Üçgen Dizilim Geometrisine Sahip Batarya Paketlerinde Farklı Soğutucu Akışkanların Termal Etkilerinin Deneysel ve Sayısal Analizi
Experimental and Numerical Analysis of Thermal Effects of Different Coolants in Battery Packs with Triangular Arrangement Geometry
Yazar: Akkuş, Ferhat; Işık, Mehmet Zerrakki
Dergi: Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, Vol. 13 No. 4, 2025
Anahtar kelimeler: Experimental Methods in Fluid Flow, Heat and Mass Transfer ; Akışkan Akışı, Isı ve Kütle Transferinde Deneysel Yöntemler ; Energy Generation, Conversion and Storage (Excl. Chemical and Electrical) ; Enerji Üretimi, Dönüşüm ve Depolama (Kimyasal ve Elektiksel hariç) ; Hybrid and Electric Vehicles and Powertrains ; Hibrit ve Elektrikli Araçlar ve Güç Aktarma Organları ; Electric vehicles,Lithium-ion batteries,Battery thermal management systems,Liquid cooling,Uniform temperature distribution ; Elektrikli araçlar,Lityum iyon bataryalar,Batarya termal yönetim sistemleri,Sıvı soğutma,Uniform sıcaklık dağılımı

Elektrikli araçların yaygınlaşmasıyla birlikte batarya paketlerinde etkin termal yönetim ihtiyacı artmış, güvenli ve verimli enerji depolama sistemlerinin tasarımı önem kazanmıştır. Bu çalışmada, lityum-iyon batarya paketlerinin ısıl davranışı, su ve antifriz gibi farklı soğutucu akışkanlar kullanılarak hem deneysel hem de sayısal olarak analiz edilmiştir. İlk aşamada, eşkenar üçgen dizilimine sahip batarya modülü için sabit 10 ve 15 amper deşarj akımları altında, farklı debilerle deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar, debi arttıkça sıcaklık artış hızının azaldığını ve antifrizin, özellikle düşük ve orta debi koşullarında suya kıyasla daha düşük sıcaklık farkları oluşturduğunu göstermiştir. Bu durum, antifrizin daha kararlı viskozite yapısı ve daha geniş kaynama aralığına sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Deneysel bulgular, akış alanlarının ve ısı transfer mekanizmalarının detaylı incelenebilmesi için sayısal çalışmalara temel oluşturmuştur. Bu kapsamda, deney düzeneğine karşılık gelen 1 borulu sistemin doğrulaması yapılarak, 2 ve 3 borulu konfigürasyonlar oluşturulmuş ve ANSYS Fluent yazılımı ile sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışmalarda, deneyde kullanılan aynı debi değerleri dikkate alınmış ve farklı borulu yapıların soğutma performansları karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda, hem soğutucu türünün hem de debi miktarının batarya sıcaklık kontrolü üzerinde doğrudan etkili olduğu görülmüştür. Antifriz, özellikle sınırlı debi koşullarında daha düşük sıcaklık artışları ile termal kontrol açısından üstün performans sergilemiştir. Sayısal analizler ise çok borulu yapıların daha homojen sıcaklık dağılımı sağladığını ortaya koymuştur. Elde edilen bulgular, batarya termal yönetim sistemlerinin tasarımında yalnızca akışkan tipi değil, aynı zamanda debi ve yapı konfigürasyonlarının da optimizasyonunun kritik öneme sahip olduğunu göstermiştir. Bu kapsamda çalışma, elektrikli araçlar için daha verimli ve güvenli batarya sistemlerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.

With the increasing prevalence of electric vehicles, the need for effective thermal management in battery packs has grown, making the design of safe and efficient energy storage systems critically important. In this study, the thermal behavior of lithium-ion battery packs was analyzed both experimentally and numerically using different coolant fluids such as water and antifreeze. Initially, experimental tests were conducted on a battery module with an equilateral triangular arrangement under constant discharge currents of 10 and 15 amperes, using various flow rates. The experimental results showed that as the flow rate increased, the rate of temperature rise decreased, and antifreeze, particularly at low and medium flow rates, produced lower temperature differences compared to water. This performance is attributed to antifreeze’s more stable viscosity characteristics and wider boiling point range. The experimental findings provided a basis for numerical studies aimed at a detailed investigation of flow fields and heat transfer mechanisms. Accordingly, the one-tube cooling system corresponding to the experimental setup was first validated, and then two- and three-tube configurations were modeled and analyzed numerically using ANSYS Fluent software. The numerical analyses employed the same flow rates as those used in the experiments, allowing for a comparison of the cooling performances of different tubular structures. The study revealed that both the type of coolant and the flow rate directly influence battery temperature control. Antifreeze demonstrated superior thermal control with lower temperature rises, especially under limited flow rate conditions. Numerical results also showed that multi-tube configurations provided more uniform temperature distributions. The findings highlight that in the design of battery thermal management systems, not only the choice of coolant but also the optimization of flow rate and structural configuration are critically important. This study contributes to the development of more efficient and safer battery systems for electric vehicles.