Elektrikli araçlarda batarya soğutma plakasının nümerik analizler ile termal yönetimi
Thermal management of battery cooling plate in electric vehicles with numerical analysis
Yazar: MUSTAFA MARTİN
Danışman: PROF. DR. AKIN BURAK ETEMOĞLU
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Batarya termal yönetim sistemi = Battery thermal management system ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Lityum iyon pil = Lithium ion battery

Özet:
Elektrikli araçlarda batarya sistemlerinin soğutulması, bataryaların performansı, ömrü ve güvenliği açısından büyük bir öneme sahiptir. Yüksek sıcaklıklar, bataryaların enerji verimliliğini düşürmekte ve kimyasal yapısına zarar vererek ömrünü kısaltmaktadır. Bu nedenle, bataryalar için soğutma sistemleri, enerji kayıplarını minimize etmek ve batarya ömrünü uzatmak için kritik bir role sahiptir. Bu çalışmada, elektrikli araçlarda kullanılan silindirik hücreli lityum-iyon batarya modülünün sıvı soğutmalı sisteminin iyileştirilmesine odaklanılmıştır. İlgili çalışmada, paralel akışa sahip soğutma plakaları için oluşturulan farklı tasarımlar ile batarya modülünün soğutma verimliliğinin artırılması amaçlanmıştır. Çalışmanın amacı, deşarj esnasında pil hücrelerinde oluşan ısının neden olduğu sıcaklık dağılımını iyileştirmektir. Bu doğrultuda, farklı tasarımların performansları Ansys Fluent ortamında incelenmiştir. Modül, 4 seri 20 paralel dizime sahip (4x20) 18650 tipli silindirik pillerden oluşup, simetrik bir yapıya sahiptir. Bu yüzden analizler esnasında simetrik sınır şartı tercih edilmiştir. Yeni tasarımlar, soğutma plakasına eklenen kanatçıklar vasıtasıyla oluşturulmuştur. Kanatçıkların silindirik hücrelerin arasına konumlandırılması ile temas yüzeyinin artması ve deşarj anında oluşan ısıyı emerek maksimum sıcaklığı düşürmesi beklenmektedir. Bu bağlamda kıyaslamaların yapılabilmesi adına; baz model, kanatçık eklenmiş tasarım-1, genişletilmiş kanatçığa sahip tasarım-2 ve zıt akışlı, genişletilmiş kanatçığa sahip tasarım-3 olmak üzere dört adet sistem tasarlanmıştır. Ayrıca, sistemde kullanılan etilen glikol-su karışımının oransal değişiminin ve farklı soğutma sıvısı giriş hızlarının (0,1 – 0,3 m/s) batarya üzerindeki termal etkileri incelenerek sıcaklık dağılımı ve basınç düşümü gibi çıktılar değerlendirilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, tasarım-3 modelinde maksimum sıcaklığın en düşük seviyeye geldiği, fakat birbirine temas eden batarya hücrelerinde sıcaklık dağılımının homojen olmadığı görülmüştür. Maksimum sıcaklık ve sıcaklık dağılımının homojenliği dikkate alındığında, tasarım-2 modelinin en ideal sonuçları verdiği belirlenmiştir.

Abstract:
Cooling systems for battery systems in electric vehicles are crucial for battery performance, lifespan, and safety. High temperatures decrease battery efficiency and damage their chemical structure, reducing their lifespan. Therefore, cooling systems play a critical role in minimizing energy losses and extending battery life. This study focuses on improving the liquid-cooled system of a cylindrical cell lithium-ion battery module used in electric vehicles. Different designs of cooling plates with parallel flow were analyzed to enhance the cooling efficiency of the battery module. The goal is to improve the temperature distribution caused by heat generated during discharge. The module consists of (4x20) 18650-type cylindrical cells in a 4-series 20-parallel configuration with a symmetrical structure. Therefore, symmetric boundary conditions were used during the analyses. New designs were created by adding fins to the cooling plate. By positioning the fins between cylindrical cells, it is expected to increase the contact surface and reduce the maximum temperature by absorbing heat during discharge. Four systems were designed for comparison: the base model, design-1 with added fins, design-2 with extended fins, and design-3 with counterflow and extended fins. Additionally, the thermal effects of the proportional variation of the ethylene glycol-water mixture and different cooling fluid inlet velocities (0,1–0,3 m/s) were examined, and outputs such as temperature distribution and pressure drop were evaluated. Results showed that design-3 had the lowest maximum temperature, but temperature distribution was not homogeneous. Considering maximum temperature and temperature distribution homogeneity, design-2 provided the most ideal results.