Elektrikli araçlarda batarya termal yönetim sistemlerinin optimum tasarım
Optimum design of battery thermal management system of electric vehicles
Yazar: EMRE BULUT
Danışman: PROF. DR. FERRUH ÖZTÜRK
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Batarya termal yönetim sistemi = Battery thermal management system ; Granülosit = Granulocyte ; Serpantin = Serpentine

Özet:
Batarya termal yönetim sistemlerinde sıvı ile soğutma yöntemi etkili bir yöntemdir. Bu çalışmada dört hücreden ve on iki hücreden oluşan iki farklı batarya modülü için içerisinde farklı tip kanal yapısı olan soğutma plakalarının optimum tasarımı üzerine çalışmalar yapılmıştır. Dört hücreden oluşan batarya modülü için içerisinde serpantin kanal olan soğutma plakası tasarlanmış ve serpantin kanalı oluşturan paralel kanal sayısının ve soğutucu akışkan kütlesel debisinin soğutma performansına ve basınç düşümüne etkileri incelenmiştir. Kanal yüksekliği, kanal genişliği ve kütlesel debi tasarım değişkeni olarak belirlenerek LHS yöntemiyle tasarım noktaları oluşturulmuş ve CFD analizleri yapılmıştır. Belirlenen tasarım noktaları arasından en iyi tasarımları belirleyebilmek için GRA yöntemi kullanılmıştır. Önerilen LHS – GRA yöntemiyle ortalama ısı taşınım katsayısından %11.3 ödün vererek basınç düşümü ve kütlesel debide baz tasarıma göre sırasıyla %40.3 ve %4.5 oranında iyileşme sağlanmıştır. On iki hücreli batarya modülü için içerisinden birbirine paralel üç kanal geçen soğutma plakaları tasarlanmıştır. Batarya modülündeki hücreler arasındaki en yüksek sıcaklık farkını ve basınç düşümünü azaltmak adına optimizasyon çalışması yapılmıştır. Kanal yüksekliği, kanal genişliği ve çıkıştaki kanal yüksekliğinin girişteki kanal yüksekliğine oranı tasarım değişkenleri olarak belirlenmiş ve LHS yöntemiyle belirlenen tasarım noktalarında CFD analizleri yapılmıştır. Bu analiz sonuçları kullanılarak RTF yöntemi ile düşük bağıl hataya sahip ve sağlam bir vekil model oluşturulmuştur. Vekil model kullanılarak her bir tasarım değişkeninin soğutma performansına ve basınç düşümüne etkileri ayrı ayrı incelenmiştir. NSGAII, NSGAIII, MOPSO ve CMOPSO yöntemleri ile optimizasyon çalışmaları yapılmış ve bu yöntemlerin performansları karşılaştırılmıştır. CMOPSO yöntemi ile sıcaklık farkında ve basınç düşümünde sırasıyla %30.3 ve %5.3 iyileştirme sağlanmıştır.

Abstract:
In this study, optimization studies were carried out to design cooling plates with different types of channel structures for two different battery modules. For the four-cell battery module, cooling plates with serpentine channels were designed and the effects of the number of channels and the mass flow rate on the cooling performance and pressure drop were investigated. The channel height and width and mass flow rate were determined as design variables. The design points were created with the LHS method and CFD analyzes were made. The GRA method was used to select the best designs. With the proposed LHS-GRA method, the optimized design provided 40.3% decrease in the pressure drop with a penalty of 11.3% decrease in the convective heat transfer coefficient. For the twelve-cell battery module, cooling plates with three parallel channels were designed. Optimization studies were conducted to reduce the temperature difference between the cells in the module and pressure drop. The channel height and width and the ratio of channel height at the outlet to the channel height at the inlet were determined as design variables and CFD analyzes were conducted. A robust surrogate model was created with the RBF method. The effects of each design variable on the cooling performance and pressure drop were examined. Optimization studies were carried out with NSGAII, NSGAIII, MOPSO and CMOPSO methods and the performances of these methods were compared. With the CMOPSO method, a 30.3% decrease in the temperature difference and a 5.3% decrease in the pressure drop were achieved.