan analisis secara numerik dengan menerapkan beberapa metode pendinginan baterai yang sudah ada dengan validasi melalui eksperimen. Eksperimen dilakukan pada kondisi pack terbuka dengan discharge rate 0,6C, 0,4C, dan 0,2C untuk dibandingkan dengan hasil simulasi melalui visualisasi kontur. Simulasi dilakukan dengan tiga tahap utama yang antara lain pre-processing, processing, dan post processing. Pada tahap pre-processing akan dilakukan pembuatan model, meshing dengan jenis hexa mesh, hingga set-up simulasi dengan input heat generation constant untuk gird independency test. Tahap processing merupakan proses simulasi, dan pada post processing akan dilakukan pengambilan data kontur dan nilai temperatur terhadap waktu pada lokasi tertentu. Penelitian ini juga akan menerapkan dua metode pendinginan pada dua kondisi lingkungan yang berbeda. Untuk pendinginan menggunakan udara (air cooling) akan menggunakan perubahan posisi inlet dan outlet sebagai alternatif untuk mengubah pola aliran serta input variasi kecepatan dan juga temperatur udara masuk. Kemudian, untuk metode pendinginan hybrid (hybrid cooling) akan digunakan PCM sebagai bahan solid yang mengalami kontak dengan baterai. Selain itu akan menggunakan air sebagai fluida kerja dengan variasi flow rate dan temperatur aliran masuk. Pendekatan eksperimen dan simulasi numerik memberikan hasil yang menunjukkan kesesuaian tampilan pada seluruh discharge rate. Hanya terdapat sedikit perbedaan yang disebabkan oleh keterbatasan dalam pendefinisian material serta kondisi lingkungan dalam simulasi. Kemudian untuk hasil simulasi air cooling, meningkatkan kecepatan hingga 4 m/s dapat menurunkan temperatur maksimal baterai sampai dengan 11%. Selain itu, pengubahan posisi inlet dan outlet memberikan pengaruh berupa penurunan temperatur maksimal baterai hingga 7oC pada kedua discharge rate. Sementara perubahan temperatur fluida mampu menurunkan temperatur maksimal hingga 2°C pada discharge rate 1C dan 1,6°C pada discharge rate 2C. Pada discharge rate 1C, dengan menggunakan model nomor 4, kecepatan 3 m/s, dan temperatur aliran 16°C mampu menurunkan temperatur maksimal di bawah batas aman operasional sekitar 0,128°C. Sedangkan pada discharge rate 2C, pendinginan terbaik hanya mampu menurunkan temperatur maksimal hingga 11,269°C di atas batas aman. Untuk hasil simulasi menggunakan hybrid cooling menunjukkan bahwa flow rate efektif hingga 0,3 L/min untuk menurunkan temperatur baterai dengan persentase mencapai 11%. Selain itu, penurunan temperatur maksimal baterai linear terhadap perubahan temperatur aliran. Kemudian pada discharge rate 1C, temperatur maksimal baterai dapat diturunkan hingga 0,266oC di bawah 40°C dengan flow rate 0,075 L/min dan temperatur 25°C. Sedangkan untuk discharge rate 2C, temperatur maksimal dapat diturunkan hingga 0,346°C di bawah 40oC dengan besar flow rate empat kali lipat.
=======================================================================================
Lithium-ion batteries are used as energy storage due to their advantages such as high energy density, good power density, and lightweight. The lithium-ion battery pack used consists of 16 cells with a maximum capacity of 100 Ah each, arranged to form a maximum power of 5 kWh. The arranged battery pack in the form of a box will be placed in two different environmental conditions, namely outdoor and indoor. Therefore, different cooling methods will be applied in these two conditions to maintain the battery temperature at an optimal level under high load. In the indoor condition, an air cooling method will be applied, while for the outdoor condition, a hybrid cooling method will be used. This cooling is expected to reduce the battery temperature to its optimal operating limit of 40°C. In this research, a numerical analysis was conducted by applying several existing battery cooling methods with validation through experiments. The experiments were performed on an open pack condition with discharge rates of 0.6C, 0.4C, and 0.2C to compare with simulation results through contour visualization. The simulation was conducted in three main stages: pre-processing, processing, and post-processing. The pre-processing stage involved model creation, meshing with hexa mesh type, and simulation setup with input heat generation constant for grid independency test. The processing stage was the simulation process, and in the post-processing stage, contour data and temperature values over time at specific locations were collected. This research also applied two cooling methods in two different environmental conditions. For air cooling, the inlet and outlet positions were varied as an alternative to changing the flow pattern, and variations in air velocity and inlet temperature were input. For hybrid cooling, PCM was used as a solid material in contact with the battery, and water was used as the working fluid with variations in flow rate and inlet temperature. The experimental and numerical simulation approaches provided results showing conformity across all discharge rates. There were only minor differences due to limitations in material definition and environmental conditions in the simulation. For the air cooling simulation results, increasing the velocity to 4 m/s could reduce the battery's maximum temperature by up to 11%. Additionally, changing the inlet and outlet positions resulted in a maximum battery temperature decrease of up to 7°C at both discharge rates. Varying the fluid temperature could reduce the maximum temperature by 2°C at a discharge rate of 1C and 1.6°C at a discharge rate of 2C. At a discharge rate of 1C, using model number 4, a velocity of 3 m/s, and a flow temperature of 16°C could reduce the maximum temperature below the safe operational limit by about 0.128°C. For a discharge rate of 2C, the best cooling could only reduce the maximum temperature to 11.269°C above the safe limit. For hybrid cooling simulation results, an effective flow rate of up to 0.3 L/min could reduce the battery temperature by up to 11%. The maximum battery temperature reduction was linear with the change in flow temperature. At a discharge rate of 1C, the maximum battery temperature could be reduced to 0.266°C below 40°C with a flow rate of 0.075 L/min and a temperature of 25°C. For a discharge rate of 2C, the maximum temperature could be reduced to 0.346°C below 40°C with a flow rate four times higher

Item Type:	Thesis (Masters)
Uncontrolled Keywords:	Lithium-Ion Battery, Hybrid Cooling, Air Cooling, Temperature, Thermal Management, Baterai Litium-Ion, Pendinginan Hybrid, Pendinginan Udara, Temperatur, Manajemen Termal
Subjects:	T Technology > T Technology (General) > T57.62 Simulation T Technology > TK Electrical engineering. Electronics Nuclear engineering > TK2921 Lithium cells.
Divisions:	Faculty of Industrial Technology > Mechanical Engineering > 21101-(S2) Master Thesis
Depositing User:	Sena Abraham Irsyad
Date Deposited:	08 Aug 2024 06:25
Last Modified:	08 Aug 2024 06:25
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/114587

Actions (login required)

View Item