Lityum-polimer bataryalarda soğutma uygulamalarının optimizasyonu
Optimization of cooling applications in lithium-polymer batteries
Yazar: ONUR YAŞAR
Danışman: PROF. DR. ENVER YALÇIN ; PROF. DR. TAHİR HİKMET KARAKOÇ
Balıkesir Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Batarya = Battery ; Optimizasyon = Optimization ; Soğutma = Cooling

Özet:
Lityum-polimer bataryalar, havacılık sektöründe özellikle insansız hava araçlarında kullanılan batarya türlerinden birisidir. Tüm batarya sistemlerinde olduğu gibi, ağırlık ve ağırlığına oranla düşük kullanım süresi gibi problemlerin yanında, bataryanın şarj ya da deşarjı sırasında karşılaşılan en önemli sorunlardan bir tanesi de ısınma problemidir. Lityum-polimer bataryaların uzun süreli kullanılmaları sonucunda hücre sıcaklıkları yükselmekte ve yükselen hücre sıcaklıkları bataryaya zarar vermektedir. Bu sebeple lityum-polimer bataryalarda ısının etkili ve kısa sürede uzaklaştırılması sistem güvenliği ve performansı açısından önemlidir. Bu çalışmada lityum-polimer bataryaların hava ile soğutulması ve batarya modellerinin yüzeylerinden olan ısı transferi kabiliyetinin artırılması incelenmiştir. İnsansız hava araçlarında uçuş esnasında özellikle kalkış ve iniş durumlarında hava direncini azaltmak ve batarya sıcaklıklarını optimum seviyede tutmak için bir soğutma modeli geliştirilmiştir. Batarya modelleri üç boyutlu yazıcı kullanılarak üretilmiş ve bu batarya modellerinin üst yüzeyleri farklı yükseklik, kalınlık ve hatvelerde alüminyum kanatçıklar ile kaplanmıştır. Batarya modellerinin etrafındaki hava hızlarının ve akış yapılarının görüntülenmesi parçacık görüntülemeli hızölçer cihazı ile hava tünelinde gerçekleştirilmiştir. Parçacık görüntülemeli hızölçer cihazında gerçekleştirilen ölçümler; farklı deşarj oranları, farklı hava giriş sıcaklıkları için hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyon yazılımında analiz edilmiştir. Simülasyon sonuçları, deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış, batarya modelleri etrafındaki hız dağılımları ve sıcaklık dağılımları sunulmuştur.

Abstract:
Lithium-polymer batteries are one of the battery types used in the aviation industry, especially in unmanned aerial vehicles. Like all battery systems, one of the most important problems encountered during charging or discharging of the battery is the heating problem, as well as the problems such as weight and low usage time compared to its weight. As a result of usage of lithium-polymer batteries in long term, the cell temperatures increase and the increasing cell temperatures damage the battery. For this reason, it is important for system safety and performance to transfer heat effectively and in a short time in lithium polymer batteries. In this study, cooling lithium-polymer batteries with air and increasing the capability of heat transfer from the surfaces of the battery models were examined. A cooling model was developed in unmanned aerial vehicles to decrease air resistance and keep battery temperatures in an optimum level, especially during take-off and landing phases. The battery models were produced using a three-dimensional printer, and the upper surfaces of these battery models were covered with aluminum fins of different heights, thicknesses and pitches. The visualization of the air velocities and flow structures around the battery models were carried out in the air tunnel with particle image velocimetry. Measurements performed with the particle image velocimetry were analyzed with different discharge rates and different air inlet temperatures in the computational fluid dynamics simulation software. The simulation results were compared with the experimental results, and the velocity distributions around battery and temperature dissipations were presented.