Lityum-iyon batarya modüllerinin ısıl davranışının tasarım ve optimizasyon odaklı sayısal incelenmesi
Numerical investigation of the thermal behavior of lithium-ion battery modules based on design and optimization
- Tez No: 1010568
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KEMAL FÜRKAN SÖKMEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Enerji, Mechanical Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Batarya termal yönetim sistemi, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), Lityum iyon pil, Optimizasyon, Battery thermal management system, Computational fluid dynamics (HAD), Lithium ion battery, Optimization
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Elektrikli araç teknolojilerindeki hızlı gelişim, yüksek enerji yoğunluğuna sahip lityum-iyon bataryaların termal yönetimini kritik bir mühendislik problemi haline getirmiştir. Bataryaların performansı ve güvenliği, çalışma sıcaklığına doğrudan bağlıdır. Batarya modüllerinin çalışma esnasında maksimum sıcaklığının 35 °C'yi ve sıcaklık farkının da 5 °C'yi aşması ile ısıl verimin düşmeye başlayacağı bilinmektedir. Bataryaları kritik seviyelerin altında tutmak için aktif veya pasif sistem olmak üzere batarya termal yönetim sistemleri geliştirilmektedir. Tek başına pasif soğutma yöntemleri yüksek deşarj hızlarındaki ısıl yükleri karşılamada yetersiz kalmaktadır. Aktif yöntemler ise artan Reynolds sayılarıyla birlikte yüksek pompalama gücü gerektirmekte ve maksimum sıcaklığa çözüm olsa da özellikle hücreler arası sıcaklık farkını gidermede tek başına çözüm olamamaktadır. Bu tez çalışmasında, lityum-iyon batarya modüllerinin ısıl davranışları sayısal yöntemlerle (CFD) incelenmiş, özgün tasarımlar, optimizasyon algoritmaları ve hibrit soğutma stratejileri ile güvenli ve homojen bir termal yönetim sistemi geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, 14 hücreli şaşırtmacalı dizilime sahip batarya modülü üzerinde doğal taşınım analizleri gerçekleştirilmiştir. Hücreler arası mesafe optimizasyonu ile ısıl performans ve enerji yoğunluğu dengelenmiş, ardından geçilen düşey yerleşim konfigürasyonu ile hücreler arası sıcaklık farkında %38,5 oranında iyileşme sağlanmıştır. Pasif soğutmanın sınırlarını genişletmek amacıyla, özgün tasarıma sahip metal entegreli batarya modülü geliştirilmiştir. Bu tasarım, modül içi ısı iletimini artırarak doğal taşınımda dahi sıcaklık farkını yaklaşık 9°C düşürmüş ve %89 oranında sıcaklık homojenliği sağlamıştır. Deşarj hızındaki kademeli artışın (0,5C–1,75C) modül sıcaklığı ve sıcaklık dağılımına etkisi incelenmiştir. Z tipi hava akışlı zorlanmış taşınım analizlerinde, 1,5C ve 1,75C deşarj hızlarında yüksek Reynolds sayılarında bile maksimum sıcaklık ve sıcaklık farkının kritik seviyelerin üzerinde kaldığı görülmüştür. Bu problemi aşmak için metal entegreli modül yüzeylerine iğne tip kanatçıklar eklenerek hibrit bir yapı oluşturulmuştur. Kanatçık geometrisi, Taguchi-ANOVA yöntemiyle optimize edilmiş ve optimizasyon sonuçlarına göre kanatçık çapı %65,9 etki oranı ile en baskın parametre olmuştur. Elde edilen optimum konfigürasyon sayesinde, hibrit soğutma ile zorlu koşullarda dahi sınır değerleri aşmayan çözüm elde edilmiştir. Laminer akış şartlarında bile Reynolds sayısının 1500 olduğu durumda maksimum sıcaklık 32,2 °C'ye düşürülerek tek başına zorlanmış taşınıma kıyasla %37'lik bir soğutma performansı elde edilmiştir. Aynı zamanda sıcaklık farkı ise %77,8 oranında bir iyileşme ile 2,47 °C'ye kadar indirilmiştir. Çalışmanın son aşamasında, daha yüksek ısıl yükler için 16 hücreli sıralı dizilime sahip, özgün tasarımlı kendinden akışkan yollu sıvı soğutmalı modül tasarlanmıştır. Farklı deşarj hızlarında (1C–3C) yapılan analizlerde, tek başına sıvı soğutmanın maksimum sıcaklığı düşürmede etkili olduğu ancak 3C gibi yüksek deşarj hızlarında sıcaklık farkını gidermede yetersiz kaldığı tespit edilmiştir. Bu sorunu bertaraf etmek amacıyla sisteme entegre edilen metal bloklar sayesinde ısıl iletim artırılmıştır. Geliştirilen bu hibrit sıvı soğutma stratejisi ile Reynolds sayısının 500 seviyesinde dahi hem maksimum sıcaklık hem de sıcaklık farkı, kritik güvenlik sınırları olan 35°C ve 5°C'nin altına indirilmiştir. Elde edilen sonuçlar; yüksek deşarj hızlarında güvenli, uzun ömürlü ve homojen bir batarya modülü tasarımı için sadece aktif veya pasif yöntemlerin değil, optimize edilmiş hibrit soğutma yaklaşımlarının en etkin çözüm olduğunu ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
