Elektrikli taşıtlarda FBG algılayıcılar kullanılarak Li-Ion batarya sıcaklığının modellenmesi ve simülasyonu

Abstract

Elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılan Lityum-İyon (Li-Ion) bataryalarda, batarya hücrelerinde veya elektrotları arasında meydana gelen sıcaklık oluşumları, batarya ömrü ve performansı ile doğrudan ilişkilidir. Sıcaklık artışı, bataryanın yük depolama kapasitesi üzerinde belirleyici olduğundan aracın performansı, menzili, şarj olma süresi gibi önemli konular üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, bataryalarda meydana gelen ısıl oluşumların ve sıcaklık değişimlerinin önceden tespiti oldukça önem arz etmektedir. Bu tez çalışmasında, Li-Ion bataryalarda meydana gelen sıcaklık değişimleri fiber Bragg ızgara (FBG) sensörler kullanılarak, bataryanın şarj edilmesi esnasında Bragg dalgaboyu kaymasına bağlı olarak belirlenen benzetim koşulları altında analiz edilmiştir. Çalışmada, Li-Ion bataryanın entegre edildiği bir modelde bir fiber Bragg ızgara sensör kullanılarak bataryadaki sıcaklık değişimlerine ait ısıl veriler elde edilmiştir. 0 – 375 sn zaman aralığında şarj olan Li-Ion batarya hücresinde, şarj süresince hücresel yapısında ortaya çıkan ısıl etkiler dolayısıyla sıcaklık artışı meydana gelmektedir. Bu bağlamda, benzetim sonuçları kullanılarak, sıcaklık artışına bağlı olarak Bragg dalgaboyunda kayma değerlerine ilişkin veriler elde edilmiştir. Diğer bir ifadeyle, Bragg dalgaboyu kayma değerleri kullanılarak bataryada meydana gelen sıcaklık değişimi verilerine ulaşılmıştır. Bragg dalgaboyundaki kaymanın 0 – 1051,27 pm aralığındaki değişimine karşılık, batarya sıcaklığındaki değişim 0 °C ile 74,12 °C arasında elde edilmiştir. Ayrıca, verilen zaman aralığında, Li-Ion batarya sıcaklığındaki değişime ilişkin benzetim Matlab ortamında gerçekleştirilmiştir. Benzetim sonuçları doğrultusunda sıcaklık değişiminin zamansal değişimi 0,2203 °C/sn olarak bulunmuştur. Sonuç olarak bu çalışma ile ulaşılan sayısal veriler ve bulgular, Li-Ion bataryalarda oluşan sıcaklıkların analizinde fiber Bragg ızgara sensörlerin kullanılabilir olduğunu göstermiştir.

In Lithium-Ion (Li-Ion) batteries, which are commonly used in electric vehicles, temperature formations occurring in battery cells or between their electrodes are directly related to battery life and performance. Since the temperature increase determines the load storage capacity of the battery, it has a great impact on important issues such as the vehicle's performance, range and charging time. Therefore, the early detection of thermal formations and temperature changes in batteries is of great importance. In this thesis study, temperature changes occurring in Li-Ion batteries have been analyzed using fiber Bragg grating (FBG) sensors under similar simulation conditions determined depending on the Bragg wavelength shift over the charging of the battery. In the study, thermal data of temperature changes in the battery have been obtained by using a fiber Bragg grating sensor in a model in which a Li-Ion battery has been integrated. In the Li-Ion battery cell, which is charged between 0 and 375 s, the temperature increases due to the thermal effects occurring in the cellular structure during charging. In this context, using simulation results, data on Bragg wavelength shift values due to temperature increase have been acquired. In other words, information about the temperature change occurred in the battery have been reached using the Bragg wavelength shift values. In response to the change in the Bragg wavelength shift between 0 - 1051.27 pm, the change in battery temperature has been attained between 0 °C and 74.12 °C. Additionally, the simulation of the change in Li-Ion battery temperature within the given time period has been carried out in the Matlab environment. In line with the simulation results, the temporal variation of the temperature change has been found to be 0.2203 °C/s. As a result, the numerical data and findings obtained in this study have shown that fiber Bragg grating sensors can be used in the analysis of temperatures occurring in Li-Ion batteries.