Lityum iyon pillerinin düşük sıcaklıklarda pasif termal kontrolü için üretilen ısı yalıtım malzemelerinin pil deşarj performans üzerine etkilerinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of the effects of thermal insulation materials produced for passive thermal control of lithium-ion batteries at low temperatures on battery discharge performance
Yazar: ZÜLAL ARCA BATI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN OKTAY
Batman Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Enerji depolama sistemi = Energy storage system ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Isı yalıtımı = Heat insulation

Özet:
Bu çalışmada, bataryaların soğuk hava koşulların bataryalar üzerindeki olumsuz etkilerini ve bataryalardaki performans kaybını azaltmak amacıyla çalışmalar yapılmıştır. Yerli kaynaklardan temin edilen hammaddeler kullanılarak yanmayan, hafif, mekanik ve ısı yalıtım özellikleri yüksek yeni malzemeler üretilmiş ve test edilmiştir. Optimum özelliklere sahip üç numune, batarya kabininin iç yüzeyine kaplanmıştır.
Çalışmanın ikinci aşamasında, düşük sıcaklık şartlarında batarya sıcaklık ve performans testlerini gerçekleştirmek için bir test düzeneği oluşturulmuştur. 24V nominal voltaj ve 20Ah nominal kapasiteye sahip batarya paketi üzerinde testler gerçekleştirmek amacıyla üç farklı sürüş profili geliştirilmiştir. Bu testler, 0°C, -5°C ve -10°C sıcaklıklarda, yalıtımlı ve yalıtımsız durumlarda batarya deşarj deneyleri yapılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, bataryanın optimum çalışma sıcaklığında yapılan testlerle karşılaştırılmıştır.
Sonuçlar, yalıtım numunelerinin bataryanın ısınmasında önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Düşük ısı iletkenliği ve düşük ısı yayılımı özelliklerine sahip yalıtım numuneleri sayesinde, bataryanın çalışma süreci sırasında üretilen ısı büyük ölçüde tutulmuş ve yavaşça batarya kabin ortamına salınmıştır. Termal kontrol yöntemiyle batarya performans verimliliği, yalıtımsız duruma göre 0°C'de %5, -5°C'de %10 ve -10°C'de %10 artmıştır. Pratik elektrokimyasal enerji kullanım verimliliği çoğu deşarj süresi için %90'ın üzerinde bulunmuştur. Ayrıca, yalıtım numunelerinin deşarj performansının yalıtım kalınlığıyla ilişkili olduğu tespit edilmiştir. 1,5 cm, 2,5 cm ve 4 cm kalınlıklarda EPWSO yalıtım malzemesi ile kaplama durumu incelenmiş ve yalıtımsız duruma göre her yalıtım kalınlığı için batarya verimliliği artmıştır. Sonuçlar, yalıtımlı batarya kabinlerinde daha fazla termal enerjinin mevcut olduğunu ve bunun da bataryanın elektrokimyasal performansını iyileştirdiğini göstermiştir.

Abstract:
In this study, studies were carried out to reduce the negative effects of cold weather conditions on batteries and the loss of performance in batteries. Using locally sourced raw materials, new materials with non-flammability, lightweight, and high mechanical and thermal insulation properties were produced and tested. Three samples with optimal properties were selected and coated on the inner surface of the designed battery enclosure.
In the second phase of the study, a test setup was created to conduct battery temperature and performance tests under low-temperature conditions. To perform tests on a battery pack with a nominal voltage of 24V and a nominal capacity of 20Ah, three different driving profiles were developed. These tests were conducted at 0°C, -5°C, and -10°C, with and without insulation, and compared with the results obtained at the battery's optimal operating temperature.
The results showed that the insulation samples significantly impacted the battery's heating process. The insulation materials, characterized by low thermal conductivity and low heat dissipation, effectively retained the heat generated during the battery's operation and gradually released it into the battery enclosure. Thermal control improved battery performance efficiency by 5% at 0°C, 10% at -5°C, and 10% at -10°C compared to the uninsulated condition. Practical electrochemical energy usage efficiency was found to be over 90% for most discharge durations. Additionally, the discharge performance of the insulation samples was found to be related to the insulation thickness. Coating with EPWSO insulation material in thicknesses of 1.5 cm, 2.5 cm, and 4 cm was examined, and battery efficiency increased for each insulation thickness compared to the uninsulated condition. The results indicated that the insulated battery enclosures provided more thermal energy to heat the batteries, thus restoring their electrochemical performance.