بررسی عددی خنک‌سازی غوطه‌وری نانوسیال آلومینا-روغن برای یک باتری لیتیوم-فسفات آهن

ایزانلو, علیرضا; حاتمی, محمد

doi:10.48311/mme.2026.118668.82925

بررسی عددی خنک‌سازی غوطه‌وری نانوسیال آلومینا-روغن برای یک باتری لیتیوم-فسفات آهن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

علیرضا ایزانلو ¹

محمد حاتمی ²

¹ گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

² گروه مهندسی مکانیک ، مجتمع آموزش عالی فنی و مهندسی اسفراین، اسفراین، ایران

10.48311/mme.2026.118668.82925

چکیده

باتری‌های لیتیوم-یون به دلیل ظرفیت عملکرد در سطوح توان بالا و در عین حال تضمین پایداری و قابلیت اطمینان، به عنوان دستگاه‌های کارآمد برای ذخیره‌سازی انرژی شناخته می‌شوند. با این وجود، یک مانع مهم در کاربرد واقعی آنها، تولید گرما است که در طول هر دو فرآیند شارژ و دشارژ رخ می‌دهد و می‌تواند بر عملکرد، ایمنی و طول عمر تأثیر منفی بگذارد. در نتیجه، تحقیق در مورد استراتژی‌های مدیریت حرارتی برای تسهیل عملکرد پایدار باتری‌های لیتیوم-یون بسیار مهم شده است. این مطالعه یک تحلیل عددی با هدف بررسی اثربخشی خنک‌سازی یک نانوسیال روغن-آلومینا هنگام استفاده با یک باتری فسفات آهن لیتیوم (LFP) ارائه می‌دهد. این تحقیق در مجموع شش پارامتر، از جمله چهار پارامتر وابسته مرتبط با ویژگی‌های ترموفیزیکی خنک‌کننده، یک پارامتر مرتبط با شدت جریان برق عبوری از باتری و همچنین یک متغیر مستقل مرتبط با کسر حجمی نانوذرات را بررسی کرد. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از نرم‌افزار تجاری ANSYS Fluent انجام شد و شرایط جریان در عدد رینولدز ثابت حفظ شد. برای ارزیابی تأثیر غلظت نانوذرات، روغن خالص با نانوسیال روغن-آلومینا در سه کسر حجمی مجزا کنار هم قرار داده شد. یافته‌ها نشان داد که اگرچه افزایش غلظت نانوذرات از 0% به 4%، انتقال حرارت را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد و منجر به افزایش تقریباً 20 درصدی ضریب انتقال حرارت جابجایی و عدد ناسلت می‌شود، با اینحال این افزایش به قیمت افزایش قابل توجه افت فشار در طول محفظه باتری حاصل می شود که نهایتا منجر به کاهش مختصر بازدهی کارآیی نانوسیال می گردد.

کلیدواژه‌ها

بهبود انتقال حرارت

باتری لیتیومی

خنک‌کاری غوطه وری

نانوسیال

موضوعات

دینامیک سیالات محاسباتی

عنوان مقاله English

Numerical Investigation of Alumina-Oil Nanofluid Immersion Cooling for a Single Lithium Iron Phosphate Battery

نویسندگان English

Alireza Izanlou ¹

Mohammad Hatami ²

¹ Department of Mechanical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad

² Department of Mechanical Engineering, Esfarayen University of Technology (EUT)

چکیده English

Lithium-ion batteries are extensively acknowledged as efficient devices for energy storage due to their capacity to function at elevated power levels while ensuring stability and reliability. Nonetheless, a significant obstacle in their real-world application is the heat generation that occurs during both charging and discharging processes, which can adversely impact performance, safety, and lifespan. Consequently, research into thermal management strategies has become crucial to facilitate the stable functioning of lithium-ion batteries. This study presents a numerical analysis aimed at investigating the cooling effectiveness of an Oil/Al₂O₃ nanofluid when utilized with a single lithium iron phosphate (LFP) battery. The research scrutinized a total of six parameters, including four dependent variables associated with the thermophysical characteristics of the coolant, one parameter related with the electrical current passing through the battery, as well as one independent variable related to the nanoparticle volume fraction. Simulations were conducted utilizing the commercial software ANSYS Fluent, maintaining the flow conditions at a constant Reynolds number. To assess the impact of nanoparticle concentration, pure oil was juxtaposed with Oil/Al₂O₃ nanofluid across three distinct volume fractions. The findings revealed that although an increase in nanoparticle concentration from 0% to 4% substantially improved heat transfer, resulting in approximately a 20% enhancement in both the average convective heat transfer coefficient and the Nusselt number, it significantly increases pressure drop along the battery chamber, which ultimately results in a slight decrease in performance efficiency of nanofluid.

کلیدواژه‌ها English

Heat Transfer Enhancement

LFP Battery

Immersion Cooling

Nanofluid

[1] S. Al-Hallaj and J. R. Selman, “Thermal modeling of secondary lithium batteries for electric vehicle/hybrid electric vehicle applications.” Power Sources, vol. 110, Aug. 2002, doi: 10.1016/S0378-7753(02)00196-9

[2] C. Aswin Karthik, P. Kalita, X. Cui, and X. Peng, “Thermal management for prevention of failures of lithium ion battery packs in electric vehicles: A review and critical future aspects,” Energy Storage, vol. 2, no. 3, Jun. 2020, doi: 10.1002/est2.137.

