Geri Dön

Lityum iyon araç bataryaların efektif olarak soğutulması ve homojen sıcaklık dağılımının sağlanması için farklı yöntemlerin deneysel ve sayısal olarak araştırılması

Numerical and experimental investigation of different methods for effective cooling of lithium-ion vehicle batteries and ensuring homogeneous temperature distribution

PDF İndir

  1. Tez No: 971353
  2. Yazar: FERHAT AKKUŞ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET ZERRAKKİ IŞIK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Batman Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Günümüzde elektrikli araçlar çevresel sürdürülebilirlik hedefleri doğrultusunda hızla yaygınlaşmakta olup, sistem performanslarında bataryalar kritik öneme sahiptir. Çevrim ömrünün ve enerji yoğunluğunun yüksek olması nedeniyle tercih edilen lityum iyon bataryalar, şarj-deşarj döngülerinde oluşan ısıl yükler sonucu performans kaybı ve güvenlik sorunları yaşayabilmektedir. Bu nedenle batarya termal yönetim sistemleri tasarımları yapılarak batarya paketlerinin, optimum sıcaklık aralığında ve hücreler arası sıcaklık farkı düşük olacak şekilde çalıştırılması gerekmektedir. Bu çalışmada 28 adet 18650 silindirik tip hücreden oluşan batarya paketleri, üçgen, içbükey, dışbükey ve köşeli olmak üzere dört farklı dizilimde tasarlanmış; hava, ısı borulu ve sıvı soğutmalı olmak üzere üç farklı termal yönetim sistemi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Hava soğutma çalışmalarında 10 A akım değerinin üzerindeki akımlarda doğal taşınım yetersiz kalmış, bu nedenle zorlanmış konveksiyon uygulanmıştır. Giriş fan hızlarının (4–12) m/s, çıkış fanlarının (0–7) m/s arasında değiştiği çalışmada, 10 A ile deşarjda tek çıkışlı yapı ile maksimum sıcaklık yaklaşık 31,5 °C seviyesinde oluşurken, iki çıkışlı yapı ile 29,8 °C'ye düşmüştür. 15 A akımda sıcaklık 52,8 °C seviyesinden 35 °C seviyelerine kadar düşürülmüş ve hava yönlendirme stratejisinin etkisi net biçimde gözlemlenmiştir. Ayrıca doğal taşınımla 65 °C seviyelerine ulaşan paket sıcaklığı, 9,6 m/s giriş ve fanlı çıkış kullanımıyla 31,15 °C'ye kadar düşürülmüş ve yaklaşık %52 oranında iyileşme elde edilmiştir. Simetrik giriş-çıkış konfigürasyonlarında çoklu çıkış fanı kullanımı, hava soğutma sistemlerinde en yüksek termal homojenlik ve soğutma performansını sağlamıştır. Isı borulu soğutma çalışmalarında hücreler arasına yerleştirilen farklı sayılardaki (1-2-3) bakır ısı boruları ve hava akışı birlikte değerlendirilmiştir. 5–20 m/s hava hızlarında gerçekleştirilen testlerde, içbükey dizilim tüm boru sayılarında en iyi performansı göstermiş, üç borulu yapı ve 20 m/s hava hızında sıcaklık farkı 1 °C'nin altına düşmüştür. Köşeli dizilimde 5 m/s hızda (9–10) °C olan sıcaklık farkı, üç borulu yapıda 20 m/s akış hızında yaklaşık 3 °C'ye kadar azaltılmıştır. Boru sayısının artırılması tüm dizilimlerde belirgin iyileşme sağlamıştır. Sıvı soğutma sistemlerinde ise farklı boru sayılarında soğutucu akışkan olarak su ve antifriz kullanılmış, (0,25–0,93) L/dk debi aralıkları test edilmiştir. Debi arttıkça sıcaklıklar düşmüş, antifriz daha homojen sıcaklık dağılımı sağlayarak suya kıyasla daha başarılı sonuçlar vermiştir. Yüksek ısı yüklerinde sıvı soğutmanın hava ve ısı borulu sistemlere göre daha düşük sıcaklık farkı ve kararlı termal davranış sağladığı belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, batarya modüllerinde hava, ısı borulu ve sıvı soğutma gibi farklı soğutma stratejilerinde dizilim geometrisinin ve debi kontrolünün termal performans üzerinde kritik rol oynadığını göstermektedir. Çoklu çıkış ve simetrik akış düzenleri hem maksimum sıcaklığı düşürmede hem de sıcaklık homojenliğini artırmada en etkili tasarımlar olarak öne çıkmıştır. Hava soğutma özellikle optimize fan yerleşimi ile başarılı sonuç verirken, ısı borulu ve sıvı soğutma sistemleri daha düşük sıcaklık farkı ve daha kararlı çalışma sunarak yüksek ısı yüklerinde üstünlük sağlamıştır.

