Faz değiştiren malzeme ve gözenekli ortamlardan oluşan yapıiçerisindeki bataryanın ısıl performansının araştırılması
Investigation of thermal performance of battery inside the structure consisting of phase change material and porous media
Yazar: SİMGE ALTAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA YASİN GÖKASLAN
Van Yüzüncü Yıl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Batarya = Battery

Özet:
Bu çalışmada, lityum iyon pillerin farklı deşarj oranlarında ve farklı soğutma
tasarımlarında ısıl performansları deneysel olarak incelenmiştir. Lityum iyon pillerin
batarya yönetim sisteminin iyi olması kadar ısıl yönetim sisteminin de iyi tasarlanması
gerekmektedir. Lityum iyon pillerde yüksek sıcaklık istenmeyen bir durumdur. Pilin
yüksek sıcaklıklarda çalışması içyapısının bozulmasına, kapasitesinin kaybına ve yüksek
deşarj döngüsü ömrünün azalmasına sebep olmaktadır.
Bu kapsamda pil ve pil paketlerinin farklı koşullarda soğutulması durumlarındaki
batarya sıcaklıkları incelenmiştir. İlk olarak tekli pil için araştırmalar yapılmış olup farklı
hava kalınlıklarında ve farklı deşarj oranlarında bataryanın ve batarya kutusunun
sıcaklıkları belirlenmiştir. Hava kalınlığının artması batarya ısıl performansı açısından
oldukça önemlidir. Daha sonra aynı hava kalınlarındaki batarya kutusuna iki farklı faz
değiştiren malzeme (FDM) yerleştirmiş ve FDM'nin batarya ısıl performansına etkisi
araştırılmıştır. Düşük deşarj oranlarında her iki FDM hemen hemen aynı ısıl özelliği
göstermektedir. Fakat deşarj oranı arttıkça FDM 35 malzemesi daha iyi performans
göstermiştir. Fakat FDM 35 malzemesi katı fazda oldukça sert bir malzeme olup, batarya
modülü oluştururken dezavantaj oluşturmaktadır. Bu yüzden katı fazda daha yumuşak
olan FDM 42 malzemesi daha uygun olduğu tespit edilmiştir.
Dört seri ve iki paralel bağlantıdan oluşan iki özdeş batarya modülü oluşturulmuş
ve batarya kutusunun içerisinin boş, FDM'li ve kompozit FDM'li deney şartlarında farklı
deşarj oranlarında batarya modülünün ısıl performansı araştırılmıştır. Bu batarya
modüllerinde piller arası mesafenin 2 ve 8 mm olduğu iki farklı batarya kutusu ele
alınmıştır. Boş batarya modülünde en fazla 2C deşarj oranında deneylere imkân
sağlamıştır. Daha yüksek deşarj oranlarında batarya modülünün tavsiye edilen sıcaklık
değerini aşmaktadır. Fakat içerisine hem FDM hem de kompozit FDM yerleştirilmesi
durumunda batarya deşarj oranı 5C'ye kadar çıkmıştır. 5C deşarj oranında en yüksek
batarya sıcaklığı yaklaşık 60℃ olup pil için güvenli sıcaklık aralığındandır. Düşük deşarj
oranlarında FDM ve kompozit FDM'li batarya modüllerindeki batarya yüzey sıcaklıkları
hemen hemen aynıdır. Deşaj oranı arttıkça gözenekli yapının etkisi de görülmeye
başlanmıştır. Bakır örgü ve metal yün gözenekli yapılarla oluşturulan kompozit FDM'ler
sayesinde saf FDM'ye göre batarya yüzey sıcaklığı daha düşük olduğu saptanmıştır.
Ayrıca gözenekli yapı sayesinde kompozit FDM'nin efektif ısı iletim katsayısı artmış ve
batarya da üretilen ısıyı ortama daha hızlı aktarmıştır. Gözenekli yapılar sayesinde FDM
daha erken süre de eridiği görülmüştür. Batarya yüzey sıcaklığı bakımından hemen
hemen her iki metal gözenekli ortamlar aynı performansı sergilese de bakır örgülü FDM
en iyi ısıl performansı sergilemiştir.
FDM'li ve kompozit FDM'li batarya modülünde de piller arası mesafenin oldukça
önemli olduğu görülmüştür. Piller arası mesafe arttıkça batarya yüzey sıcaklıklarının daha
düşük olduğu görülmüştür. Bu piller arası mesafe arttıkça batarya kutusunun hacmi
dolayısıyla FDM hacmi artmaktadır. Batarya kutusu içerisinde daha fazla ağırlıkta
FDM'nin olması batarya ısıl performansı için önemli olduğu görülmüştür. FDM ve
özellikle kompozit FDM sayesinde batarya modülünün içerisindeki pillerin sıcaklıkları
da daha homojen ve birbirleri ile aynı sıcaklıklardadır.

