Studi Eksperimental Immersion Cooling dengan Fluida Dielektrik untuk Manajemen Termal Baterai Tunggal LFP 18650

Hafid Kurniawan, Ir. Indro Pranoto, S.T., M.Eng., Ph.D, IPM., ASEAN Eng.

2025 | Skripsi | TEKNIK MESIN

Peningkatan kebutuhan energi global akibat pertumbuhan populasi dan aktivitas industri mendorong peningkatan emisi karbon dari penggunaan bahan bakar fosil. Kendaraan listrik (EV) menjadi solusi yang menjanjikan untuk mengurangi emisi ini, dengan baterai lithium-ion (LIBs) sebagai sumber energi utama karena efisiensinya yang tinggi dan umur pakai yang panjang. Namun, performa LIBs sangat bergantung pada suhu operasi, yang idealnya berada antara 15°C hingga 35°C. Suhu yang tidak terkontrol dapat menyebabkan thermal runaway, yaitu kondisi berbahaya yang dapat mengakibatkan kebakaran atau ledakan. Oleh karena itu, sistem manajemen termal baterai (Battery Thermal Management System atau BTMS) menjadi sangat penting untuk menjaga kinerja dan keselamatan baterai. Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi performa sistem pendinginan berbasis immersion cooling pada baterai lithium-ion tipe LFP 18650 tunggal.

Evaluasi dilakukan terhadap dua jenis fluida dielektrik, yaitu HFE-7100 dan SF33, dengan fokus pada parameter termal seperti karakteristik perpindahan panas, distribusi temperatur, kalor yang diserap oleh fluida, serta efisiensi sistem pendingin. Pengujian dilakukan dengan memvariasikan laju pengosongan (C-rate) pada 1C, 2C, dan 3C, serta laju aliran fluida pada 0,25 Lpm, 0,5 Lpm, dan 0,75 Lpm. Data yang diperoleh meliputi nilai heat transfer coefficient, distribusi temperatur selama proses pengosongan, dan nilai kalor yang diserap oleh fluida pendingin. Selain itu, efisiensi sistem juga dianalisis melalui rasio antara absorbed heat dan konsumsi daya pompa.

Hasil pengujian menunjukkan bahwa distribusi temperatur sangat dipengaruhi oleh jenis fluida dan laju aliran yang digunakan. Peningkatan C-rate berbanding lurus dengan peningkatan heat transfer coefficient dan absorbed heat. Untuk fluida HFE-7100 pada flow rate 0,5 Lpm, nilai heat transfer coefficient masing-masing adalah 95,8 W/m²·K (1C), 123,9 W/m²·K (2C), dan 189,83 W/m²·K (3C). Laju aliran 0,5 Lpm menunjukkan efisiensi termal terbaik di semua C-rate berdasarkan rasio absorbed heat terhadap daya pompa, sehingga direkomendasikan sebagai kondisi operasi optimal. Selain itu, fluida SF33 terbukti memiliki performa pendinginan yang lebih unggul dibandingkan HFE-7100, ditunjukkan oleh nilai heat transfer coefficient yang lebih tinggi.

The increasing global demand for energy due to population growth and industrial activities has contributed to a rise in carbon emissions from fossil fuel usage. Electric vehicles (EVs) have emerged as a promising solution to reduce these emissions, with lithium-ion batteries (LIBs) serving as the primary energy source due to their high efficiency and long service life. However, the performance of LIBs is highly dependent on their operating temperature, which ideally ranges between 15°C and 35°C. Uncontrolled temperatures can lead to thermal runaway, a dangerous condition that may result in fires or explosions. Therefore, a Battery Thermal Management System (BTMS) is crucial to ensure the safety and performance of the battery. This study aims to evaluate the performance of an immersion cooling system applied to a single lithium-ion battery of type LFP 18650.

The evaluation focuses on two types of dielectric fluids, HFE-7100 and SF33, and examines thermal parameters such as heat transfer characteristics, temperature distribution, heat absorbed by the fluid, and overall system efficiency. Experimental tests were conducted by varying the discharge rates (C-rate) at 1C, 2C, and 3C, as well as the fluid flow rates at 0,25 Lpm, 0,5 Lpm, and 0,75 Lpm. Data collected included values of heat transfer coefficient, temperature distribution during discharge, and the amount of heat absorbed by the coolant. Additionally, system efficiency was assessed based on the ratio of absorbed heat to pump power consumption.

The results show that temperature distribution is significantly affected by the type of fluid and flow rate used. Increasing the C-rate corresponded with higher heat transfer coefficients and absorbed heat values. For HFE-7100 at a flow rate of 0,5 Lpm, the heat transfer coefficients were 95,8 W/m²·K (1C), 123,9 W/m²·K (2C), and 189,83 W/m²·K (3C). The 0,5 Lpm flow rate demonstrated the best thermal efficiency across all C-rates based on the absorbed heat-to-pump power ratio, and is therefore recommended as the optimal operating condition. Furthermore, SF33 fluid showed superior cooling performance compared to HFE-7100, indicated by its higher heat transfer coefficient values.

Kata Kunci : Baterai LFP 18650, sistem manajemen termal baterai, immersion cooling, fluida dielektrik, heat transfer coefficient.