Comprehensive methodology to simulate heat generated and dissipated by a cooling plate system of a high-power battery module under thermal runaway conditions.

Abstract

[ES] Las celdas de iones de litio requieren una gestión térmica adecuada para lograr un rendimiento óptimo garantizando una temperatura de trabajo idónea, a la vez que mantener la seguridad previniendo un posible descontrol térmico, que derive en un fallo por fuga térmica. Este trabajo presenta una metodología de simulación integral para evaluar las prestaciones y la seguridad de módulos de batería bajo condiciones de funcionamiento normales y extremas. Primero, se propone un nuevo modelo térmico para calcular con precisión la energía total liberada por las baterías de iones de litio durante un ensayo de abuso térmico en un calorímetro de tasa acelerada. Esto servirá para alimentar las etapas siguientes de la simulación. El comportamiento electro-térmico a nivel de celda se caracteriza experimentalmente y la información se emplea para construir y validar un modelo de circuito eléctrico equivalente. Posteriormente, se construye un módulo de batería compuesto por 720 celdas del tipo 27500, conectadas a la placa de enfriamiento con caminos de flujo de refrigerante, utilizando GT-Suite. En este, se incluye el modelo de la celda para simular sus prestaciones y el calor generado durante el funcionamiento normal de las mismas. Además, se introduce el efecto del fenómeno de fuga térmica a través de la energía liberada que se ha medido en los experimentos. Toda esta metodología desarrollada se emplea para realizar un estudio del impacto del flujo del refrigerante, la corriente eléctrica de operación (C-rate) y la temperatura de entrada del refrigerante en las prestaciones del módulo de batería. Además, se investiga la progresión del fenómeno de fuga térmica a nivel de módulo.

[EN] Lithium-ion cells generally require adequate thermal management to achieve optimum performance by ensuring an ideal operating temperature while maintaining safety by preventing thermal runaway failure. This work presents a comprehensive simulation methodology to assess the performance and safety of battery modules under normal and extreme operating conditions. First, a new thermal model is proposed to accurately calculate the total energy released by lithium-ion batteries during a thermal abuse test in an accelerated rate calorimeter. This will serve to feed the subsequent stages of the simulation. The electro-thermal behavior at the cell level is experimentally characterized, and the information is used to build and validate an equivalent electrical circuit model. Subsequently, a battery module composed of 720 cells of type 27500, connected to the cooling plate with coolant flow paths, is built using GT-Suite. In this, the model of the cell is included to simulate its performance and the heat generated during normal cell operation. In addition, the effect of the thermal runaway phenomenon is introduced through the released energy measured in the experiments. This developed methodology is used to perform a study of the impact of the coolant flow rate, operating electrical current (C-rate), and the coolant inlet temperature on the performance of the battery module. Furthermore, the progression of the thermal runaway phenomenon at the module level is investigated.