Elektrikli araç bataryalarının farklı metodlarla soğutulmasının deneysel ve sayısal analizi
Experimental and numerical analysis of the cooling of electric vehicle batteries with different methods
Yazar: ORHAN KALKAN
Danışman: PROF. DR. KADİR BAKIRCI ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ CELEN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Amaç: Elektrikli araçlarda kullanılan Lityum-iyon bataryalarının termal yönetiminde, batarya sıcaklığının istenilen aralıkta tutulması, sıcaklığın homojen dağılımı ve termal yönetim için harcanan enerjinin en aza indirgenmesi en önemli hususlardır. Bu amaçlar doğrultusunda, bir LiFePO4 torba tip bataryanın belirli çalışma şartlarında soğutulması, deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir.
Yöntem: Bu çalışmada bataryanın soğutulması, havanın doğal taşınımı ile soğutma yöntemi ve sıvı ile soğutma yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Doğal taşınım şartlarındaki hava ile soğutmada, 1C-5C deşarj hızı aralığında termal görüntüleme tekniği kullanılarak batarya yüzeyindeki sıcaklık dağılımları incelenmiştir. Sıvı ile soğutma yönteminde ise iki farklı tipteki soğutucu plaka kullanılarak 0,1 L/dk, 0,6 L/dk ve 1,1 L/dk soğutma sıvısı debilerinde, 15 °C, 25 °C ve 35 °C soğutma sıvısı giriş sıcaklığı şartlarında ve 1C-5C deşarj hızı aralıklarında deneyler yapılmıştır. Bu parametrelerin soğutma performansına olan etkileri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Hava ve sıvı ile soğutma yöntemleri kullanılarak bataryanın ısıl yöntemi deneysel olarak incelenirken, ANSYS-Fluent yazılımı ile de simülasyonları yapılmıştır. Ayrıca yeni tasarlanan mini kanallı soğutucu plakanın geometrik yapısı ve içerisinde dolaştırılan soğutma sıvısının debisi optimize edilmiştir. 
Bulgular: Doğal taşınım şartlarında, en yüksek deşarj hızında (5C) elde edilen maksimum, minimum ve ortalama batarya sıcaklıkları ise sırasıyla 52,2 °C, 45,5 °C ve 50,1 °C olarak ölçülmüştür. Mini kanallı soğutucu plaka (MKSP) kullanımı ile serpantinli soğutucu plakaya göre ortalama batarya sıcaklığında elde edilen maksimum düşüş 5,7 °C olup, bu değer 1,1 L/dk su debisi ve 15 °C su giriş sıcaklığı şartlarında elde edilmiştir. MKSP kullanımıyla basınç kaybında, en düşük (0,1 L/dk) ve en yüksek (1,1 L/dk) su debilerinde sırasıyla %29 ve %41 oranında azalma elde edilmiştir. MKSP'nin optimizasyonu sonucunda optimum debi değeri 0,706 L/dk bulunmuştur.
Sonuç: Bu çalışma sonucunda, bataryanın 3C deşarj hızı ve üzeri şartlarda havanın doğal taşınımı ile soğutulmasının yeterli olmadığı belirlenmiştir. Sıvı soğutma deneylerinde soğutma performansının en yüksek olduğu durum, MKSP kullanımı ile 25 °C su giriş sıcaklığı şartında elde edilmiştir. MKSP kullanımı ile yerel sıcaklık farkında yaklaşık %40 iyileşme elde edilmiştir. Maksimum deşarj hızında (5C) MKSP kullanımına bağlı ısı transfer hızında %22 oranında artış görülmüştür. Sonuç olarak yeni tasarıma sahip plaka ile daha etkin ve homojen sıcaklık dağılımına sahip bir soğutma sağlanırken basınç düşümleri de azaltılmıştır.

Abstract:
Purpose: Maintaining the temperature of the battery within a desired range, homogeneous distribution of temperature and minimizing the energy consumed for thermal management are the most important issues for the thermal management of Lithium-ion batteries used in electric vehicles. For these purposes, the cooling of a LiFePO4 pouch type battery under certain operating conditions has been investigated experimentally and numerically.
Method: In this study, cooling of the battery was carried out using the natural convection cooling method and liquid cooling method. Temperature distributions on the battery surface were investigated by using thermal imaging technique in the range of 1C-5C discharge rate for air cooling under natural convection conditions. The experiments for liquid cooling method have been carried out using two different types of cold plates under the conditions of 0.1 L/min, 0.6 L/min, 1.1 L/min coolant flow rates, 15 °C, 25 °C, 35 °C coolant inlet temperature and 1C-5C discharge rate range. The effects of these parameters on the cooling performance have been studied experimentally and numerically. In addition to the experimental study of the battery thermal management using air and liquid cooling methods, simulations were also performed with ANSYS-Fluent software. Moreover, the geometric structure of the novel designed mini channeled cold plate and the flow rate of the coolant circulated in it have been optimized.
Findings: Under natural convection conditions, the maximum, minimum and average battery temperatures obtained at the highest discharge rate (5C) were measured as 52.2 °C, 45.5 °C and 50.1 °C, respectively. The maximum decrease obtained in the average battery temperature under the conditions of 1.1 L/min water flow rate and 15 °C water inlet temperature is 5.7 °C using mini channel cold plate (MKSP) compared to the serpentine tubed plate. Considering pressure loss with the use of MKSP, a reduction of 29% and 41% was achieved in the lowest (0.1 L/min) and the highest (1.1 L/min) water flow rates, respectively. As a result of the MKSP optimization, the optimum flow rate was found to be 0.706 L/min.
Results: As a result of this study, it was determined that it is not sufficient to cool the battery by natural convection at 3C discharge rate and above conditions. The highest cooling performance was obtained with the use of MKSP at the water inlet temperature condition of 25 °C for liquid cooling experiments. An improvement of about 40% was achieved in the local temperature difference with the use of MKSP. There was a 22% increase in heat transfer rate due to the use of MKSP at the maximum discharge rate (5C). As a result, a more efficient and homogeneous temperature distribution is provided with the cold plate has novel design, as well as the pressure drops have been reduced.