Enerji depolama sistemlerinde kullanılan batarya paketlerinin alttan ve yandan soğutulmasının sayısal ve deneysel olarak karşılaştırılması
Numerical and experimental comparison of bottom and side cooling of battery packs used in energy storage systems
- Tez No: 1024925
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AHMET FEYZİOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Marmara Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Enerji depolama sistemlerinde (ESS) ve elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılan lityum-iyon bataryaların güvenli, uzun ömürlü ve verimli çalışabilmesi için Batarya Termal Yönetim Sistemleri (BTMS) kritik bir öneme sahiptir. Literatürde sıvı soğutmalı BTMS tasarımları üzerine birçok sayısal çalışma bulunmasına rağmen, bu araştırmaların büyük bir çoğunluğu tekil hücreler veya düşük kapasiteli küçük batarya modülleri düzeyinde kalmıştır. Çok sayıda hücrenin seri bağlandığı büyük ölçekli sistemlerde zayıf bir hücrenin ısıl davranışı tüm sistemin kapasitesini ve güvenliğini etkilediği için, devasa batarya paketlerinin termal homojenliğini sağlamak çok daha karmaşık bir mühendislik problemidir. Geleneksel deneysel yöntemlerle bu büyüklükteki paketlerin iç sıcaklık dağılımlarını ve hücreler arası etkileşimlerini doğru bir şekilde elde etmek oldukça zordur. Bu bağlamda, endüstriyel ölçekli ve yüksek kapasiteli batarya paketlerinin termal davranışlarının hem Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri hem de fiziksel testlerle doğrulanması literatürde önemli bir boşluk oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasının temel amacı ve özgün değeri; literatürdeki söz konusu eksikliği gidererek, yeni nesil 314 Ah gibi çok yüksek nominal kapasiteye sahip Lityum Demir Fosfat (LFP) prizmatik hücrelerden oluşan ve 52 Seri (52S) bağlantı konfigürasyonuna sahip büyük ölçekli bir batarya paketi için yenilikçi bir sıvı soğutma plakası tasarlamak, bu tasarımı sayısal olarak optimize etmek ve performansını kapsamlı fiziksel testlerle doğrulamaktır. Çalışma kapsamında öncelikle batarya hücresinin iç ısı üretim dinamikleri elektrokimyasal prensiplerle modellenmiş ve hücre ile maksimum temas alanını sağlayacak şekilde bir soğutma plakası geliştirilmiştir. Geliştirilen bu tasarımın termal-hidrolik performansı (maksimum sıcaklık, hücreler arası sıcaklık farkı ve basınç düşümü) HAD analizleri ile incelenmiştir. Sayısal modelin geçerliliğini kanıtlamak amacıyla, 52S batarya paketi laboratuvar ortamında dinamik şarj/deşarj (C-oranı) testlerine tabi tutulmuştur. Deneysel çalışmalarda makro ölçekli bütünsel sıcaklık dağılımı Batarya Yönetim Sistemi (BMS) üzerinden NTC sensörlerle ısı haritası olarak elde edilirken, ısının en çok biriktiği merkezdeki 4 hücre, 12 (12 × 4 = 48) farklı noktaya bağlanan ısıl çiftlerle (termokupl) mikro ölçekte incelenmiştir. Sayısal analizler ve deneysel ölçümler sonucunda elde edilen bulgular, geliştirilen sıvı soğutma plakasının devasa batarya paketi içerisindeki maksimum sıcaklıkları güvenli çalışma sınırlarında tuttuğunu ve bölgesel sıcaklık farklarını etkin bir şekilde minimize ettiğini göstermiştir. Analiz ve fiziksel test sonuçlarının birbiriyle yüksek oranda örtüşmesi, bu tez çalışmasında kurgulanan tasarım ve validasyon metodolojisinin büyük ölçekli Enerji Depolama Sistemlerinin termal yönetiminde yüksek doğrulukla kullanılabileceğini kanıtlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Battery Thermal Management Systems (BTMS) are critically important for the safe, long-lasting, and efficient operation of lithium-ion batteries, which are widely used in energy storage systems (ESS) and electric vehicles. Although there are many numerical studies on liquid-cooled BTMS designs in the literature, the vast majority of these studies have remained at the level of individual cells or small battery modules with low capacity. In large-scale systems where many cells are connected in series, ensuring the thermal homogeneity of massive battery packs is a much more complex engineering problem, as the thermal behavior of a weak cell affects the capacity and safety of the entire system. It is quite difficult to accurately obtain the internal temperature distributions and inter-cell interactions of packs of this size with traditional experimental methods. In this context, the validation of the thermal behavior of industrial-scale, high-capacity battery packs through both Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses and physical tests constitutes a significant gap in the literature. The main objective and unique value of this thesis is to address this deficiency in the literature by designing an innovative liquid cooling plate for a large-scale battery pack consisting of new generation 314 Ah Lithium Iron Phosphate (LFP) prismatic cells with a very high nominal capacity and a 52 Series (52S) connection configuration, optimizing this design numerically, and validating its performance through comprehensive physical tests. In this study, the internal heat generation dynamics of the battery cell were first modeled using electrochemical principles, and a cooling plate was developed to provide the maximum contact area with the cell. The thermal-hydraulic performance (maximum temperature, temperature difference between cells, and pressure drop) of this developed design was investigated using CFD analyses. To validate the numerical model, a 52S battery pack was subjected to dynamic charge/discharge (C-ratio) tests in a laboratory environment. In the experimental studies, the macro-scale overall temperature distribution was obtained as a heat map using NTC sensors via the Battery Management System (BMS), while the four cells in the center (worst-case) where heat accumulates most due to steel belt compression were examined at the micro-scale using thermocouples connected to 12 different points. The findings obtained from numerical analyses and experimental measurements showed that the developed liquid cooling plate kept the maximum temperatures within the massive battery pack within safe operating limits and effectively minimized regional temperature differences (hot spots). The high degree of agreement between the analysis and physical test results proves that the design and validation methodology devised in this thesis can be used with high accuracy in the thermal management of large-scale Energy Storage Systems.
Benzer Tezler
- Sanayi politikaları ve planlı dönemde imalat sanayine etkileri
Başlık çevirisi yok
AHMET CAFOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
EkonomiGazi ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YALÇIN EROL
- Çeltik kabuklarının yalıtım malzemesi olarak kullanılması
Başlık çevirisi yok
B.CİHAN ÇELEBİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET KIRBIYIK
- Pasif güneş enerjisi sistemi ile bina ısıtılmasının ekonomik analizi
Başlık çevirisi yok
AHMET AKDENİZ
- Plazma arkı eldesi ve yüzey bölgesi modifikasyonunda kullanılabilirliği
Başlık çevirisi yok
ÖZKAN ÖZİPEKLİLER
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALİM DEMİRCİ
- Dislokasyon-dislokasyon etkileşimi
Başlık çevirisi yok
YILDIRIM AYDOĞDU
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİnönü ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. MUSTAFA DİKİCİ
- NaI (TI) dedektörleri için toplam verim ve tüm enerji pik duyarlığının Monte Carlo metodu ile elde edilmesi
Başlık çevirisi yok
N. REMZİYE ERGÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Fizik ve Fizik MühendisliğiUludağ ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CİHAN ÖZMUTLU