Dalgalı kanalda sıvı soğutmalı lityum-iyon batarya paketinin ısıl yönetiminin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the thermal management of liquid cooled lithium-ion battery pack in waved channel
Yazar: BİROL İPEK
Danışman: PROF. DR. SİNAN ÇALIŞKAN
Hitit Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Lityum iyon pil = Lithium ion battery

Özet:
Son yıllarda, enerji ve çevre sorunları giderek daha fazla öne çıkmaya başlıyor. Lityum-iyon pil 
ile çalışan elektrikli araçlar bu sorunları hafifletmede büyük bir potansiyel avantaj 
sağlamaktadır. Lityum-iyon piller, diğer pillerle karşılaştırıldığında yüksek özgül enerji, yüksek 
enerji yoğunluğu, uzun ömür, düşük kendi kendine deşarj oranı ve uzun raf ömrü gibi 
avantajlara sahiptir. Elektrikli araçlarda güç kaynağı olarak kullanılan lityum-iyon pillerin 
sıcaklık kontrolü, batarya performansı açısından oldukça önemlidir.

Çalışmada, Lityum NCA 18650 tipi 22 adet pil paralel olarak birbirine bağlanmıştır. Piller 4 sıra 
halinde 6-5-6-5 grup biçiminde yerleştirilerek bir batarya termal yönetim sistemi 
tasarlanmıştır. Bu batarya termal yönetim sistemi için, 3 farklı kanal U, 2-U ve 4-U bükümlü 
kanal yapıları modellenerek, kanallarda akışkan bölme sayıları ve soğutucu akışkanın 
kanallara giriş yönleri değiştirilerek modeller incelenmiştir. Parametrik çalışmalar için ele 
alınan, FloEFD programı ile oluşturulan 4-U bükümlü 4 bölmeli dalgalı kanal için bataryanın 
soğuma etkileri incelenmiştir. Soğutucu akışkan olarak kullanılan suyun sıcaklığı ile çevre 
sıcaklığı 25°C, çalışma basıncı ise 1 atm olarak ele alınmıştır. Farklı C-oranları (1C-2C-3C) ve 
farklı Reynolds sayılarında (800-1200-1600-2000) FloEFD programı ile sayısal analizler 
yapılmıştır.

U, 2-U ve 4-U bükümlü kanal analizleri sonucunda, 4-U bükümlü kanal yapısına sahip 
modelinin, U bükümlü kanala göre Tmak değerinin %1,3 azaldığını ve 2-U bükümlü kanala göre
de Tmak değerinin %2,9 azaldığı belirlenmiştir. 4 bölmeli kanalın 1-2-3 bölmeli kanala göre 
daha iyi bir performans gösterdiğini ve batarya üzerinde oluşan ısıyı daha fazla düşürdüğü bulunmuştur. Ayrıca seçilen kanal yapısında (4-U, 4 bölmeli) yapılan parametrik çalışmalar da 
lityum-iyon batarya paketinin 1C ve 2C deşarj oranı için farklı Reynolds sayılarında, ideal 
çalışma sıcaklık aralığında (20°C-40°C) tutulabildiği görülmüştür.

Abstract:
In recent years, energy and environmental issues are starting to come to the fore more and 
more. Electric vehicles powered by lithium-ion batteries offer a great potential advantage in 
alleviating these problems. Compared with other batteries, lithium-ion batteries have 
advantages such as high specific energy, high energy density, long life, low self-discharge rate 
and long shelf life. Temperature control of lithium-ion batteries used as a power source in 
electric vehicles is very important in terms of battery performance.

In the study, 22 lithium NCA 18650 type batteries were connected in parallel. A battery thermal 
management system was designed by placing the batteries in 4 rows in 6-5-6-5 groups. For 
this battery thermal management system, 3 different channel U, 2-U and 4-U twisted channel 
structures were modeled and the models were examined by changing the number of fluid 
divisions in the channels and the inlet directions of the refrigerant to the channels. The cooling 
effects of the battery were investigated for the 4-U twisted 4-split wavy channel created with 
the FloEFD program, which was considered for parametric studies. The temperature of the 
water used as the refrigerant and the ambient temperature is 25°C, and the working pressure 
is 1 atm. Numerical analyzes were performed with the FloEFD program at different C-ratios 
(1C-2C-3C) and different Reynolds numbers (800-1200-1600-2000).

As a result of U, 2-U and 4-U twisted duct analysis, it was determined that the Tmax value of the 
model with 4-U twisted duct structure decreased by 1.3% compared to the U-bent duct and the 
Tmax value decreased by 2.9% compared to the 2-U twisted duct. It has been found that the 4-chamber channel performs better than 1-2-3 and reduces the heat generated on the battery 
more. In addition, parametric studies performed on the selected channel structure (4-U, 4-
chamber) have shown that the Lithium-ion battery pack can be kept in the ideal operating 
temperature range (20°C-40°C) at different Reynolds numbers for 1C and 2C discharge rates.