Soğutucu plaka kullanılan bir araç bataryası ısıl yönetim sisteminin modellenmesi ve analizi
Modeling and analysis of a vehicle battery thermal management system with cold plate
Yazar: KADİR OĞUZHAN ÜNÜŞTÜ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA SERHAN KÜÇÜKA
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Lityum iyon pil = Lithium ion battery ; Soğuk plaka = Cold plate

Özet:
Bu tez çalışmasında elektrikli araçlarda kullanılan bataryaların termal yönetim sistemi sayısal olarak incelenmiştir. Batarya sistemde ısıl üretim kaynağı olarak ele alınmıştır. Bataryanın zamana bağlı ısı üretimini iki ayrı durum için ele alınmıştır, (i) İstanbul sürüş çevrimi için kullanılması esnasında, (ii) 0,2C, 0,5C ve 1C deşarj hızları için. Bataryanın soğutulması alt yüzeyine yerleştirilmiş bir soğuk plaka ile gerçekleştirilmektedir. Kurgulanan model iki boyutlu bir sayısal modeldir. Batarya ve soğuk plaka hacimleri için oluşturulan ağ yapısı ayrıklaştırılıp açık yöntem ile çözümlenmiştir. Soğuk plaka içerisindeki akış için sayısal çözümleme yapılmamış, ısı transferinin hesaplanmasında genel taşınım bağıntıları kullanılmıştır. Soğutucu akışkan olarak %50 su %50 etilen glikol karışımı (SEG) kullanılmıştır. Akışkan plakaya giriş sıcaklığı 21°C ile 25°C arasında değiştirilmiştir. İstanbul sürüş çevriminde 25°C akışkan giriş sıcaklığı için bataryanın maksimum sıcaklığı 32,16°C olup, batarya içerisindeki sıcaklık farkı, 5,97°C olmaktadır. Bataryadan en fazla güç çekildiği 1C deşarj durumunda ise 25°C akışkan giriş sıcaklığı için bataryanın en yüksek sıcaklığı 36,30°C ve batarya içerisindeki sıcaklık farkı 9,15°C olmaktadır.
Soğuk plaka dolaşım akışkanının sağlandığı soğutma sisteminin batarya ile eş zamanlı çalışma davranışı da modele dahil edilmiştir. Yapılan çözümlemede, 21°C akışkan giriş sıcaklığı için 8 döngülük (8016 s) İstanbul sürüş çevriminden batarya toplam güç üretimi 2228,10∙103 J, soğutma yükü 12,19∙103 J ve bu esnada kompresör toplam enerji tüketimi 1,89∙103 J olarak hesaplanmıştır. 18000s süre ile devam eden 0.2C deşarj hızında ise batarya toplam güç üretimi 5559,5∙103 J, soğutma yükü 12,90∙103 J ve kompresör enerji tüketimi 1,50∙103 J olmaktadır.

Abstract:
In this thesis, the thermal management system of batteries used in electric vehicles is examined numerically. The battery is considered as a thermal production source in the system. The time-dependent heat production of the battery is considered for two separate cases, (i) during its use for the Istanbul driving cycle, (ii) for 0.2C, 0.5C and 1C discharge rates. Cooling of the battery is carried out by a cold plate placed on its bottom surface. The constructed model is a two-dimensional numerical model. The network structure created for the battery and cold plate volumes is discretized and analyzed with the Explicit method. Numerical analysis is not performed for the flow in the cold plate, and general convection relations are used to calculate the heat transfer. A mixture of 50% water and 50% ethylene glycol (WEG) is used as the refrigerant. The inlet temperature to the fluid plate is varied between 21°C and 25°C. In the Istanbul driving cycle, the maximum temperature of the battery is 32.16°C for fluid inlet temperature of 25°C, and the maximum temperature difference within the battery is 5.97°C. In the case of 1C discharge, where the most power is drawn from the battery, for a fluid inlet temperature of 25°C, the highest temperature of the battery is 36.30°C and the temperature difference inside the battery is 9,15°C. In the analysis, the total power production of the battery from the Istanbul drive cycle of 8 cycles (8016 s) for fluid inlet temperature of 21°C is calculated as 2228.10x103 J, the cooling load is calculated as 12.19x103 J, and the total energy consumption of the compressor is calculated as 1.89x103 J. At the discharge rate of 0.2C lasting for 18000s, the total power production of the battery is 5559.5x103 J, the cooling load is 12.90x103 J and the compressor energy consumption is 1.50x103 J.