Elektrikli arabalar için geliştirilen bir lityum iyon batarya paketinin ısıl yönetimi ve optimizasyonu

Abstract

Günümüzde fosil yakıtların hızla tüketimi ve sınırlı miktarda olması insanları alternatif enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Lityum iyon bataryalar bu ihtiyaca cevap verebilmesi bakımından kullanım alanları giderek yaygınlaşmaktadır. Yüksek güç ve performans gerektiren elektrikli arabalarda kullanılmaktadır. Yüksek akım ve voltaj değerlerinde belirli bir ısı üreten bu bataryalar için soğutma yönetimi batarya ömrü ve kullanıldığı makine açısından çok önemlidir. Çünkü bu batarya içinde gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar belirli bir kritik sıcaklığın üzerinde daha hızlı oluşup daha çok ısı üretmesi sonucunu doğurur. Bunun sonucunda hücre sıcaklığı sürekli artar. Doğru bir soğutma tasarımı yapılamazsa bataryada hacimsel genleşme, patlama veya yanma olması muhtemeldir. Bu sonuç tüm sistemin yanması ve bataryanın çalıştırdığı makinenin bir daha hiç kullanılamaması anlamına gelir ve güvenlik açısından bir tehdit unsurudur. Bu çalışmada elektrikli araçlarda kullanılacak bir lityum iyon batarya paketinin su soğutmalı ısıl tasarımı yapılmıştır. Farklı çalışma durumlarına göre açığa çıkan ısı miktarı analitik olarak belirlenmiştir. Yüksek performans ihtiyacında bataryadan yüksek kapasite oranlarında akım çekilmesi durumunda oluşacak ısı üretimi en kötü senaryo olarak seçilip soğutma kanal tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bunun için soğutma kanalları ve bataryalarda ortaya çıkan ısı-akışkan olaylarının hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi ile bilgisayar ortamında benzetimi yapılmıştır. Benzetim sonuçların değerlendirilmesi ve optimizasyonu sonrasında en uygun soğutma tasarımı elde edilmiştir.In today's world, fossil fuels are consumed rapidly and they will waste eventually due to their limited sources.This situation causes the people to find alternative energy resources. Lithium Ion Batteries become more and more common to respond this situation. In addition, they are used in the electric vehicle which needs high power and performance. Cooling Method is very important for Lithium Ion Batteries which generate heat at high current and voltage, also battery life, because the chemical reactions in the battery cause more heat production when the critical temperature is exceeded, therefore the cell temperature constantly increases. If the cooling system does not design properly, the battery will burst and burn due to volumetric expansion. This means burning of the entire system, so the battery operated machine will never be used again and also it is a security threat to users. In this study, liquid water-cooling thermal design has been developed for a li-ion battery pack which is used in electric vehicle. The amount of heat release has been defined under different working conditions. When the system works at high performance, it draws current at high speed from battery, so it causes an increase in heat. In this reason, the parameters are chosen in order to design the proper cooling-system while considering these situations. Computational fluid dynamics (CFD) method is used to define cooling channel and heat-fluid connections in the battery. As a result of this method, the optimal cooling design is obtained thanks to an optimization.