Investigation of battery temperature distribution based on cell structure
Bataryalarda sıcaklık dağılımının hücre yapısına göre incelenmesi
- Tez No: 958885
- Danışmanlar: PROF. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT, DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVAN KARABETOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- 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: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 111
Özet
Kara ulaşımında fosil yakıtlı araçlar yerine elektrikli araçlara geçiş, temiz enerji ve sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşmak için atılan en etkili adımlardan biridir. Küresel enerji talebi zamanla artış göstermektedir. Bu talep, iklim değişikliği ve fosil yakıtların neden olduğu çevresel zarar konusundaki farkındalığın artmasıyla birleşerek, sürdürülebilir ulaşım çözümlerine geçişi hızlandırmıştır. Elektrikli araçlar, sera gazı emisyonlarını azaltmaları ve enerji verimliliğini artırmaları sayesinde umut verici teknolojiler olarak öne çıkmaktadır. Elbette her teknoloji beraberinde bazı zorluklar da getirmektedir; özellikle batarya performansı, güvenlik, maliyet ve dayanıklılık konularında. Son yıllarda yapılan çalışmalar, elektrikli araçların tork, menzil ve hızlı şarj yetenekleri gibi performanslarını artırmaya odaklanmıştır. Bu iyileştirmelerle birlikte, termal kaçak ve yanma gibi istenmeyen durumlara karşı önleyici çalışmalar da yürütülmektedir. Elektrikli araçlarda enerji depolama sistemi, araç performansının, menzilinin ve güvenliğinin geliştirilmesi ve optimize edilmesi açısından kritik bir role sahiptir. Hidrojen yakıt hücreleri ve süperkapasitörler gibi çeşitli enerji depolama teknolojileri arasında, lityum-iyon bataryalar (LIB'ler), yüksek enerji ve güç yoğunlukları ve uzun çevrim ömürleri nedeniyle baskın bir seçenek olarak görülmektedir. Ayrıca LIB'lerin üretim teknolojisi daha olgunlaşmış olup, bu durum onları diğer depolama sistemlerinin önüne taşımaktadır. Ancak tüm bu avantajlara rağmen, lityum-iyon bataryalar; termal kararsızlık, çevrimler boyunca bozulma ve çalışma sırasında düzensiz sıcaklık dağılımı gibi belirli sınırlamalara sahiptir. Bu nedenle, lityum-iyon bataryaların elektrokimyasal, elektriksel ve termal davranışlarının ayrıntılı bir şekilde incelenmesi, elektrikli araç uygulamalarında güvenilirliklerinin ve verimliliklerinin artırılması açısından gereklidir. Bu yüksek lisans tezinde, elektrikli araçlarda kullanılmak üzere tasarlanmış yüksek voltajlı lityum-iyon bataryaların kapsamlı bir analizi gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma, bataryaların kimyasal, elektriksel ve termal incelemelerini kapsamakta, ayrıca farklı çalışma koşullarındaki enerji ve güç özelliklerini incelemektedir. İnceleme ve karşılaştırmalardan önce, lityum-iyon bataryaların temel prensipleri, yapıları ve çalışma sıcaklıklarının batarya performansına etkisi ele alınmıştır. Düşük ve yüksek çalışma sıcaklıklarının neden olduğu; iç direnç artışı, lityum kaplama, elektrolit bozunması ve termal kaçak riski gibi olumsuz etkiler ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Ayrıca bataryalarda sıcaklık dağılımının homojen kalmasını sağlayan batarya termal yönetim sistemlerinin (BTMS) kritik rolü tartışılmıştır. Tezde ayrıca, batarya performansının temel belirleyicisi olan pozitif elektrot malzemelerinin yapıları incelenmiş ve özellikle katmanlı, spinel ve olivin katot konfigürasyonlarına odaklanılmıştır. Bu farklı katot yapıların bataryaların elektriksel ve termal performansı üzerindeki etkileri ile oksijen salınımı ve manganez 31 çözünmesi gibi çalışma riskleri üzerindeki etkileri analiz edilip karşılaştırılmıştır. Katmanlı katotlar yüksek enerji yoğunlukları, spinel katotlar daha iyi difüzyon ve orta düzeyde ısı üretimi, olivin katotlar ise