Numerical modelling of a li-ion electric vehicle battery and its thermal management system
Lityum-iyon elektrikli araç bataryasının ve termal yönetiminin modellenmesi
- Tez No: 958833
- Danışmanlar: PROF. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT, DOÇ. DR. SENEM ŞENTÜRK LÜLE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Elektrikli araçlar, karbon emisyonlarını azaltmayı, hava kalitesini iyileştirmeyi ve fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmayı hedefleyen modern ulaşım stratejilerinin önemli bir bileşeni haline gelmiştir. Yüksek performanslı elektrikli araçlara olan talebin artmasıyla birlikte, verimli ve güvenilir batarya sistemlerine duyulan ihtiyaç da artmaktadır. Araştırmacılar ve elektrikli araç üreticileri, batarya performansını artırmak ve batarya yaşlanmasını önlemek amacıyla, bataryaları güvenli ve optimum sıcaklık aralığında tutacak çözümler geliştirmekte ve bu alanda çeşitli çalışmalar yürütmektedir. Bu tez kapsamında ilk olarak literatür çalışmalarının ve elektrikli araç üreticilerinin batarya soğutma sistemi tasarımlarında hangi parametreleri hedef olarak belirledikleri incelenmiştir. Bu inceleme sonucunda batarya içindeki maksimum sıcaklık, ortalama sıcaklık ve batarya içindeki sıcaklık farkının optimum seviyede tutularak aynı soğutma için harcanacak enerjinin minimum olması hedeflendiği görülmüştür. Literatür çalışmalarında birçok yeni tip gelişmiş soğutma modelleri geliştirildiği görülmüştür. Bunlardan batarya hava soğutma, sıvı soğutma, termoelektrik soğutma ve faz değiştiren materyal ile soğutma tipleri incelenmiş ve her bir soğutma tipinin avantajları ve dezavantajları karşılaştırılmıştır. Ticari araçlarda kullanılan soğutma tipleri incelendiğinde ise yapısal basitlik, düşük ağırlık, maliyet ve mevcut araç yapılarına entegrasyon kolaylığı gibi faktörler nedeniyle ağırlıklı olarak hava ve sıvı soğutma sistemlerinin tercih edildiği gözlemlenmiştir. Literatür çalışmalarında yeni ortaya konulan soğutma tiplerinin termal performans ve enerji verimliliği açısından avantajlarına rağmen üretim maliyetleri ve entegrasyon zorlukları nedenleri ile ticari araçlarda henüz uygulanmadıkları görülmüştür. Bu yapılan literatür çalışmalarında soğutma sistemlerinin genellikle bataryaların deşarjı süresince sabit ısı üretimi varsayımına dayanarak tasarlandığı ve bataryalardaki ısı üretiminin şarj durumu ile değişiminin göz önüne alınmadığı gözlemlenmiştir. Bundan dolayı bu tez çalışmasında prizmatik bir bataryanın farklı deşarj oranları ve farklı şarj durumlarında ısı üretiminin ve bataryadaki sıcaklık dağılımının elde edileceği bir batarya modelinin oluşturulması ve ısı üretimi sonucundaki batarya sıcaklığının optimum sıcaklık aralığında tutacak bir batarya soğutma sistemi tasarlanması hedeflenmiştir. Bu amaçla literatürdeki batarya modellerinin incelenmesi sonucunda eş değer devre modeli (Equivalent Circuit Model) ve çok ölçekli çok alanlı model (Multi-scale Multi-Domain Model) birlikte kullanılarak oluşturulacak bir batarya modeline karar kılınmıştır. Tez çalışmasında, yüksek enerji yoğunluğu ve kararlı voltaj aralığı ile elektrikli araçlara uygun 155 (168,32) Ah prizmatik Lityum-iyon batarya kullanılmıştır. Bataryanın gerçek kapasitesini belirlemek amacıyla, batarya %100'den %0 şarj durumuna kadar deşarj edilmiş ve bataryanın gerçek kapasitesi 168,32 Ah olarak ölçülmüştür. Eşdeğer devre modeli parametrelerini belirlenebilmesi için bataryanın dinamik tepkisinin elde edilmesi gerektiğinden, bataryaya hibrit darbe güç karakterizasyonu (Hybrid Pulse Power Characterization) testi uygulanmıştır. Test süresince bataryanın gerilim ve akım grafiği kaydedilmiş ve elde edilen bu veriler eşdeğer devre modeli oluşturmak için uygun hale getirilmiştir. Bataryanın simülasyon modelinin elde edilmesi için batarya geometrisi Solidworks programında modellenmiş ve ANSYS Fluent programında bataryanın bir ağ modeli oluşturulmuştur. Programda hibrit darbe güç karakterizasyonu testinden elde edilen veriler ile eşdeğer devre modelinin parametre değerleri belirlenmiş ve bu model çok ölçekli çok alanlı model ile birleştirilerek elektrokimyasal batarya modeli elde edilmiştir. Elde