Özet (Çeviri)

Today, electric vehicles are rapidly becoming widespread in line with environmental sustainability goals, and batteries are critical to system performance. Lithium-ion batteries, preferred for their long cycle life and high energy density, can experience performance loss and safety issues due to thermal loads generated during charge-discharge cycles. Therefore, battery thermal management systems must be designed to ensure battery packs operate within an optimal temperature range and with minimal temperature differences between cells. In this study, battery packs consisting of 28 cylindrical 18650 cells were designed in four different configurations: triangular, concave, convex, and angular. Three different thermal management systems—air-cooled, heat pipe-cooled, and liquid-cooled—were experimentally and numerically investigated. In the air cooling studies, natural convection was insufficient at currents above 10 A, so forced convection was applied. In the study, where the inlet fan speeds varied between (4–12) m/s and the outlet fan speeds between (0–7) m/s, the maximum temperature was approximately 31.5 °C with a single outlet structure at 10 A discharge, while it dropped to 29.8 °C with a dual outlet structure. At a current of 15 A, the temperature was reduced from 52.8 °C to 35 °C, and the effect of the air direction strategy was clearly observed. Furthermore, the package temperature, which reached 65 °C with natural convection, was reduced to 31.15 °C using a 9.6 m/s inlet and fan-assisted outlet, achieving an improvement of approximately 52%. The use of multiple outlet fans in symmetric inlet-outlet configurations provided the highest thermal homogeneity and cooling performance in air cooling systems. In heat pipe cooling studies, different numbers (1-2-3) of copper heat pipes placed between the cells and air flow were evaluated together. In tests conducted at air speeds of 5–20 m/s, the concave arrangement showed the best performance for all numbers of pipes, and the temperature difference fell below 1 °C for the three-pipe structure at an air speed of 20 m/s. The temperature difference of (9–10) °C at 5 m/s in the angular arrangement was reduced to approximately 3 °C in the three-pipe structure at a flow velocity of 20 m/s. Increasing the number of pipes provided a significant improvement in all arrangements. In liquid cooling systems, water and antifreeze were used as coolants with different numbers of pipes, and flow rates ranging from (0.25–0.93) L/min were tested. Temperatures decreased as the flow rate increased, and antifreeze provided more homogeneous temperature distribution, yielding more successful results compared to water. It was determined that liquid cooling provides a lower temperature difference and more stable thermal behavior compared to air and heat pipe systems under high heat loads. The results obtained demonstrate that the arrangement geometry and flow rate control play a critical role in the thermal performance of battery modules under different cooling strategies, such as air, heat pipe, and liquid cooling. Multiple outlet and symmetrical flow patterns have emerged as the most effective designs for both reducing maximum temperature and increasing temperature homogeneity. Air cooling has yielded successful results, particularly with optimized fan placement, while heat pipe and liquid cooling systems have demonstrated superiority under high heat loads by offering lower temperature differences and more stable operation.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    855638

    Hatalı yerleştirilen araç sigortalarının şablon eşleştirme yöntemiyle tespiti

    Detection of misplaced vehicle fuses using template matching method

    MUSTAFA KARAKURT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET KÜÇÜKER

  2. Tez No

    676095

    Modelling and state of charge estimation of lithium-ion batteries

    Lityum bazlı batarya hücrelerininmodelleme ve şarj durumu tahmini

    MANİ KAZIMI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN GÖKAŞAN

  3. Tez No

    528784

    Hibrit ve elektrikli araçlarda süperkapasitör ve lityum iyon bataryaların kontrol edilerek güç sistemlerinde kullanılması

    Using supercapacitors and lithium-ion batteries in hybrid and electric vehicles power systems

    FEYYAZ ALPSALAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    EnerjiCumhuriyet Üniversitesi

    Enerji Bilimleri ve Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ YAVUZ TÜRKAY

  4. Tez No

    307015

    Elektrikli taşıt araçlarında kullanılan lityum-iyon bataryaların modellenmesi ve benzetimi

    Modeling and simulation of electric vehicles? lithium-ion battery

    ALİ ABDULLAH SAYIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Makine MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM YÜKSEL

  5. Tez No

    878664

    E-mobilite uygulamaları için lityum-iyon bataryaların fizik tabanlı modellerinin karşılaştırmalı analizi

    Comparative analysis of physics-based models for lithium-ion batteries in e-mobility applications

    HAKKI YAVUZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE

Geri Dön