olağanüstü termal stabiliteleri ile kendi avantaj ve dezavantajlarıyla değerlendirilmiştir. Bu bulgular, enerji yoğunluğu, güvenlik ve maliyet arasındaki rekabet eden talepleri dengelemek için belirli elektrikli araç uygulamalarına uygun katot malzemelerinin seçimi konusunda fikir vermektedir. Bu fenomenleri nicel olarak daha iyi anlamak için COMSOL Multiphysics yazılımı kullanılarak ayrıntılı elektrokimyasal ve termal simülasyon modelleri geliştirilmiştir. Modeller, batarya hücrelerinin fiziksel yapısını doğru bir şekilde temsil etmek ve sıcaklık ile potansiyel dağılımındaki düzensizlikleri yakalamak için üç boyutlu (3B) geometri kullanılarak oluşturulmuştur. Simülasyon alanlarını oluştururken, SVOLT NMX 155Ah ve Gotion LFP 150Ah olmak üzere iki ticari batarya hücresinin geometrik ve malzeme özellikleri referans alınmıştır. Geliştirilen modeller, SVOLT NMX 155Ah bataryası üzerinde laboratuvar ortamında yapılan deneysel verilerle doğrulanmış ve simülasyon sonuçlarının güvenilirliği kabul edilebilir hata payları içinde kalmıştır. Modelleme çalışmasında, bataryaların reaksiyon kinetikleri, katı ve sıvı fazlardaki iyon konsantrasyon profilleri ve elektrot ile elektrolit potansiyellerinin hesaplanması, elektrokimyasal-termal yaklaşımla analiz edilmiştir. Dinamik şarj koşulları altında bataryaların davranışını simüle etmek için Nernst-Planck, Butler-Volmer, Fick difüzyon ve ısı transferi denklemleri uygulanmıştır. Simülasyonda, hem elektrokimyasal reaksiyonlardan hem de ohmik kayıplardan kaynaklanan ısı üretimi dikkate alınmış ve farklı katot malzemeleri ile şarj oranlarının termal performansa etkisini anlamak için sıcaklık dağılımları değerlendirilmiştir. Simülasyonlarda, uzun vadeli yaşlanma etkileri veya katı elektrolit arayüzey (SEI) tabakasının büyümesi dikkate alınmamış, bunun yerine düzenli performans özelliklerine odaklanılmıştır. Dört farklı katot malzemesi (NMX, NCA, LFP ve LMO) ile iki farklı C-oranı şarj akımı (0.3C ve 1C) kombinasyonu kullanılarak toplam sekiz farklı vaka çalışması yapılmıştır. Bu senaryolar, farklı kimyasal yapılar ve çalışma oranları altında batarya performansının ve termal davranışın nasıl değiştiğini incelemek için seçilmiştir. Her bir vaka için maksimum, minimum ve ortalama yüzey sıcaklıkları, sıcaklık gradyanları, enerji yoğunluğu ve güç yoğunluğu gibi temel performans göstergeleri hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, katot malzemesi ve şarj oranı seçiminin bataryaların termal ve elektrokimyasal davranışını önemli ölçüde etkilediğini göstermiştir. NMX ve NCA gibi katmanlı katotlar yüksek enerji yoğunlukları sunarken, yüksek şarj oranlarında daha yüksek termal riskler ortaya çıkarmış; buna karşılık olivin (LFP) katotlar, daha düşük enerji yoğunluğu pahasına üstün termal stabilite sağlamıştır. Genel olarak, bu çalışma, elektrikli araçlar için lityum-iyon batarya tasarımında enerji yoğunluğu, termal stabilite ve güvenlik arasındaki kritik dengelere dikkat çekmektedir. Bulgular, batarya hücre yapısının, özellikle katot malzemesi seçiminin ve çalışma koşullarının bataryaların elektrokimyasal ve termal davranışlarını nasıl etkilediğini anlamaya katkı sağlamaktadır. Bu tezde geliştirilen ve doğrulanan 3B simülasyon modelleri, çeşitli senaryolarda batarya performansını öngörmek için yararlı bir araç sunmakta ve gelecekte daha güvenli ve daha verimli batarya sistemlerinin tasarımına rehberlik etmektedir. Sonuç olarak, lityum-iyon bataryaların kimyasal, elektriksel ve termal davranışlarının kapsamlı incelenmesi, deneysel doğrulama ve ileri düzey 3B modelleme ile birleştirilerek batarya performansının optimize edilmesine yönelik değerli bilgiler sunmaktadır. Farklı katot malzemeleri ve çalışma koşullarını sistematik olarak karşılaştırarak, bu tez, elektrikli araç bataryalarının güvenilirliğini, güvenliğini