A study of heat transfer behavior of the battery thermal management based refrigerant cooling for electric vehicle by finite elements method of heat transfer

Abstract

This study aims to investigate the effects of various factors on the performance of a Battery Thermal Management System (BTMS), with a particular focus on thermal behavior through numerical simulations under a range of operating conditions. The key parameters analyzed include the heat transfer coefficient (h), thermal conductivity (k) of the materials, type of coolant, heat flux, and the saturation temperature of the refrigerant. The aluminum alloy Al1060 was employed as the primary case study material.The results reveal that the heat transfer coefficient (h) significantly influences the maximum and average temperature of the battery module. An optimal h value in the range of 800–1200 W/m²·K effectively maintains the module temperature below 30 °C. However, beyond this range, thermal performance gains diminish due to saturation effects, indicating diminishing returns in both thermal efficiency and economic value. Among various cooling media, R134a emerged as the most suitable refrigerant due to its high h value of up to 12,000 W/m²·K, stability, safety, and compatibility with Al1060. Although nanofluids such as Al₂O₃ or CuO suspended in water may provide higher h, their higher cost, instability, and complexity in handling make R134a a more practical choice.Regarding material selection, high thermal conductivity materials such as copper (k = 390 W/m·K) and Al1060 (k = 200 W/m·K) demonstrated superior heat dissipation and uniform temperature distribution, with temperature differentials (ΔT) remaining below 4 °C. In contrast, materials like stainless steel (SS304) with low k values (~16 W/m·K) exhibited significant heat accumulation, with ΔT exceeding 19 °C, making them unsuitable for BTMS applications. Additionally, increasing heat flux (10–150 W) led to noticeable temperature rises; however, maintaining an adequate h (≥ 800 W/m²·K) allowed the system to keep module temperatures within safe limits for lithium-ion battery operation. Effective control of refrigerant flow dynamics and saturation temperature—via expansion valve regulation—was also found to be crucial for system stability and performance.In conclusion, a BTMS designed using direct liquid cooling, high thermal conductivity materials, and well-optimized heat transfer conditions can effectively regulate battery module temperatures within safe operating thresholds. The findings from this numerical study offer valuable insights for the future design and implementation of BTMS in electric vehicles and other applications requiring high thermal management precision.

การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อวิเคราะห์ผลกระทบของปัจจัยต่าง ๆ ที่มีต่อประสิทธิภาพของระบบจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ (Battery Thermal Management System – BTMS) โดยมุ่งเน้นการประเมินในเชิงความร้อนผ่านการจำลองเชิงตัวเลข (numerical simulation) ภายใต้เงื่อนไขการทำงานที่หลากหลาย ตัวแปรหลักที่ทำการศึกษา ได้แก่ ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อน (Heat Transfer Coefficient, h), ค่าการนำความร้อนของวัสดุ (Thermal Conductivity, k), ประเภทของสารทำความเย็น ระดับของโหลดความร้อน (heat flux) และอุณหภูมิอิ่มตัวของสารทำความเย็น โดยมีวัสดุอลูมิเนียมอัลลอย (Al1060) เป็นกรณีศึกษาหลักผลการวิเคราะห์พบว่า ค่าการพาความร้อน h มีผลอย่างมีนัยสำคัญต่อการลดอุณหภูมิของโมดูลแบตเตอรี่ โดยค่าที่เหมาะสมอยู่ในช่วง 800–1200 W/m²·K ซึ่งสามารถรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในระดับต่ำกว่า 30 °C ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทั้งนี้ ค่า h ที่สูงเกินไปจะนำไปสู่ภาวะอิ่มตัวทางความร้อนซึ่งไม่คุ้มค่าด้านพลังงานและต้นทุน การเลือกใช้สารทำความเย็นประเภท R134a แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนที่ดี มีความเสถียร และเหมาะสมกับระบบที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่ เมื่อเปรียบเทียบกับนาโนฟลูอิดที่แม้จะมีค่า h สูงกว่า แต่มีข้อจำกัดด้านต้นทุนและความซับซ้อนในการใช้งานสำหรับผลของค่าการนำความร้อน k พบว่า วัสดุที่มี k สูง เช่น ทองแดงและอลูมิเนียมอัลลอย ช่วยกระจายความร้อนได้ดี ลดความต่างของอุณหภูมิภายในโมดูลลงอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่วัสดุที่มี k ต่ำ เช่น สแตนเลส แสดงให้เห็นถึงแนวโน้มในการสะสมความร้อนซึ่งไม่เหมาะสมต่อการใช้งานในระบบ BTMS นอกจากนี้ การเพิ่มของโหลดความร้อนจากเซลล์แบตเตอรี่ส่งผลให้อุณหภูมิของโมดูลเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน แต่หากระบบสามารถควบคุมค่า h ได้เพียงพอ ระบบก็ยังสามารถรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในช่วงปลอดภัยได้ โดยเฉพาะเมื่อควบคุมอุณหภูมิอิ่มตัวของสารทำความเย็นอย่างเหมาะสมโดยสรุป ระบบ BTMS ที่ออกแบบโดยใช้การระบายความร้อนด้วยสารทำความเย็นโดยตรงร่วมกับวัสดุที่มีคุณสมบัติการนำความร้อนที่เหมาะสม และมีการควบคุมตัวแปรด้านพลศาสตร์ของความร้อนอย่างรอบคอบ สามารถควบคุมอุณหภูมิของแบตเตอรี่ให้อยู่ในช่วงที่ปลอดภัยได้อย่างมีประสิทธิภาพ การศึกษานี้จึงสามารถใช้เป็นแนวทางสำหรับการออกแบบระบบระบายความร้อนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้ในยานยนต์ไฟฟ้าและแอปพลิเคชันที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงในอนาคต