Batarya termal yönetim sisteminde yenilikçi yaklaşımlar: Gözenekli kanal ve nanoakışkan kullanılması
Innovative approaches in battery thermal management systems: Using porous channel and nanofluid
Yazar: AYKUT CAN
Danışman: PROF. DR. FATİH SELİMEFENDİGİL
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, Li-iyon batarya hücreleri için 2 adet batarya termal yönetim sistemi tasarımı ele alınmış ve nümerik olarak incelenmiştir. Tasarım 1'de serpantin tipi soğutma kanalının gözenekli olduğu varsayılmış ve farklı geçirgenlikler için analizler yapılmıştır. Tasarım 2'de prizmatik Li-iyon batarya hücrelerinin arasına yerleştirilmiş 6, 9 ve 12 numaralı kare oluklu kanal aralığı 3, 4 ve 5 olan oluklu soğutma kanallarına sahip soğuk plakalar kullanılmıştır. Her iki tasarımda da ısı transfer akışkanı olarak Al2O3-Cu/su hibrit nanoakışkan kullanılırken, nanoparçacık hacim oranı %2'ye kadar kullanılmıştır. Tasarım 1'de, akışkanın nanoparçacık katı hacim fraksiyonu ve ortamın geçirgenliği arttığında maksimum sıcaklık düşmüştür. Geçirgenlik durumlarının en düşük ve en yüksek değerleri karşılaştırıldığında, su ve nanoparçacık yüklemesi en yüksek olan nanoakışkan için 1,25 K ve 3 K sıcaklık düşüşü elde edilmiştir. Su ve hibrit nanoparçacık miktarı en yüksek olan nanoakışkan soğutma ortamı karşılaştırıldığında Da=10-1'de maksimum sıcaklık düşüşü 2,4 K iken Da= 10-5'te sadece 1 K'dir. Tasarım 2'de, nanoparçacık katı hacim oranı ve oluklu soğutma kanallarının sayısı arttığında maksimum sıcaklık düşer. En düşük ve en yüksek soğutma kanalı sayısı durumları karşılaştırıldığında, su ve en yüksek nanoparçacık hacimsel oranına sahip Al2O3-Cu/su hibrit nanoakışkan için maksimum sıcaklık düşüşü 3,07 K ve 1,86 K olarak gözlemlenmiştir. Li-iyon bataryalar, enerji depolama sorunu için umut verici bir yoldur, bu tezde sunulanlar gibi termal yönetim tasarımlarına yönelik yöntemler, daha fazla sistem geliştirme ve performans optimizasyonu için yardımcı olacaktır.

Abstract:
In this thesis, 2 battery thermal management system (BTMS) designs considered for Li-ion battery cells and numerically investigated. Serpentine type cooling channel is considered to be porous and the permeability of the channel is considered between Darcy number of 10-5 and 10-1 in design 1. Cold plates are used which has corrugated cooling channels that number of channel range 3, 4 and 5 with number of square grooves 6, 9 and 12 placed between prismatic Li-ion battery cells in Design 2. Al2O3-Cu/water hybrid nanofluid used as heat transfer fluid for both designs while nanoparticle volume fraction are used up to 2%. For the design 1, the maximum temperature drops when nanoparticle solid volume fraction and permeability of the medium are increased. When lowest and highest values of permeability cases are compared, temperature drop of 1.25 K and 3 K are obtained for water and nanofluid with the highest loading of nanoparticles. At Da=10-1, maximum temperature drop is 2.4 K while it is only 1 K at Da= 10-5 when cooling medium of water and nanofluid with highest hybrid nanoparticle loading amount are compared. For the design 2, the maximum temperature drops when nanoparticle solid volume fraction and number of corrugated cooling channels are increased. When the lowest and highest number of cooling channels cases are compared, maximum temperature reduce 3.07 K and 1.86 K are observed for water and  Al2O3-Cu/water hybrid nanofluid with the highest nanoparticle volumetric fraction. Li-ion batteries is a promising way to energy storage issue, methods for thermal management designs such as presented in this thesis would be helpful for further system development and performance optimization.