Bataryaların ısıl analizlerinin yapılması ve ısıl yönetim sistemleri için soğutma yöntemlerinin incelenmesi
Thermal analysis of batteries and investigation of cooling methods for thermal management systems
Yazar: CEYDA BERBER
Danışman: DOÇ. DR. ALKAN ALKAYA
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrikli Araçlar (EA), enerji krizinin ve çevre kirliliğinin tehditlerini azalttığı için günümüzde oldukça popülerdir. Ancak, elektrikli araçlar hala batarya teknolojilerindeki iyileştirmeye ihtiyaç duymaktadır. Lityum iyon bataryalar, kullanılan diğer bataryalar ile karşılaştırıldığında, yüksek enerji yoğunluğu, yüksek güç yoğunluğu, uzun ömrü ve çevre dostu gibi özelliklere sahip olmasından dolayı EA' larda tercih edilir. Elektrikli araçların düşük menzil problemi, bütün bu avantajlarının yanısıra bu bataryaların olumsuz özelliklerinden biri haline gelmiştir. Bu problemi gidermenin ve performansını yükseltmenin yollarından biri de lityum iyon bataryaları belirlenen sıcaklık çalışma aralığında tutmaktır. Bu bataryalar yüksek performans ve güvenlik için belirlenen çalışma aralığının dışına çıktığında termal bozunmaya uğrar ve kapasite kaybı yaşar. Performans düşmesine sebep olan nedenlerden biri de; bataryanın içinde biriken ısının düzensiz dağılımıdır. Lityum iyon bataryalarda, şarj/deşarj esnasında kimyasal reaksiyonlar sonucunda oluşan ısı bataryanın dış yüzeyinde bataryanın iç yüzeyine oranla daha hızlı yayılır.  Bu farklılıklar ısının düzensiz dağılımına neden olur ve bataryanın kapasite kaybetmesine sebebiyet verir. Paket halindeki bataryaların konumlarından dolayı oluşan sıcaklık farkının yanı sıra tek bir hücrede oluşan düzensiz dağılım bile bataryanın ömrünü kısaltır ve performansını düşürür. Bu nedenle; sıcaklığı çalışma aralığında tutmak, düzensiz sıcaklık dağılımını önlemek, bataryanın ömrünü ve güvenliğini arttırmak için batarya ısıl yönetim sistemi (BIYS) oldukça önemlidir. Bu çalışmada, sayısal simülasyonlara dayalı olarak hibrit elektrikli (HEA) ve elektrikli  (EA) araçlarda kullanılan zarf tipi Lityum-iyon bataryaların farklı deşarj oranlarındaki termal davranışı ve performansı incelenmiştir. Sayısal simülasyon, hücre deşarj davranışını analiz etmek ve ısıl performansını araştırmak için çift potansiyel çok ölçekli- çok boyutlu (MSMD) pil modelini kullanan geleneksel yazılım paketi aracılığıyla yapılmıştır. Bataryanın maruz kaldığı yükler arttıkça sıcaklığın arttığı ve düzensiz ısıl dağılımının olduğu gözlenmiştir. Gerçekleştirilen modelin bataryaların homojen ısıl dağılımlarının sağlanması için batarya ısıl yönetim sistemlerinde kullanılabilecek doğrulukta olduğu görülmüştür.  Soğutma sistemlerinin üç metotlarından olan hava, sıvı ve faz değişim materyalleri ile soğutma deşarj durumundaki bataryaya uygulanmış ve performansları karşılaştırılmıştır. Ticari olarak da oldukça yaygın olan sıvı ile soğutma sistemi diğerlerinden daha iyi soğutarak gerçeğe uygun olduğu görülmüştür.

Abstract:
Electric Vehicles (EV) are very popular nowadays because they reduce the threat of energy crisis and environmental pollution. But electric vehicles should still need to improve battery technologies. Lithium ion batteries are preferred in EVs due to their high energy density, high power density, long life and environmentally friendly properties compared to other batteries used. But the low range problem of electric vehicles has become one of the negative features of these batteries besides all these advantages. One of the ways to eliminate this problem and improve its performance is to keep the lithium ion batteries in the specified temperature range. When these batteries go out of the specified operating range for high performance and safety, they are subject to thermal degradation and loss of capacity. One of the reasons that cause performance degradation; the irregular distribution of heat accumulated in the battery. In lithium ion batteries, the heat generated as a result of chemical reactions during charge / discharge spreads faster than the inner surface of the battery on the outer surface of the battery. These differences lead to irregular distribution of heat and cause the battery to lose capacity. In addition to the temperature difference due to the position of the batteries in the package, the irregular distribution in a single cell shortens the life of the battery and decreases its performance. Therefore; In order to keep the temperature in the operating range, to prevent irregular temperature distribution and to increase the life and safety of the battery, the battery thermal management system (BTMS) is very important. In this study, the thermal behavior and performance of envelope type Lithium-ion batteries used in hybrid electric (HEV) and electric (EV) vehicles at different discharge rates were investigated based on numerical simulations. Numerical simulation was performed through a traditional software package using the dual potential multidimensional multi-dimensional (MSMD) battery model to analyze the cell discharge behavior and investigate its thermal performance. When the battery load is increased, irregular thermal distribution and temperature rise has been observed. It has been seen that the model is accurate to be used in battery thermal management systems to ensure homogeneous thermal distribution of batteries. Air, liquid and phase change materials, which are one of the three methods of cooling systems, were applied to the battery in cooling discharge state and their performance was compared. It has been found that the liquid cooling system, which is also quite common in the commercial sector, is more realistic by cooling better than others.