Elektrikli araçlar için hava soğutmalı batarya termal yönetim sisteminin tasarımı ve deneysel incelenmesi
Design and experimental investigation of air-cooled battery thermal management system for electric vehicles
Yazar: EKREM SEZİCİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FİKRET POLAT
Düzce Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Batarya termal yönetim sistemi = Battery thermal management system ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Lityum iyon pil = Lithium ion battery

Özet:
Çevre kirliliğinin azaltılması ve çevrenin korunması ile birlikte iklim değişikliğinin en büyük sorunları hafifletilmeye çalışılmaktadır. Çevre kirliliğinin %23'lük kısmı otomotiv sektörüne aittir ve otomotiv sektörü neden olduğu bu kirliliği içten yanmalı motorlar yüzünden gerçekleştirmektedir. Bu sebeple de hem otomotiv üreticileri hem de bilim adamları zararlı emisyonlardan kurtulmak için elektrikli araçların (EA) ve hibrit elektrikli araçların (HEA) geliştirilmesi için büyük çabalar harcamaktadırlar. Batarya paketi elektrikli araç ve hibrit elektrikli araçların en önemli aksamını oluşturmaktadır. Hibrit elektrikli araçların bir kısmı ya da tamamı elektrikle çalışırken elektrikli araçlar tamamen batarya paketi ile çalışır. Enerji ve güç yoğunluğunun yüksek olduğu lityum iyon piller, uzun ömürlü ve çevre dostu olmaları nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte düşük ve yüksek sıcaklık değerlerinde performansın düşmesi, pil hücrelerinin dayanıklılığının ve ömrünün tükenmesi, termal kaçaklar nedeniyle oluşan güvenlik riskleri pil paketi için batarya termal yönetim sistemini zorunlu kılmaktadır. Bu tez çalışmasında, silindirik yapıdaki 18 adet lityum iyon pil hücresinden oluşan pil takımı ve üç farklı modelin (arka ve yan tarafların açık olduğu model, arka tarafın açık yan tarafların kapalı olduğu model ve arka tarafın kapalı yan tarafların açık olduğu model) bir arada olduğu hava soğutmalı batarya kutusu tasarlanıp imal edilmiştir. İmal edilen bu yapı ile hava soğutmalı batarya termal yönetim sisteminin soğutma deneyleri yapılmıştır. Fanın iki farklı hız değerinde (1,088   ve 0,812   hava akış debisi) kullanıldığı deneylerde pil paketinin şarj ve deşarj durumundaki sıcaklık değerleri incelenmiştir. Batarya kutusunun tasarımında hava deliklerinin portatif yapıda tasarlanması, tek batarya kutusunda farklı modellerin bir arada olmasını sağlamıştır. 25   oda koşullarında gerçekleştirilen deneylerde; hava akış hızının artması, pil paketinin sıcaklık dağılımının daha homojenik bir yapıda olmasını, hava giriş alanının artması ise soğutma performansını artırmıştır. Batarya paketinin ortasında yer alan pil hücrelerinin daha çok ısındığı gözlemlenmiştir. Ayrıca hava akışının doğrusal olması batarya paketi içerisindeki sıcaklık dağılımının daha homojen bir yapıda olmasını sağlamıştır. Bu çalışma ile hava soğutmalı batarya termal yönetim sistemi alanında yapılan çalışmalara katkı sağlamak amaçlanmıştır.

Abstract:
With the reduction of environmental pollution and protection of the environment, the biggest problems of climate change are tried to be alleviated. 23% of environmental pollution belongs to the automotive industry and the automotive industry carries out this pollution caused by internal combustion engines. For this reason, both automotive manufacturers and scientists are making great efforts to develop electric vehicles (EA) and hybrid electric vehicles (HEA) in order to get rid of harmful emissions. The battery pack is the most important component of electric vehicles and hybrid electric vehicles. While some or all of the hybrid electric vehicles are powered by electricity, electric vehicles are completely powered by the battery pack. Lithium-ion batteries, which have high energy and power density, are widely used because of their long life and environmental friendliness. However, the decrease in performance at low and high temperatures, the depletion of the durability and life of the battery cells, and the safety risks caused by thermal leaks necessitate the battery thermal management system for the battery pack. In this thesis, the battery pack consisting of 18 lithium-ion battery cells in a cylindrical structure and three different models (the model with the back and sides open, the model with the back side open, the sides closed, and the model with the back side closed and the sides open) are used. The cooled battery box is designed and manufactured. With this manufactured structure, cooling experiments of the air-cooled battery thermal management system were carried out. In the experiments where the fan was used at two different speeds (1,088 m^3/min and 0.812 m^3/min), the temperature values of the battery pack in charge and discharge conditions were examined. The portable design of the air holes in the design of the battery box enabled different models to be combined in a single battery box. In the experiments carried out in 25 room conditions; The increase in air flow rate increased the temperature distribution of the battery pack to be more homogeneous, and the increase in the air intake area increased the cooling performance. It has been observed that the battery cells in the middle of the battery pack get hotter. In addition, the linearity of the air flow has ensured a more homogeneous temperature distribution in the battery pack. With this study, it is aimed to contribute to the studies in the field of air-cooled battery thermal management system.