Lityum iyon bataryaların termal yönetimi için sayısal çalışmalar
Numerical studies for thermal management of lithium-ion batteries
Yazar: FURKAN DİLBAZ
Danışman: PROF. DR. FATİH SELİMEFENDİGİL
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yapılan tez çalışmasında, li-iyon bataryaların ideal çalışma sıcaklığında çalışabilmeleri için Faz değiştiren malzeme (FDM), sıvı destekli ve hibrit olmak üzere üç farklı batarya termal yönetim sistem (BTYS) tasarımı yapılmıştır. BTYS'lerin etkinliği maksimum sıcaklık ve sıcaklık dağılımı dikkate alınarak belirlenmiştir. 20 Ah kapasiteli batarya modülü için soğutmanın uygulanmadığı durumda üç farklı deşarj hızında (2C, 3C ve 4C) simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Ardından en uygun termal yönetim sisteminin belirlenmesi amacı ile FDM ile, sıvı destekli ve hibrit BTYS'nin simülasyonları gerçekleştirilmiştir. FDM ile BTYS'nin etkinliği üç farklı deşarj hızında incelenmiştir. Sıvı destekli BTYS için su ve Al2O3 nanoakışkanı olmak üzere iki farklı soğutma ortamının termal performansı dört farklı Reynolds (Re) sayısında (250, 500, 750 ve 1000), üç farklı hacim oranında (%0.5, %1 ve % 2) ve dört farklı nanopartikül geometrisinde (basık küremsi, blok, silindir ve platelet) incelenmiştir. Hibrit BTYS'nin soğutma etkinliği dört farklı Re sayısında ve üç farklı hacim oranı dikkate alınarak incelenmiş olup soğutma kanallarının FDM üzerindeki ısıl performansa etkisi araştırılmıştır. Bu çalışmada yapılan tüm simülasyonlar için hesaplamalı akışkanlar yazılımı olan Ansys Fluent programı kullanılmıştır. 
Sonuçlar incelendiğinde maksimum sıcaklıkta %28 oranında bir iyileşme sağladığı saptanmış olup bu oran FDM ve sıvı destekli soğutma tekniklerinde sırası ile %26 ve %27'dir. Ancak sıcaklık farkı incelendiğinde sadece hibrit ve faz değiştiren malzemenin optimum sıcaklık farkı olan 5 °C'nin altına düşürdüğü belirlenmiştir. Hibrit soğutma tekniği, FDM'nin erime başlangıç zamanını azalmasını ve katı faz içerisindeki sıvı faz dağılımını azaltılmasını sağlar ve parafin malzemesinin soğutma verimini arttırır. Bu sebeple, hibrit BTYS'nin batarya modülünün soğutulmasında en uygun strateji olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In the thesis study, three different battery thermal management systems (BTMS) were designed, including Phase-changing material (PCM), liquid-assisted and hybrid, in order for li-ion batteries to operate at the ideal operating temperature. The maximum temperature and temperature distribution have been analyzed to determine the effectiveness of BTMS. For the 20 Ah capacity battery module, simulations were carried out at various discharge rates (2C, 3C, and 4C) in the absence of cooling. An appropriate thermal management solution was then determined by doing simulations of FDM, liquid-assisted, and hybrid BTMS. The effectiveness of PCM and BTMS was studied at three different discharge rates. For liquid-supported BTMS, the thermal performance of water and Al2O3 nanofluid coolin medium was investigated at four different Reynolds numbers (Re) (250, 500, 750, and 1000), three different volume ratios (0.5%, 1%, and 2%) and four different nanoparticle geometries (Oblate spheroid, block, cylinder, and platelet). The cooling efficiency of hybrid BTYS was researched using four different Re values and three different volume ratios, as well as the effect of cooling channels on thermal performance on PCM. Ansys Fluent program, which is a computational fluids software, was used for all simulations performed in this study.
When the findings were evaluated, it was discovered that Hybrid BTMS produced a 28% improvement in maximum temperature, while PCM and liquid-assisted cooling approaches provided 26% and 27% improvements, respectively. When the temperature difference was investigated, however, it was discovered that only the hybrid and phase-changing materials lowered it below 5 °C, which is the appropriate temperature difference. By reducing the liquid phase distribution in the solid phase and the melting start time using the hybrid cooling technique, paraffin can be cooled more effectively. It has been discovered that hybrid BTMS is the best cooling method for the battery module because of this.