edilen batarya modeli elde edilen sıcaklık ve ısı üretiminin deneysel sonuçlar ile doğrulanması amacıyla batarya üzerinde sıcaklığın izleneceği altı farklı nokta belirlenmiştir. Batarya üzerinde belirlenen bu noktalara deneysel düzenekte sıcaklık sensörü yerleştirilmiştir. Aynı deşarj ve çevresel koşullar altında gerçekleştirilen fiziksel batarya deneyi ve batarya simülasyonu tamamlandıktan sonra, simülasyondan elde edilen sıcaklık sonuçları deneysel testlerden elde edilen sıcaklık ölçümleri ile karşılaştırılmıştır. Simülasyon çalışması sonucunda batarya içerisinde genel olarak homojen bir sıcaklık dağılımı gözlemlenmiştir. Deney ve simülasyon çalışmalarından elde edilen sıcaklık değerleri karşılaştırıldığında, bataryanın negatif elektrot tabı dışındaki bölgelerde deney ve simülasyon çalışmalarından elde edilen sıcaklıkların birbirine oldukça yakın olduğu ve aradaki farkın 1°C'yi geçmediği görülmüş fakat negatif elektrotun altındaki noktada belirgin bir sıcaklık farkı tespit edilmiştir. Bu bölgesel sıcaklık artışının temel nedeni bu bölgede akım yoğunluğunun fazla olmasına dayandırılmıştır. Batarya modelinin doğrulanmasının ardından, tasarlanan batarya soğutma plakası geometrisi bataryanın yan yüzeyine entegre edilerek SolidWorks programında modellenmiş ve ardından ANSYS Fluent ortamında ağ yapısı oluşturulmuştur. Elde edilen ağ yapısında batarya hacmine deney ile doğrulaması yapılmış olan batarya modeli tanımlanarak ağ modeli simülasyon çalışmaları için hazır hale getirilmiştir. Geliştirilen batarya soğutma sisteminin gerçekçi çalışma koşulları altındaki termal performansını değerlendirmek amacıyla bir araç hız profili seçilmiştir. Orta boyutlu bir elektrikli otobüsün fiziksel özellikleri ve batarya konfigürasyonu dikkate alınarak, seçilen bu hız profili üzerinden her bir batarya için zamana bağlı güç çekişi hesaplanmış ve bu zaman-güç profili ANSYS Fluent programına tanımlanmıştır. Simülasyonlar, giriş hızları 0,00625, 0,0125, 0,025 ve 0,05 m/s olan su, %50 glikol–su karışımı ve transformatör yağı soğutucuları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Yapılan simülasyon çalışmaları sonucunda, batarya içerisinde elde edilen maksimum sıcaklık, ortalama sıcaklık, batarya içi sıcaklık farkı ile birlikte kanal içindeki basınç kaybı ve gerekli hidrolik güç hesaplanmıştır. Bu veriler doğrultusunda, kullanılan soğutucu akışkanın tipi ve kanallardaki akış hızının batarya soğutma performansı üzerindeki etkisi detaylı olarak incelenmiştir. Yapılan inceleme sonucunda batarya sıcaklığının artan giriş hızıyla birlikte etkili bir şekilde azaldığı gözlemlenmiştir. Fakat 0,0125 m/s üstündeki giriş hızlarında bataryada anlamlı bir sıcaklık düşüşü gözlemlenmemiştir. Yüksek giriş hızlarında, tüm soğutucu akışkanlar ile benzer batarya sıcaklıkları elde edilirken, giriş hızı azaldıkça batarya sıcaklıkları arasındaki farklar artmıştır. Özellikle en düşük giriş hızı olan 0,00625 m/s'de, %50 glikol–su karışımı ile elde edilen maksimum batarya sıcaklığı, suya kıyasla yaklaşık %1 daha yüksek; transformatör yağı ile elde edilen maksimum sıcaklık ise suya kıyasla %9,21 daha yüksek bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
Electric vehicles (EVs) have become a key component of modern transportation strategies aimed at reducing carbon emissions, improving air quality, and decreasing reliance on fossil fuels. With the increasing demand for high-performance EVs, the need for efficient and reliable battery systems has increased. In this context, researchers and EV manufacturers conduct studies and develop solutions to maintain the EV batteries in a safe and optimum temperature range to achieve better battery performance and to prevent aging of the batteries. As a result of the literature review, it has been observed in the studies that battery cooling systems are generally designed based on the assumption of constant heat generation, without adequately addressing the dependency of heat generation on the state of charge (SoC) of the battery. In this thesis, a validated battery model that can compute heat generation and temperature distribution in a prismatic Li-Ion battery was developed, and a