The rapid development in electric vehicle technologies has made the thermal management of high energy density lithium-ion batteries a critical engineering challenge. The performance and safety of batteries are directly dependent on the operating temperature. It is known that thermal efficiency begins to decrease when the maximum temperature of battery modules exceeds 35 °C and the temperature difference exceeds 5 °C during operation. Battery thermal management systems, whether active or passive, are being developed to keep batteries below these critical levels. Passive cooling methods alone remain insufficient to meet thermal loads at high discharge rates. While active methods provide a solution for maximum temperature, they require high pumping power with increasing Reynolds numbers and cannot serve as a standalone solution, particularly for eliminating the temperature difference between cells. In this thesis study, the thermal behaviors of lithium-ion battery modules were investigated using numerical methods (CFD), and it was aimed to develop a safe and homogeneous thermal management system using novel designs, optimization algorithms, and hybrid cooling strategies. In the first stage of the study, natural convection analyses were performed on a battery module with a 14-cell staggered arrangement. Thermal performance and energy density were balanced through inter-cell spacing optimization, and subsequently, a 38.5% improvement was achieved in the temperature difference between cells with the transition to a vertical layout configuration. To expand the limits of passive cooling, a metal-integrated battery module with a novel design was developed. This design increased intra-module heat conduction, reducing the temperature difference by approximately 9°C even under natural convection and providing 89% temperature uniformity. The effect of the gradual increase in discharge rate (0.5C–1.75C) on module temperature and temperature distribution was investigated. In Z-type air flow forced convection analyses, it was observed that maximum temperature and temperature difference remained above critical levels even at high Reynolds numbers at 1.5C and 1.75C discharge rates. To overcome this problem, a hybrid structure was created by adding pin fins to the surfaces of the metal-integrated module. The fin geometry was optimized using the Taguchi-ANOVA method, and according to the optimization results, the fin diameter was the most dominant parameter with an impact rate of 65.9%. Thanks to the obtained optimum configuration, a solution that does not exceed limit values even under harsh conditions was achieved with hybrid cooling. Even under laminar flow conditions at Re = 1500, the maximum temperature was reduced to 32.2 °C, achieving a 37% cooling performance compared to forced convection alone. At the same time, the temperature difference was reduced to 2.47 °C with an improvement of 77.8%. In the final stage of the study, a liquid-cooled module with a novel design and integrated fluid channels having a 16-cell inline arrangement was designed for higher thermal loads. In analyses conducted at different discharge rates (1C–3C), it was determined that liquid cooling alone was effective in reducing maximum temperature but insufficient in eliminating temperature difference at high discharge rates such as 3C. To eliminate this problem, thermal conduction was increased thanks to metal blocks integrated into the system. With this developed hybrid liquid cooling strategy, both maximum temperature and temperature difference were reduced below the critical safety limits of 35°C and 5°C, even at the Re = 500 level. The obtained results reveal that optimized hybrid cooling approaches, rather than active or passive methods alone, are the most effective solution for a safe, long-lasting, and homogeneous battery module design at high discharge rates.
Benzer Tezler
- Lityum iyon pil üretim tesislerinde yangın algılama ikaz ve yangın söndürme sistemlerinin incelenmesi
Investigation of fire detection, alarm and fire suppression systems in lithium-ion battery production facilities
KAYHAN KARAİSMAİL
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Mühendislik BilimleriSakarya ÜniversitesiYangın ve Yangın Güvenliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN SERHAD SOYHAN
- Designing a thermal management system for lithium-ion batterypacks used in electrical vehicles
Elektrikli araçlarda kullanılan lityum iyon akü paketleri için termal yönetim sistemi tasarımı
MOHAMMAD ALIPOUR
Doktora
İngilizce
2019
EnerjiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA KIZILEL
- Hexagonal boron nitride reinforced thermal conductivity improved composite material design applications in electric vehicles
Hegzagonal bor nitrür takviyeli termal iletkenliği iyileştirilmiş kompozit malzeme tasarımı: Elektrikli araçlarda uygulamaları
EMRULLAH CEBE
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
- Thermal runaway prediction in li-ion batteries using machine learning techniques
Li-ion bataryalarda makine öğrenmesi teknikleri kullanarak ısıl kaçak tahmini
ENES FURKAN ÖRS
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
EnerjiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NADİR JAVANİ
- Faz değiştiren malzeme ve gözenekli ortamlardan oluşan yapıiçerisindeki bataryanın ısıl performansının araştırılması
Investigation of thermal performance of battery inside the structure consisting of phase change material and porous media
SİMGE ALTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA YASİN GÖKASLAN