Elektrikli araç batarya modülünün su ile soğutulmasının temassızlık direnci dikkate alınarak incelenmesi
Investigation of cooling an electric vehicle battery module using water by considering effect of contact resistance
Yazar: Peneklioğlu, Kağan; Bilen, Kemal
Dergi: Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Vol. 39 No. 4, 2023
Anahtar kelimeler: Engineering ; Mühendislik ; Elektrikli araç,batarya ısıl yönetimi,lityum-iyon pil,Li-iyon batarya,sıvı ile soğutma,HAD

Elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılan lityum-iyon pillerin en büyük olumsuzluklarından biri sıcaklığa duyarlı olmalarıdır. Bu pillerin, düşük veya yüksek sıcaklıklarda çalıştırılması pil performansını etkiler. Bunun yanında modül veya paketteki homojen olmayan sıcaklık dağılımı, olağandışı elektrokimyasal davranışlara ve elektriksel olarak düzensiz hücrelere neden olabilir. Bu nedenlerle, pillerin sıcaklığını uygun aralıkta yani 20 °C ila 40 °C aralığında tutmak ve sıcaklık bakımından homojenliği sağlamak, elektrikli araç üreticileri için önemli hedeflerdendir. Bu yüzden bu çalışma kapsamında; sıvı ile soğutulması amaçlanan elektrikli bir araç bataryasının akış ve ısıl performansı, temassızlık direnci göz önüne alınarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleriyle incelenmiştir. HAD analizleri için kullanılan ANSYS Fluent, benzer bir problem için özel olarak türetilen ve sonlu farklar yöntemini esas alan denklemler ile yapılan çözüm kullanılarak iki farklı kesit için doğrulanmıştır. Bu kesitler, pilin düşey orta ve yatay orta kesitleridir. Yapılan bu doğrulama çalışmalarında, teorik çözüm ile ANSYS Fluent çözümü arasında en fazla %3’lük bir sapma meydana gelmiştir. HAD analizlerinde, soğutma sistemi ile piller arasındaki temassızlık direncinin ve soğutma suyu debisinin etkisi farklı koşullar için incelenmiştir. İncelemeler neticesinde; nispeten düşük deşarj oranlarında (C-rate) değerlerinde yapılan sayısal çalışmalarda temassızlık direncinin ihmal edebileceği, buna karşın nispeten yüksek deşarj oranlarında ise temassızlık direncinin ihmal edilmemesi gerektiği anlaşılmıştır. Aynı koşullar altında, düşük deşarj oranlarında temassızlık direncinin etkisi yaklaşık olarak 0,5 °C’luk bir farka yol açarken, yüksek deşarj oranlarında bu fark 2,5 °C’a ulaşmaktadır. Ayrıca pillerde, nispeten yüksek ısı miktarlarının üretildiği durumlarda soğutma suyu debisinin artırılması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. Soğutma debisinin artırılmasıyla pildeki en yüksek sıcaklıklar yaklaşık olarak 8 °C düşürülebilmiştir. Buna karşın nispeten düşük ısı miktarlarının üretildiği durumlarda ise mevcut soğutma suyu debisinin gereğinden fazla olduğu ve gereksiz yere yüksek pompa enerji tüketimine sebep olduğu anlaşılmıştır. Uygun soğutma suyu debisinin seçimiyle pompa enerji tüketimini yaklaşık 1/8 oranına düşürmenin mümkün olduğu görülmüştür.

Elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılan lityum-iyon pillerin en büyük olumsuzluklarından biri sıcaklığa duyarlı olmalarıdır. Bu pillerin, düşük veya yüksek sıcaklıklarda çalıştırılması pil performansını etkiler. Bunun yanında modül veya paketteki homojen olmayan sıcaklık dağılımı, olağandışı elektrokimyasal davranışlara ve elektriksel olarak düzensiz hücrelere neden olabilir. Bu nedenlerle, pillerin sıcaklığını uygun aralıkta yani 20 °C ila 40 °C aralığında tutmak ve sıcaklık bakımından homojenliği sağlamak, elektrikli araç üreticileri için önemli hedeflerdendir. Bu yüzden bu çalışma kapsamında; sıvı ile soğutulması amaçlanan elektrikli bir araç bataryasının akış ve ısıl performansı, temassızlık direnci göz önüne alınarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleriyle incelenmiştir. HAD analizleri için kullanılan ANSYS Fluent, benzer bir problem için özel olarak türetilen ve sonlu farklar yöntemini esas alan denklemler ile yapılan çözüm kullanılarak iki farklı kesit için doğrulanmıştır. Bu kesitler, pilin düşey orta ve yatay orta kesitleridir. Yapılan bu doğrulama çalışmalarında, teorik çözüm ile ANSYS Fluent çözümü arasında en fazla %3’lük bir sapma meydana gelmiştir. HAD analizlerinde, soğutma sistemi ile piller arasındaki temassızlık direncinin ve soğutma suyu debisinin etkisi farklı koşullar için incelenmiştir. İncelemeler neticesinde; nispeten düşük deşarj oranlarında (C-rate) değerlerinde yapılan sayısal çalışmalarda temassızlık direncinin ihmal edebileceği, buna karşın nispeten yüksek deşarj oranlarında ise temassızlık direncinin ihmal edilmemesi gerektiği anlaşılmıştır. Aynı koşullar altında, düşük deşarj oranlarında temassızlık direncinin etkisi yaklaşık olarak 0,5 °C’luk bir farka yol açarken, yüksek deşarj oranlarında bu fark 2,5 °C’a ulaşmaktadır. Ayrıca pillerde, nispeten yüksek ısı miktarlarının üretildiği durumlarda soğutma suyu debisinin artırılması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. Soğutma debisinin artırılmasıyla pildeki en yüksek sıcaklıklar yaklaşık olarak 8 °C düşürülebilmiştir. Buna karşın nispeten düşük ısı miktarlarının üretildiği durumlarda ise mevcut soğutma suyu debisinin gereğinden fazla olduğu ve gereksiz yere yüksek pompa enerji tüketimine sebep olduğu anlaşılmıştır. Uygun soğutma suyu debisinin seçimiyle pompa enerji tüketimini yaklaşık 1/8 oranına düşürmenin mümkün olduğu görülmüştür.