Baterai lithium-ion punya rentang suhu kerja yang sempit. Kalau suhunya keluar dari rentang itu, performa dan umur baterainya menurun, dan pada kondisi ekstrem bisa memicu thermal runaway. Karena itu kendaraan listrik selalu dilengkapi sistem manajemen termal baterai (BTMS). Salah satu bentuk yang paling umum dipakai adalah cold plate, yaitu pelat berkanal berisi fluida pendingin yang dipasang menempel dengan modul sel.
Persoalannya, kasus seperti ini tidak bisa diselesaikan dengan pendekatan analitik saja. Ada conjugate heat transfer antara aluminium dan fluida, alirannya turbulen di dalam kanal berpenampang non-sirkular, dan geometrinya serpentine dengan banyak belokan. Distribusi suhu di permukaan pelat dan penurunan tekanan sepanjang kanal hanya bisa didapat lewat simulasi numerik, dan di situlah CFD masuk.
Paper acuan
Kฤฑlฤฑรง, M.; Gamsฤฑz, S.; Alฤฑnca, Z.N. (2023). Comparative Evaluation and Multi-Objective Optimization of Cold Plate Designed for the Lithium-Ion Battery Pack of an Electrical Pickup by Using TaguchiโGrey Relational Analysis. Sustainability, 15(16), 12391.
Paper ini merancang dan mengoptimasi cold plate untuk paket baterai kendaraan komersial ringan GOUPIL G6.
Gambar 1. Penempatan cold plate dan geometri penampang kanal. Sumber: Kฤฑlฤฑรง et al. (2023).
Cold plate-nya berukuran 810 ร 450 ร 20 mm dengan kanal serpentine di dalamnya. Parameter yang divariasikan ada tiga: jumlah kanal (4, 5, 6), tinggi kanal (10, 12, 14 mm), dan laju aliran massa (0,8; 1,0; 1,2 kg/s). Beban termalnya diterapkan sebagai fluks kalor konstan 3020 W/mยฒ di permukaan bawah pelat.
Gambar 2. Geometri cold plate dengan jumlah kanal berbeda. Sumber: Kฤฑlฤฑรง et al. (2023).
Yang menarik, ada tiga parameter keluaran yang semuanya ingin dibuat sekecil mungkin: suhu maksimum permukaan (Tmax), keseragaman suhu (Tฯ), dan penurunan tekanan (ฮP). Ketiganya saling bertabrakan, menaikkan laju aliran memang menurunkan suhu, tapi penurunan tekanan dan kebutuhan daya pompanya ikut naik. Jadi tidak ada satu desain yang menang di semua kriteria. Untuk mengatasinya, paper ini memakai matriks ortogonal Taguchi L9 supaya cukup 9 simulasi saja, lalu Grey Relational Analysis (GRA) untuk menggabungkan ketiga keluaran itu jadi satu nilai yang bisa diperingkat.
Kenapa saya pilih paper ini
Ada beberapa pertimbangan:
- Datanya lengkap. Dimensi geometri, sifat termofisik material, fluks kalor, sampai kondisi batasnya ditulis eksplisit. Ini syarat utama buat saya, karena tanpa itu setup simulasinya tidak mungkin direplikasi.
- Ada data pembanding. Hasil untuk kesembilan konfigurasi ditampilkan lengkap dalam tabel, jadi saya punya acuan untuk mengecek apakah hasil simulasi saya masuk akal atau tidak.
- Metodologinya bisa dipercaya. Paper ini sudah melakukan uji independensi mesh dan validasi terhadap penelitian terdahulu, dengan selisih 0โ2%.
- Beban komputasinya masih wajar. Geometrinya simetris, jadi cukup dimodelkan setengahnya saja.
- Masih ada ruang pengembangan, sehingga proyek ini tidak berhenti sebagai sekadar replikasi.
Software yang saya pakai
Paper acuan memakai ANSYS Fluent, sedangkan saya akan pakai SolidWorks Flow Simulation.
Pertimbangannya, geometri cold plate ini murni model CAD, dan Flow Simulation terhubung langsung dengan modelnya. Nanti kalau saya mengubah dimensi kanal untuk konfigurasi berikutnya, saya tidak perlu membangun ulang domain simulasi dari awal, dan karena rencananya ada banyak konfigurasi, ini lumayan menghemat waktu. Software ini juga sudah mampu menangani conjugate heat transfer, yang jadi kebutuhan utama di kasus ini.
Tapi saya juga sadar konsekuensinya, model turbulensi dan pendekatan meshing-nya berbeda dengan paper acuan, jadi hasilnya kemungkinan tidak akan persis sama. Karena itu langkah pertama saya bukan langsung modifikasi desain, melainkan mereplikasi satu konfigurasi dari paper dulu untuk memastikan setup saya sudah benar.
Arah yang saya rencanakan
Kalau replikasinya sudah cocok, saya berencana melanjutkan proyek ini ke arah optimasi desain dengan beberapa pengembangan dari paper acuan:
- Lebar kanal di paper ditetapkan konstan 30 mm. Padahal parameter ini ikut menentukan luas penampang, luas permukaan kontak, dan diameter hidraulik, jadi menarik kalau ikut divariasikan.
- Beban termalnya mewakili kondisi operasi normal. Skenario pengisian cepat akan menghasilkan fluks kalor yang jauh lebih besar, dan justru pada kondisi itulah desain pendinginan benar-benar diuji.
- Hasil akhirnya disajikan sebagai satu desain terpilih, sementara struktur trade-off antar desainnya sendiri belum ditampilkan.
Arah ini masih akan saya konsultasikan dulu dengan dosen sebelum ruang lingkupnya saya kunci.
Referensi
Kฤฑlฤฑรง, M.; Gamsฤฑz, S.; Alฤฑnca, Z.N. Sustainability 2023, 15, 12391.