Anahtar kelimeler: Batarya ısıl yönetim sistemi, Faz değiştiren malzeme,
Gözenekli ortam, Lityum iyon batarya, Pasif soğutma

Abstract:
This study experimentally investigated the thermal performance of lithium-ion
batteries at different discharge rates and different cooling conditions. The thermal
management system of lithium-ion batteries should be well designed as well as the battery
management system. High temperatures are undesirable in lithium-ion batteries.
Operating the battery at high temperatures causes the internal structure to deteriorate, the
capacity to be lost and the high discharge cycle life to decrease.
Battery temperatures in different cooling conditions of batteries and battery
modul are investigated. First, studies are conducted for a single battery and the
temperatures of the battery and battery box are determined at different air thicknesses and
different discharge rates. Increasing air thickness is very important for battery thermal
performance. Then, two different phase change materials (PCM) are placed in the battery
box with the same air thicknesses and the effect of PDM on battery thermal performance
is investigated. At low discharge rates, both PCMs showed almost the same thermal
properties. However, as the discharge rate increased, the PCM 35 material showed better
performance. However, the PCM 35 material is a very hard material in the solid phase,
which poses a disadvantage when creating a battery module. Therefore, it is determined
that the PCM 42, which is softer in the solid phase, is more suitable.
Two identical battery modules consisting of four series and two parallel
connections are created and the thermal performance of the battery module is investigated
at different discharge rates under the conditions of empty battery box, PCM and
composite PCM. In these battery modules, two different battery boxes with 2 and 8mm
distance between the batteries are considered. The empty battery module allowed
experiments at a maximum discharge rate of 2C. At higher discharge rates, the
recommended temperature value of the battery module is exceeded. However, when both
PCM and composite PCM are placed inside, the battery discharge rate increased to 5C.
At a 5C discharge rate, the highest battery temperature is approximately 60℃, which is
within the safe temperature range for the battery. At low discharge rates, the battery
surface temperatures in PCM and composite PCM battery modules are almost the same.
The effect of the porous structure began to be seen as the discharge rate increased. It is
determined that the battery surface temperature is lower in pure PCM thanks to the
composite PCMs formed with copper mesh and metal wool porous domain. In addition,
thanks to the porous domain, the effective thermal conductivity of composite PCM has
increased and the battery has transferred the heat produced to the environment faster. It
is observed that PCM melts earlier thanks to the porous structures. Although the two
metal porous environments exhibit almost the same performance in terms of battery
surface temperature, copper braided PCM exhibited the best thermal performance.
It is observed that the distance between the batteries is also very important in the
battery module with PCM and composite PCM. It is observed that as the distance between
the batteries increases, the battery surface temperatures are lower and better. As the
distance between the batteries increases, the volume of the battery box and therefore the
PCM volume increases. It is determined that the presence of a higher weight PCM in the
battery box is important for the battery thermal performance. Thanks to PCM and
especially composite PCM, the temperatures of the batteries in the battery module are
more homogeneous and at the same temperatures as each other.

Keywords: Battery thermal management system, Phase change material, Porous
domain, Lithium-ion battery, Passive cooling