Uçaklarda kullanıma yönelik batarya ısıl yönetim sistemlerinin araştırılması
Research on battery thermal management systems for airvehicles
Yazar: MELİH YILDIZ
Danışman: PROF. DR. TAHİR HİKMET KARAKOÇ
Anadolu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Gövde Motor Bakım Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Sürdürülebilir havacılık yenilenebilir enerji kullanımını gerektirmektedir. Havacılıkta
elektrik ve dolayısı ile batarya kullanımı, çevresel hassasiyetleri de dikkate alan bir çözüm
olarak öne çıkmaktadır. Bataryaların ısıl yönetimlerinin önemini ve gerekliliği yaşanan
pratiklerle ortaya konulmuştur. Bataryalarda hücreler arası dengenin sağlanması, ısıl kaçışın
engellenmesi ve ekonomik ömrün geliştirilmesi amacı ile ısıl yönetim gereklidir. Ancak batarya
ısıl yönetiminin getirdiği ek ağırlık ve enerji tüketimi, zaten özgül enerji seviyeleri istenenin
altında olan bataryaların etkinliğini daha da azaltmaktadır.
Elektrikli uçak kavramı ve uçaklarda elektrik kullanımının gelişimi incelenmiştir.
Ardından batarya yönetimine yönelik gereksinimler doğrultusunda batarya yönetim sisteminin
ve ısıl yönetim sisteminin temel işlevleri ve özellikleri açıklanmıştır. Batarya türleri ve
parametreleri incelenerek, bataryaların termodinamik, ısı transferi ve elektrokimyasal açıdan
analizleri yapılmıştır. Batarya sıcaklığının belirlenmesine yönelik analiz sonuçları ortaya
konmuştur.
Deney düzenekleri geliştirilmiş ve yapılan deneylerde farklı batarya
konfigürasyonlarının, ısıl davranışı, ısıl kaçış, verim ifadeleri, sıcaklık değişimleri ve değişim
hızları ölçülmüştür. Bataryaların endotermik ve ekzotermik davranışları incelenmiş, analiz
sonuçları ile deney ölçümlerinin uyuştuğu tespit edilmiştir. Batarya boyutlandırılma ve hücre
seçimine yönelik analizler sunulmuştur. Bir genel havacılık uçağında kullanılan kurşun asit
batarya yerine lityum alternatifleri geliştirilmiştir.
Isı üretiminin akım değeri ile anlık batarya kapasitesine bağlı olduğu görülmüştür.
Üretilen ısının büyük kısmının kayıp enerji olarak atıldığı değerlendirilmiştir. Batarya yönetim
sistemleri ve bağlantı elemanlarının ısı üretimine katkılarının ısıl yönetim açısından önemli
olduğu görülmüştür. Isıl kaçış deneysel olarak gözlenmiş, batarya hücrelerinin etkileşimleri
incelenmiştir. Yüksek batarya kapasitesi kullanımının, ısıl yönetime duyulan ihtiyacı azalttığı
görülmüştür. Enerji verimi %90 üzerinde olan bataryalarda ekserji veriminin %54 olduğu
hesaplanmıştır.

Abstract:
Sustainable aviation requires the use of renewable energy. The use of electricity and
therefore batteries in aviation is a solution that takes environmental considerations into account.
The importance and necessity of the thermal management of the batteries have seen through
practices. Thermal management is necessary for balancing the cells, preventing thermal
runaway and improving economic life. However, the additional weight and energy consumption
of the thermal management, further reduces the effectiveness of the batteries, which are already
below the desired levels.
The concept of electric aircraft and electricity use in airplanes have been examined.
Then the basic functions and features of the battery management system and the thermal
management system are explained in accordance with the requirements. The battery types and
parameters were examined, thermodynamic, heat transfer and electrochemical analyses were
presented. Battery temperature determination was analyzed.
Experimental setups have been developed and different battery configurations, thermal
behavior, thermal escape, efficiency, temperature changes and rate of change have been
measured. The endothermic and exothermic behaviors of the batteries were investigated, and
the results of the analyses were found to agree with the experimental measurements. Analyzes
for battery sizing and cell selection are presented. Lithium alternatives have been developed in
lieu of a lead acid battery used in a general aviation aircraft.
It is seen that the heat production depends on the current value and the instantaneous
battery capacity. It is estimated that most of the heat generated is lost energy. Battery
management systems and fittings contribution to heat generation have been found to be
important for thermal management. Thermal runaway was observed experimentally and the
interactions of the battery cells were investigated. The use of high battery capacity has been
shown to reduce the need for thermal management. Exergy efficiency of battery is calculated
to be 54% whose energy efficiency is over 90%.