[3] O. Kalkan, A. Celen, and K. Bakirci, “Experimental and numerical investigation of the LiFePO4 battery cooling by natural convection,” J Energy Storage, vol. 40, Aug. 2021, doi: 10.1016/j.est.2021.102796.

[4] C. C. Cheng, P. C. Chang, H. C. Li, and F. I. Hsu, “Design of a single-phase immersion cooling system through experimental and numerical analysis,” Int J Heat Mass Transf, vol. 160, Oct. 2020, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120203.

[5] Y. Zhou, Z. Wang, Z. Xie, and Y. Wang, “Parametric Investigation on the Performance of a Battery Thermal Management System with Immersion Cooling,” Energies (Basel), vol. 15, no. 7, Apr. 2022, doi: 10.3390/en15072554.

[6] M. Suresh Patil, J. H. Seo, and M. Y. Lee, “A novel dielectric fluid immersion cooling technology for Li-ion battery thermal management,” Energy Convers Manag, vol. 229, Feb. 2021, doi: 10.1016/j.enconman.2020.113715.

[7] M. Rabiei, A. Gharehghani, and A. M. Andwari, “Enhancement of battery thermal management system using a novel structure of hybrid liquid cold plate,” Appl Therm Eng, vol. 232, p. 121051, Sep. 2023, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2023.121051.

[8] Z. Zou, J. Xie, Y. Luo, G. Zhang, and X. Yang, “Numerical study on a novel thermal management system coupling immersion cooling with cooling tubes for power battery modules,” J Energy Storage, vol. 83, Apr. 2024, doi: 10.1016/j.est.2024.110634.

[9] S. Ahmad, Y. Liu, S. A. Khan, S. W. A. Shah, and X. Huang, “Modeling liquid immersion-cooling battery thermal management system and optimization via machine learning,” International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 158, Nov. 2024, doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107835.

[10] H. Dai, C. Yang, F. Zhang, G. Liao, B. Zhang, and J. E, “Transient heat dissipation performance investigation on the battery thermal management system based on S-CO2 immersion cooling,” Energy, vol. 318, Mar. 2025, doi: 10.1016/j.energy.2025.134656.

[11] V. G. Choudhari, D. A. S. Dhoble, and T. M. Sathe, “A review on effect of heat generation and various thermal management systems for lithium ion battery used for electric vehicle,” Dec. 01, 2020, Elsevier Ltd. doi: 10.1016/j.est.2020.101729.

[12] S. Mazyar and H. Moghaddam, “Designing battery thermal management systems(BTMS) for cylindrical Lithium-ion battery modules using CFD.”

[13] Dipl.-I. U. C. Huber, “Phase Change Material in Battery Thermal Management Applications An assessment of efficiency and safety.”

[14] C. Park, A. K. Jaura, and C. Mesa, “Dynamic Thermal Model of Li-Ion Battery for Predictive Behavior in Hybrid and Fuel Cell Vehicles Reprinted From: Hybrid Vehicle and Energy Storage Technologies (SP-1789) Future Transportation Technology Conference,” 2003.

[15] R. Mahamud and C. Park, “Reciprocating air flow for Li-ion battery thermal management to improve temperature uniformity,” J Power Sources, vol. 196, no. 13, pp. 5685–5696, Jul. 2011, doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.02.076.

[16] S. Panchal, “Experimental Investigation and Modeling of Lithium-ion Battery Cells and Packs for Electric Vehicles.”

[17] M. M. Zdravkovich, “Conceptual Overview of Laminar and Turbulent Flows Past Smooth and Rough Circular Cylinders.” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 33, no 1-2, pp. 53-62, Mar. 1990, doi: 10.1016/0167-6105(90)90020-D

[18] M. V. Bozorg, M. Hossein Doranehgard, K. Hong, and Q. Xiong, “CFD study of heat transfer and fluid flow in a parabolic trough solar receiver with internal annular porous structure and synthetic oil–Al2O3 nanofluid,” Renew Energy, vol. 145, pp. 2598–2614, Jan. 2020, doi: 10.1016/j.renene.2019.08.042.

[19] Niazmand A, Prajwal M, Satyam S, Pardeep S, Pratik B, and Dereje A, “Numerical Analysis Of Oil Immersion Cooling Of a Server Using Mineral Oil And Al2O3 Nanofluid,” ASME , 2020.

[20] Camilleri R, Sawani M, “Prediction of the Heat Transfer Coefficient in Direct Oil Cooling of Lithium-Ion Batteries,” IEEE 2018.

[21] R. D. Jilte and R. Kumar, “Numerical investigation on cooling performance of Li-ion battery thermal management system at high galvanostatic discharge,” Engineering Science and Technology, an International Journal, vol. 21, no. 5, pp. 957–969, Oct. 2018, doi: 10.1016/j.jestch.2018.07.015.

[22] Kong M, Lee S, “Performance Evaluation of Al2O3 Nanofluid as an Enhanced Heat Transfer Fluid,” Advances in Mechanical Engineering, vol. 12, Aug. 2020, doi: 10.1177/1687814020952277