Lityum İyon Bataryaların Su Soğutmalı Isıl Yönetimi

Abstract

Lityum iyon batarya uygulamalarında en çok karsılasılan sorunlardan biri hızlı sarj ve desarj sırasında hücrelerin iç dirençlerinden dolayı bataryaların asırı ısınmasıdır. Bataryaların sıcaklıgının yükselmesi sadece elektrokimyasal performansı düsürmekle ve bataryanın ömrünü azaltmakla kalmaz aynı zamanda yangın riski de olusturur. Yakın geçmiste Li-Ion bataryaların alev alması sonucu bir çok istenmeyen olay ile karsılasılmıstır. Hatta Boeing yeni ürettigi 787 modelinde kullanılan Li-Ion bataryalarda olusan yangınlar yüzünden bu uçakların kullanılmasına bir süre ara vermistir. Bu sebeplerden dolayi Li-Ion bataryaların ısıl yönetimi son derece önem kazanmaktadır. Bu projede nominal çalısma voltajı 24 V olan 8 tane prizmatik hücreden olusan 30 Ah?lik bir Li-Ion batarya modül için elektrokimyasal performansı ve sistem güvenilirligini artıracak bir ısı yönetim sistemi tasarlanmıstır. Batarya paketinde olusacak ısıyı uzaklastırmak için iki hücre arasında yer alan kanallar ile su sogutmalı bir sistem tasarlanmıstır. Bunun için batarya paketi için gelistirilen üç boyutlu hesaplamalı akıskanlar dinamigi (HAD) modeli ile hücrelerdeki elektrokimyasal olaylar ve sogutma kanallarındaki ısı-akıskan olayları detaylı olarak incelenmistir. Çalısma sırasında hücrelerde olusan akım ve sıcaklık dagılımları HAD modeli ile incelenmis ve elde edilen sonuçlar ile kanalların geometrik tasarımı ve sogutma devresi tasarımı yapılmıstır. Bu kapsamda sogutma suyunu modül boyunca uzanan genis kanallardan hücreler arasındaki kanallara tasıyan manifold da tasarlanmıstır. Akıs geometrisinde olusacak türbülansın ısı geçisine etkileri incelenmis ve ısıl performansı artırmak için hangi bölgelerde laminer hangi bölgelerde türbülanslı akıs olması gerektigine karar verilmistir. Bu amaçla akısta yerel türbülanslar olusturacak sekilde tasarım yapılmıstır. HAD modeli 8 hücreli batarya modulüne uygulanmıstır. Farklı hızlardaki sarj ve desarj sırasında, modülde olusacak sıcaklık dagılımları model ile tespit edilmistir. Tasarlanan kanal geometrisi mikro hassasiyetteki CNC ile ile alüminyum plakalara islenmistir. Sogutma suyunu hücreler arasındaki kanallara tasıyan manifold da üretildikten sonra sogutma plakaları iki hücrenin arasında olacak sekilde modül birlestirilmis ve kontrol ve izleme sistemleri de eklenerek laboratuvar testlerine hazır hale getirilmistir. Bataryanın çalısma döngüsü altında davranısını gözlemlemek için prizmatik Li-Ion hücresi döngüsel testlere tabi tutulmus ve bu testler sırasında hücrelerin elektrokimyasal performansı ve sıcaklıkları takip edilmistir. Bu projede gelistirilen ısıl yönetim sistemi ve hücre dengeleme sistemi müteakip çalısmalarda tasarlanacak batarya yönetim sisteminin birer alt parçası olarak düsünülebilir. Bu projede çalısma gerilimi 24 V olacak sekilde 8 hücreden olusan 30 Ah?lik bir modül ele tasarlanmıstır. Bunun gibi modüllerin, seri ve paralel baglanmaları ile elektrikli araçlar gibi daha yüksek güç gerektiren uygulamalarda da kullanılmaları mümkündür. Bununla birlikte modülün bu haliyle daha düsük enerji ihtiyacı olan, golf arabası ve scooter gibi mobil uygulamalarda ve yerlesik uygulamalarda kullanımı mümkündür.