Pil benzeri ısıl koşullara sahip silindirlerin hem tekil hem de özgün tasarlanmış pil paketi içerisinde pasif soğutulmasının deneysel incelemesi
Experimental investigation of passively cooled cylinder with battery-like thermal conditions for both single and uniquely designed battery pack
Yazar: SATILMIŞ TEKİN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKER TÜRKAKAR
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, lityum iyon pillerin pasif termal yönetim sistemlerinden Faz Değişim Malzemesi (FDM) kullanımı ile soğutulması deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaçla iki farklı deneysel çalışma yapılmıştır. İlk deneysel çalışmada, FDM ısı iletim katsayısının artırılması amacıyla içerisine bakır tel örgü koyarak FDM/bakır tel örgü kompoziti oluşturuldu ve zamana bağlı ısıl davranışı doğal taşınım ortamında incelendi ve kıyaslandı. İkinci deneysel çalışmada, özgün tasarıma sahip alternatif bir pil paketi soğutma sistemi önerilmiştir. Pil paketi, alüminyum malzemeden (Al 6065) özel olarak tasarlanan hazne içerisine 12 adet test pilinin (26650 LiFePO4/C) 4S3P düzeninde yerleştirilmesiyle oluşturulmuştur. Piller etrafında FDM kullanılarak, doğal taşınım ortamında düzgün sıcaklık dağılımı elde etmek amaçlanmıştır. Sürekli rejimde yürütülen tekil (birinci durum) deneylerde ısıtıcı etrafına FDM(CrodaTherm37)/bakır tel koyulması durumunda FDM katı halde iken FDM+cam ısıl direncini %52 düşürmüştür. FDM sıvı fazda olduğu durumda ise FDM/tel+cam ısıl direncini %30 artırmıştır. Özel olarak tasarlanan geometride (ikinci durum) hava tarafındaki kanatlı yapı hücrelerde daha düzgün sıcaklık dağılımı sağlanmasına yardımcı oldu. Bu şekilde, CrodaTherm32 ve CrodaTherm37 ile yapılan tüm şarj/deşarj analizlerinde batarya içerisindeki maksimum sıcaklık farklı 5˚C'nin altında tutulmuştur.
5C deşarj hızında üç çevrim yapıldığı durumda yalnızca CrodaTherm37 pil paketi maksimum sıcaklığını kritik değerin (60˚C) altında tutabilmiştir.

Abstract:
In this study, the cooling of lithium-ion batteries using Phase Change Material (PCM), a passive thermal management system, has been experimentally investigated. For this purpose, two different experimental studies were conducted. In the first experimental study, a composite with copper wire mesh has been formed to increase the thermal conductivity of PCM and its transient thermal behaviour has been examined and compared under free convection. In the second experimental study, an alternative battery pack cooling system with a unique design is suggested. The battery pack is formed by placing 12 test batteries (26650 LiFePO4/C) in the 4S3P arrangement in custom-designed aluminum (Al 6065) chamber. It is aimed to provide uniform temperature distribution using PCM around the cells under free convection. As a result of the tests carried out for steady-state conditions (first case), by using solid-phase PCM(CrodaTherm37)/copper wire composite, the thermal resistance of PCM/copper+glass is decreased by 52% compared to the heater surrounded by only PCM configuration. If the same experiment is held for liquid phase PCM/copper wire composite, PCM/copper+glass thermal resistance is 30% higher than the only PCM case. A tailor-made finned geometry (second case) helped provide a more homogenous temperature in the cells thanks to the finned structure on the air side. In this way, the maximum temperature difference inside the battery pack is kept below 5˚C for all cases of discharge/charge analysis with CrodaTherm32 and CrodaTherm37.
The maximum temperature of the battery pack could be kept below the critical value (60˚C) only when CrodaTherm37 was employed for three consecutive cycles at a discharge rate of 5C/7.83W.