Li-ion batarya paketleri için akıllı adaptronik termal yönetim sistemi tasarımı
Smart adoptronic thermal management system design for Li-ion battery packs
Yazar: MOHAMMAD JOULA
Danışman: DOÇ. DR. SAVAŞ DİLİBAL
İstanbul Gedik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Batarya termal yönetim sistemi = Battery thermal management system ; Faz değişimi = Phase change ; Lityum iyon pil = Lithium ion battery ; Yönetim sistemleri = Management systems ; Şekil hafızalı alaşımlar = Shape memory alloys

Özet:
Enerji sektörünün büyümesiyle birlikte enerji depolama sistemlerinin de önemi giderek artmaktadır. Lityum-iyon (Li-ion) bataryaları enerji sektörünün merkezine yerleşmiştir. Son yıllarda, elektrikli hava, deniz ve kara araçlar, konut veya şebeke ölçeğinde enerji depolama için bu bataryaların kullanımı istikrarlı bir şekilde artmaktadır. Li-ion bataryaların avantajları; yüksek enerji ve güç yoğunluğu, uzun ömürlü, düşük öz boşalım ve hafıza etkisinin olmamasıdır. Ancak bu bataryalarının kullanımındaki en büyük dezavantaj batarya grubunun yönetilmesinin gerekli olmasıdır. Bu konuda Li-ion bataryaların termal yönetimi kritik bir konudur. Düşük sıcaklık, bataryanın kapasitesini düşürürken yüksek sıcaklıklar patlama riskinin yanı sıra bataryanın ömrünü kısaltıp bozulmaya neden olmaktadır. Ayrıca, batarya grupları birçok seri ve paralel hücrelerden oluştuğundan ısı dağılımı paketin çeşitli noktalarda fark gösterip ısı dağılımının dengesiz yayımına sebep olabilmektedir. Batarya Termal Yönetim Sistemleri (BTMS) bu eksikliklere çözüm getirebilmektedir. Li-ion bataryaların termal yönetimi için birçok sistem türü mevcuttur. Bunlardan hava ile yönetim, sıvı ile yönetim, faz değişim malzeme (PCM) ile yönetim, kendinden ısıtma ve birçok hibrid sistem veya yenilikçi sisteme de rastlanılmaktadır. Bu sistemlerin her biri belirli avantajlara ve dezavantajlara sahiptir. Ancak, özellikle hafif elektrikli araçlar gibi ağırlık ve maliyetin önemi daha da fazla olan uygulamalarda faz değişim malzemeler ile yönetim sistemleri öne çıkmaktadır. Diğer taraftan kendinden ısıtma yöntemi maliyet ve performans bakımından diğer yöntemlere göre büyük avantajlara sahiptir. Bu çalışmada, iki farklı sistem önerisi yapılmıştır. Birincisinde, şekil hafızalı (bellekli) alaşımlardan nikel-titanyum (NiTi) alaşımlar kullanılarak, tekli ve dörtlü olmak üzere akıllı, adaptronik ve modüler iki tasarım önerisi yapılmıştır. Bataryadan veya harici kaynaktan enerji gereği duymadan pasif bir sistem olan bu tasarımlarda hava ve bataryanın ısı durumuna göre soğuk ve sıcak ortamlar arasında durum değiştirebilmektedir. Bu sayede batarya grubunun yıl boyu farklı iklimlere sahip bölgelerde yüksek şarj/deşarj işlemini yapabilmesine izin verilebilecektir. İkinci sistem önerisi ise, bir önceki sisteme faz değişim malzemeler ekleyerek yenilikçi ve hibrid bir tasarım önerisi yapmaktadır. Bu sistemde ise, batarya paketinin özellikle soğutma işleminde verimi artırılmaktadır. Sistemin modellemesi ve doğrulama işlemleri ayrıca yapılmış olup tezde sunulmuştur. Bunun sonucunda 5C deşarj oranında pil sıcaklığı soğutmasız 3C deşarj sıcaklık performansı sonucuna benzer sonuç gözlemlenmiştir. Her iki önerinin uygun maliyetli, hafif, seri üretime uygun, yüksek performanslı, hem soğuk hem sıcak iklimlere uyumlu ve pasif özellikleri ile diğer sistemlere göre daha avantajlı olacaktır.

Abstract:
With the growth of the energy sector, the importance of energy storage systems is increasing. Lithium-ion (Li-ion) batteries have been placed at the center of this energy sector. In recent years, the use of these batteries for electric air, marine, and land vehicles, residential or grid-scale energy storage has been growing steadily. The advantages of Li-ion batteries are high energy and power density, long life, low self-discharge, and no memory effect. However, the biggest disadvantage in the use of these batteries is that the battery group needs to be managed. In this regard, the thermal management of lithium-ion batteries is a critical issue. While low temperature reduces the capacity of the battery, high temperatures cause the risk of explosion as well as shorten the life of the battery and cause deterioration. In addition, since the battery groups consist of many series and parallel cells, the heat distribution may differ at various points in the package and this may cause unbalanced distribution of the heat distribution. Battery Thermal Management Systems (BTMS) can provide solutions to these deficiencies. Many types of systems are available for the thermal management of Li-ion batteries. Among these, air management, liquid management, phase change materials management, self-heating, and many hybrid systems or innovative systems are also encountered. Each of these systems has advantages and disadvantages. However, the phase change materials (PCM) and management systems come to the fore, especially in applications where weight and cost are even more important, such as light electric vehicles. On the other hand, the self-heating method has great advantages over other methods in terms of cost and performance. In this study, two different system proposals were made. In the first, two smart, adaptronic, and modular design proposals, single and quadruple, were made by using nickel-titanium (NiTi) shape memory alloys. In these designs, which are a passive system without the need for energy from the battery or external source, the state can change between cold and hot environments according to the temperature of the air and the battery. In this way, it will be possible to allow the battery group to perform high charge/discharge operations in regions with different climates throughout the year. The second system proposal makes an innovative and hybrid design proposal by adding phase change materials to the previous system. In this system, the efficiency of the battery pack was increased, especially in the cooling process. The modeling and verification processes of the system were made, and presented in the thesis. A result similar to the result of 3C discharge temperature performance without cooling of the battery temperature at 5C discharge rate was observed. Both proposals will have more advantages over other systems with their features such as being cost-effective, lightweight, suitable for mass production, high performance, compatible with both cold and hot climates, and passive.