18650 Li-iyon batarya paketleri için yenilikçi soğutma tasarımı ve nanoakışkanların termal performans üzerindeki etkileri
Innovative cooling design for 18650 Li-ion battery packs and the effects of nanofluids on thermal performance
Yazar: YUNUS EMRE HAMAMCI
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA KARAGÖZ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Fosil yakıtların tükenmesi ve karbon emisyonlarının çevreye verdiği zararlar, enerji sürdürülebilirliği konusundaki endişeleri artırmıştır. Bu doğrultuda, çevresel etkileri azaltmak ve yenilenebilir enerjiye geçişi hızlandırmak amacıyla elektrikli araçlar önemli bir alternatif haline gelmektedir. Elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılan lityum-iyon bataryalar, yüksek enerji yoğunlukları sayesinde yaygın olarak tercih edilse de aşırı ısınma riskine karşı etkin bir soğutma sistemine ihtiyaç duyarlar. Bu çalışmada, 18650 tipi lityum-iyon piller için tasarlanan bakır boru ve plakalarla desteklenen bir soğutma sistemi nümerik olarak incelenmiştir. Tasarlanan sistemde demineralize su, Su-BN ve Su-Al2O3 nanoakışkanları kullanılarak farklı debilerde (0,75 l/dk, 1,5 l/dk, 2,25 l/dk) ve deşarj hızlarında (1C, 3C, 5C) soğutma performansı karşılaştırılmıştır. Termal analizler sonucunda, debi arttıkça maksimum pil sıcaklığı ve pil sıcaklık farkının azaldığı gözlemlenmiştir. 0,75 l/dk debi ile 1,5 l/dk ve 2,25 l/dk debiler karşılaştırıldığında sırasıyla maksimum pil sıcaklığı ortalama %2,07 ve %2,66 oranında azalmıştır. Nanoakışkan kullanımıyla pil sıcaklıklarında etkili sıcaklık düşüşleri gözlemlenmiştir. Su-BN kullanıldığında sıcaklık düşüşü daha belirgindir, Su-Al2O3 ise daha az ama yine de anlamlı bir soğutma etkisi sağlar. 0,75 l/dk debide 5C deşarj değerinde Demineralize Su soğutucu akışkanı kullanıldığında maksimum pil sıcaklığı 30,92 °C iken bu değer Su-BN kullanımıyla %3,21 oranında, Su-Al2O3 kullanımıyla %1,60 oranında azalmıştır. Bu sonuçlar, lityum-iyon bataryaların su kullanımına nazaran nanoakışkanlarla daha güvenli ve verimli bir şekilde soğutulabileceğini ve nanoakışkanların bu süreçte önemli bir rol oynayabileceğini göstermektedir.

Abstract:
The depletion of fossil fuels and the environmental damage caused by carbon emissions have raised concerns about energy sustainability. Accordingly, electric vehicles are becoming an important alternative to reduce environmental impacts and accelerate the transition to renewable energy. Although lithium-ion batteries are widely used in electric vehicles due to their high energy density, they need an effective cooling system against the risk of overheating. In this study, a cooling system supported by copper tubes and plates designed for 18650-type lithium-ion batteries is numerically investigated. In the designed system, demineralized water, Water-BN, and Water-Al2O3 nanofluids were used to compare the cooling performance at different flow rates (0,75 l/min, 1,5 l/min, 2,25 l/min) and discharge rates (1C, 3C, 5C). As a result of thermal analysis, it was observed that the maximum battery temperature and battery temperature difference decreased as the flow rate increased. When 0,75 l/min flow rate was compared with 1,5 l/min and 2,25 l/min flow rates, the maximum battery temperature decreased by 2,07% and 2,66%, respectively. Effective temperature reductions in battery temperatures were observed with the use of nanofluids. The maximum battery temperature was 30,92 °C when using Demineralized Water coolant at a discharge value of 5C at a flow rate of 0,75 l/min, while this value decreased by 3,21% when using Water-BN and 1,60% when using Water-Al2O3. These results show that lithium-ion batteries can be cooled more safely and efficiently with nanofluids than with water and that nanofluids can play an important role in this process.