battery cooling system was designed to maintain battery temperature in the optimum range with minimum hydraulic power. To achieve this objective, a prismatic Li-ion battery with a nominal capacity of 155 Ah (168.32 Ah) was employed in this thesis, as it is well-suited for EV applications due to its high energy density and stable voltage characteristics. First, the battery was discharged from 100% to 0% state of charge (SoC) to determine the actual capacity of the battery. As a result of the experiment, the actual capacity was determined as 168.32 Ah. Then, the battery was tested experimentally with the HPPC procedure to capture the dynamic response of the battery. For numerical studies, the battery geometry was modeled in Solidworks, and a mesh model of the battery was generated in ANSYS Fluent. The parameters of the ECM were determined with test data derived from the HPPC test. Subsequently, the battery model was constructed by integrating the ECM parameters with a Multi-Scale Multi-Domain (MSMD) framework. After the electrothermal battery model was defined in the ANSYS Fluent, six different points were determined on the battery surface to monitor the temperature distribution on the battery geometry and validate the developed battery model with the experimental tests. Once the experimental test and the simulation for battery model validation, which were conducted under identical discharge and environmental conditions, were completed, the simulation temperature results were compared with the temperature measurements obtained from the experimental test. Following the validation of the battery model, designed battery cooling plate was located lateral side of the geometry and the battery was simulated under a power cycle derived from a driving cycle. The simulations were conducted using transformer oil, 50% water–glycol mix, and water at 0.00625, 0.0125, 0.025, and 0.05 m/s inlet velocities. As a result of the numerical simulation studies, the maximum and average battery temperatures, the temperature difference within the battery, the pressure drop across the cooling channels, and the required hydraulic power were obtained. Based on these results, the effects of the cooling fluid type and the inlet flow velocity on the battery thermal management performance were thoroughly investigated. The investigation revealed that the temperature in the battery decreased effectively with increasing inlet velocity. However, inlet velocities above 0.0125 m/s did not result in a significant reduction in battery temperature for all the cooling fluids. At higher inlet velocities, similar battery temperatures were obtained across all cooling fluids, whereas battery temperatures were became different as the inlet velocity decreased. Specifically, at the lowest inlet velocity of 0.00625 m/s, the maximum battery temperature obtained with the 50% glycol–water mixture was approximately 1% higher and the maximum temperature observed with transformer oil was 9.21% higher compared to maximum temperature obtained with water as cooling fluid.
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
- Physics based modeling of lithium-ion batteries for electrified vehicle simulations
Elektrikli araç simulasyonu için lityum-iyon bataryanın fiziksel modellenmesi
ECE KURT
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUĞÇE YÜKSEL BEDİZ
- Elektrikli taşıtlarda FBG algılayıcılar kullanılarak Li-Ion batarya sıcaklığının modellenmesi ve simülasyonu
Modeling and simulation of Li-Ion battery temperature using FBG sensors in electric vehicles
AYŞEGÜL AVCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiHibrid ve Elektrikli Taşıtlar Anabilim Dalı
DR. ABDURRAHMAN GÜNDAY
- State of charge estimation of lithium-ion batteries using machine learning approach
Makine öğrenmesi yaklaşımı kullanılarak lityum iyon pillerin şarj durumu tahmini
OSMAN ALPER ALTUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE AYAZ
- Elektrikli araçlardaki lityum iyon bataryalar için şarj durumu tahmini
State of charge estimation for lithium-ion batteries in electric vehicles
EGE ANIL BOSTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VOLKAN SEZER