ve verimliliğini artırmaya yönelik araştırma çalışmalarına katkıda bulunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Switching to electric vehicles instead of fossil fuel-powered vehicles in land transportation is one of the most effective steps towards clean energy and sustainability goals. Increasing the performance of electric vehicles, such as torque and range, and preventing unwanted situations, such as combustion, are the main subjects of recent studies in these areas. Energy storage plays a critical role in the development of electric vehicles. In this study, batteries that store electricity electrochemically were examined and compared with other electric vehicle electricity-storage systems. In this master's thesis, chemical, electrical and thermal examinations and energy- power data of high-voltage lithium-ion batteries designed for use in electric vehicles were conducted. The working principle of lithium-ion batteries, their components, the effects of low and high operating temperatures on battery performance, and thermal management systems were also examined. The electrical behaviors of batteries; cell capacity, cell potential and energy-power density calculation theories were explained. In addition, positive electrode structures that are important in terms of battery performance were examined; the effects of layered, spinel and olivine cathodes on battery performance and operating risks were discussed. Simulation models were created in 3D geometry. The models created were verified based on the data of a commercial battery tested in a laboratory environment. The reaction kinetics of the battery, ion concentrations in the solid and liquid phases, and calculation methods for their potentials were examined using electrochemical modeling. In addition, thermal modeling and heat source data transmission are discussed. 3D modelling studies were tested with two different C-rate charging current values, and the behavior difference of the geometric form at different current values was examined in the modeling. Electrochemical- thermal behaviors and energy- power density values of the models were compared under different chemical structures and charging current rates.
Benzer Tezler
- Güneş enerjili uçaklarda farklı uçuş durumları için elektrik sisteminin performans analizi
Performance analysis of electrical system for different flight situations in solar aircraft
ÜMİT AK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER USTA
- Bataryaların ısıl analizlerinin yapılması ve ısıl yönetim sistemleri için soğutma yöntemlerinin incelenmesi
Thermal analysis of batteries and investigation of cooling methods for thermal management systems
CEYDA BERBER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMersin ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALKAN ALKAYA
- Numerical and experimental investigations of an air-cooled battery thermal management system
Hava soğutmalı batarya termal yönetim sistemlerinin sayısal ve deneysel incelenmesi
SİNAN GÖÇMEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDAL ÇETKİN
- Numerical modelling of a li-ion electric vehicle battery and its thermal management system
Lityum-iyon elektrikli araç bataryasının ve termal yönetiminin modellenmesi
BARIŞ IŞIKLAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT
DOÇ. DR. SENEM ŞENTÜRK LÜLE
- Lityum-iyon bataryaların ısıl yönetimi için şekilce kararlı kompozit faz değiştiren malzemelerin tasarımı ve performansının deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of the design and performance of shaped-stable composite phase-change materials for the thermal management of lithium-ion batteries
AŞKIN YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
EnerjiYalova ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET SELÇUK MERT