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
- Tez No: 545202
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDA KIZILEL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Kimya Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Energy, Chemical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 160
Özet
Yüksek enerji ve güç yoğunluklarına sahip olmasından dolayı Li-iyon pillerin kullanım alanları gün geçtikçe artmaktadır. Özellikle yüksek güç gerektiren uygulamalarda getirdiği hacimsel ve ağırlıksal avantajlar otomotiv sektörünün de dikkatini çekmiştir. Sürekli değişkenlik gösteren yakıt fiyatları ve fosil yakıtların sebebiyet verdiği emisyon hacimleri elektrikli araçları alternatif taşıma araçları olarak sunmaya başlamıştır. Petrol üretimi olmayan ülkelerde elektrikli araçların kullanımının arttırılması, enerjide dışa bağımlılığı azaltılabilecek ve buna bağlı olarak da temiz enerji kullanımının çevresel etkileri kısa vadede görülebilecektir. Her ne kadar Li-iyon bataryaların kullanımı teşvik edilse de güvenlik sorunlarından dolayı kullanım alanları yaygınlaşamamıştır. Isıl sürüklenmenin mümkün olduğu Li-iyon piller için gerekli önlemler alınmaz ise bataryanın yanması veya patlaması kaçınılmazdır. Bununla birlikte eğer optimum sıcaklıkta şarj-deşarj döngüsünde çevrilmez iseler bataryanın çevrim ömrü büyük oranda etkilenmekte ve kullanım süreleri azalmaktadır. Düşük sıcaklıklardaki gösterdiği zayıf performansı ile sadece soğutma değil aynı zamanda bataryayı ısıtmanın da önemli olduğunu görülmüştür. Bu sebeple Li-iyon pillerinin özellikle yüksek enerji ve güce ihtiyaç duyulan sistemlerde güvenle kullanılması için ısıl yönetim sistemlerinin özenle tasarlanması gerekmektedir. Çalışmanın ilk bölümünde, yüksek kapasiteli poşet tipi Lityum iyon pil hücrelerinin elektrokimyasal-termal davranışını incelemek için yeni çok katmanlı yaklaşıma sahip bir 3D model geliştirilmiştir. Bu yaklaşımda, 1D elektrokimyasal modülü, diferansiyel denklemleri sonlu elemanlar yöntemi (FEM) ile sayısal olarak çözen COMSOL programı kullanılarak 3D termal modül ile birleştirildi. Geliştirilen Elektrokimyasal-Termal model deneysel ölçümlerle doğrulandı. Geliştirilen model, çok katmanlı yapı ve elektrot sayısının bataryaların ısıl davranışları üzerindeki etkilerini incelemek için kullanılmıştır. Daha sonra, hücre boyutlarının ve konfigürasyonunun, pil hücrelerinin sıcaklık artışı ve birörnekliği üzerindeki etkileri araştırıldı. İkinci bölümde, hava ve su bazlı bir termal yönetim sistemi geliştirildi ve soğutma performansı optimize edildi. Soğutma sistemi olarak, mini kanal sistemli alüminyum plakalar, tek hücreli ve pil paketlerine göre tasarlanmıştır. Tasarım parametreleri, örneğin, kanal sayısı ve genişliği, giriş debisi ve soğutma malzemesi optimize edildi. Soğutma malzemesi olarak su ve hava soğutma performansları karşılaştırıldı. Kanalların içindeki basınç düşüşü ve hız profilleri gösterildi. Tek bir hücrenin iç ve dış sıcaklık profilleri ve batarya paketleri soğutma sistemleri olan ve olmayan incelenmiştir. Son bölümde, geliştirilen 4S1P akü modüllerine optimize edilmiş soğutma sistemleri uygulanmıştır. Pilleri optimum çalışma sıcaklığı aralığında (10-40 °C) tutmak için gereken giriş debisi ve güç tüketimi değerleri hesaplandı. Bu çalışmanın sonuçları, optimize edilmiş mini kanallı soğutma plakalarının kullanılmasının, tek hücrelerin ve pil paketlerinin sıcaklık seviyesini ve homojenliğini yeterince kontrol ettiğini gösterdi. Giriş debisinin arttırılmasıyla soğutma verimliliği% 60'a kadar çıkabilir.
Özet (Çeviri)
Lithium ion batteries are a normally used kind of rechargeable batteries as a result of their high specific energy and power. Expanding considerations have been paid to rechargeable Li-ion batteries with the developing popularity of electric vehicles and hybrid electric vehicle. However, safety problems, high cost, and poor performance in low ambient temperatures and high current rates are big obstacles for commercially utilization of these batteries. Most of the mentioned limitations could be eliminated by proper thermal management. Temperature profile of the Li-ion cells has noteworthy impacts on the performance, safety, and cycle life of the battery. That is the reason little temperature gradient can prompt incredible loss in the performance of battery packs. Lately, various analysts recommend new procedures to suggest a superior thermal management on Li-ion batteries. Keeping the battery cells in an optimum range is the primary goal of battery thermal management. In the first part of the study, a 3D model with new multilayer approach was developed to study the electrochemical-thermal behavior of the high capacity pouch type Lithium ion battery cells. In this approach, the 1D electrochemical module was coupled with the 3D thermal module using the COMSOL program which solves the differential equations numerically by finite element method (FEM). The developed Electrochemical-Thermal model was validated with the experimental measurements. The developed model was used to study the effects of multilayer structure and the number of electrodes on thermal behavior of the batteries for the first time in the literature. Then, the effects of cell dimensions and configuration were investigated on the temperature rise and nonuniformity of the battery cells. In the second part, an air-based and a water-based thermal management system were developed, and the cooling performance of them were optimized. As cooling system, aluminum plates with mini-channel system was designed to a single-cell and battery packs. Design parameters, for example, channel number and width, inlet flow rate, and cooling material were optimized. As cooling material, water- and air-cooling performances were compared. Pressure drop and velocity profiles inside the channels were illustrated. Both internal and external temperature profiles of a single cell and battery packs were investigated with and without cooling systems. In the last part, the optimized cooling systems were applied on the developed 4S1P battery modules. The needed inlet flow rates and power consumption values were calculated to keep the battery pack in an optimal operation temperature range (10-40 °C). The outcomes of this work showed that using upgraded mini-channel cooling plates adequately controls the temperature level and uniformity of the single cells and battery packs. With increasing the inlet flow rate, cooling efficiency can be as high as 60%.
Benzer Tezler
- Li-iyon batarya modelinin en uygunlaştırılması ve batarya bozunumunun incelenmesine katkılar
Contributions to optimization of Li-ion battery models and analysis of battery degradation
HAKAN İNCESU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Tarihi camilerin modern teknolojilerle enerji etkin aydınlatılması
Energy efficient illumination of historical mosques using modern technologies
LALE ERDEM ATILGAN
Doktora
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ESMA DİLEK ENARUN
- An optimal generation dispatch for a reliable and environment friendly microgrid using multi-objective optimization
Güvenilir ve çevre dostu bir mikro şebeke için çok amaçlı optimizasyon tabanlı optimum üretim dağıtımı
IKRAMUL HASAN SOHEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VEYSEL MURAT İSTEMİHAN GENÇ
- Building energy management system design by using internet of things
Nesnelerin internetiyle bina enerji yönetim sistemi tasarımı
HAITHEM CHAOUECH
Doktora
İngilizce
2021
Bilim ve TeknolojiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CELAL ÇEKEN
- Binek araçlar için tampona entegre aktif kanatçık sistemi geliştirilmesi
Development of bumper integrated active grille system for passenger cars
TUNAHAN SARIKILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM ÖZYURT