Lityum-iyon bataryaların termal performansının sayısal incelenmesi ve optimizasyonu
Numerical investigation and optimization of the thermal performance of lithium ion batteries
Yazar: ORHUN BATURAR
Danışman: PROF. DR. GAMZE GENÇ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Elektrokimyasal depolama = Electrochemical deposition ; Enerji depolama = Energy storage ; Enerji optimizasyon modeli = Energy optimization model ; Performans modelleme = Performance modelling

Özet:
Günümüzde insanların enerjiye duyduğu ihtiyacın artması ve büyük oranda bu ihtiyacın fosil yakıtlardan karşılanmasından kaynaklı küresel ısınma, asit yağmurları vb. gibi sorunların yaşanması sonucu yenilenebilir ve temiz enerji kaynaklar ile enerji üretimine ve üretilen bu enerjinin depolanmasına yönelmeler artmaktadır. Enerjinin depolanmasında ise emniyet ve sağlık açısından daha avantajlı olmalarından dolayı ikincil pil olan lityum iyon pillerin kullanımı gün geçtikçe değer kazanmaktadır.  Lityum iyon pillerin yüksek enerji yoğunluğu, çabuk şarj olabilme kabiliyeti, geniş çalışma sıcaklık aralığı ve uzun çevrim ömürleri gibi avantajlı özellikleri ise çalışma koşullarına bağlıdır. Bataryaların optimum sıcaklıkta çalışmaları şarj-deşarj döngüsünde çevrim ömrü ve kullanım süresini iyileştirmektedir. Bu nedenle lityum-iyon pillerde termal yönetim sistemleri önemlidir ve yönetim olarak hava, sıvı veya faz değişim malzemeler kullanılarak soğutulma ön plana çıkmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında 24 adet silindirik ticari 18650 NCA lityum-iyon pillerden oluşmuş batarya paketinin farklı şartlar için termal davranışı Siemens FloEFD programı kullanılarak incelenmiştir. Ele alınan bataryanın çalışma sıcaklığını optimum 18-33°C aralığında tutabilmek için farklı soğutma akışkanı (su ve hava), farklı akış hızları ve C-oran değerinin (1,2 ve 3) etkisi araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre sıvı soğutmalı batarya paketinin performansı hava soğutmalı batarya paketine göre daha yüksektir.

Abstract:
Today, as a result of the increase in the need of people for energy and the problems such as global warming and acid rain caused by the fact that this need is met from fossil fuels, there is an increasing tendency towards energy production with renewable and clean energy sources and the storage of the produced energy. In the storage of energy, the use of lithium-ion batteries, which are secondary batteries, is becoming more common day by day because they are more advantageous in terms of safety and health. Advantageous features of lithium-ion batteries, such as high energy density, fast charging capability, wide operating temperature range and long cycle life, depend on the operating conditions. Working at the optimum temperature of the batteries improves the life cycle and usage time in the charge-discharge cycle. For this reason, the thermal management systems are important in lithium-ion batteries and cooling the batteries using air, liquid or phase change materials is remarked. Within the scope of this thesis, the thermal behavior of a battery pack including 24 cylindrical commercial 18650 NCA lithium-ion batteries was investigated by using the Siemens FloEFD program. In order to keep the operating temperature of the considered battery in the optimum range of 18-33°C, the effects of different cooling fluids (water and air), different flow rates, and C-rate values (1,2 and 3) were investigated. According to the obtained results, the performance of the liquid-cooled battery pack is higher than the air-cooled battery pack.