Li-ion kese tipi batarya hücresine ait ısıl ve elektriksel özelliklerin deneysel incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, yüksek enerji yoğunluklu lityum-iyon kese tipi batarya hücresinin elektriksel ve ısıl özellikleri deneysel olarak araştırılmıştır. Tez kapsamında kullanılan hücrenin kapasitesi 73 Ah olup hacimsel enerji yoğunluğu 642 Wh/L’dir. Hem sabit hem de WLTP sürüş çevrimi ile dinamik koşullar altında hücre davranışının tahmin edilebilmesi için ikinci dereceden eş değer devre modelini referans alan elektro-termal model geliştirilmiştir. Sürüş çevrimi başlangıcında şarj durumu tam dolu olarak kabul edilen hücrenin çevrim sonunda SOC değeri %7 azalmıştır. Bulunan değer deneysel çalışma ile karşılaştırıldığında ±%0,45’lik bir fark ile bu parametrenin tahmin edilebildiği ve modelin yüksek doğrulukla çalıştığı anlaşılmaktadır. Geliştirilen model terminal gerilimini maksimum bağıl hata %2 ve regresyon analizi sonucu 𝑅 2 değeri 0,99 olacak şekilde tespit edebilmektedir. Ayrıca, girilen taşıt özellikleri ve batarya konfigürasyonu için geliştirilen matematiksel model sürüş çevriminin akım profilini ve iç direncin dinamik değişimini de hesaplayabilmektedir. Geliştirilen modelde sonlu farklar yöntemi kullanarak oluşturulan ısıl alt model ile batarya hücresinin ürettiği ısı ve entropik terim elde edilebilmektedir. Buna göre 1 C-rate sabit akım deşarjında bataryanın ürettiği ısı 6 W olarak bulunurken WLTP sürüş çevrimi için ısı değerinin ise 0.32 W olduğu tespit edilmiştir. Bununla beraber hücre karakteristikleri modellenerek Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizi gerçekleştirilmiştir. Buradan elde edilen sonuçlar da hem deneysel çalışma hem de geliştirilen model sonuçlarıyla uyum içerisinde olduğu ifade edilebilir. Sonuç olarak hücrenin elektriksel ve ısıl özelliklerinin belirlenmesi için geliştirilen matematiksel model sonuçlarının deneysel sonuçları çok küçük hata oranları ile tahmin edebiliyor olması nedeniyle farklı batarya konfigürasyonlarına sahip bir elektrikli taşıta modelin uyarlanabilmesi sağlanmıştır.

In this study, the electrical and thermal properties of a lithium-ion pouch-type battery cell were examined through experimental investigation. The cell used in this thesis has a capacity of 73 Ah and a volumetric energy density of 642 Wh/L. An electrothermal model based on a second-order equivalent circuit model has been developed for the purpose of predicting the behaviour of the cell under dynamic conditions with WLTP driving cycles and constant current discharge. The SOC value decreased by 7% at the end of the cycle for the cell whose state of charge was considered as full at the beginning of the driving cycle. A comparison of the calculated value with the experimental study demonstrates that this parameter can be estimated with a difference of ±0.45%, indicating that the model is highly accurate. The developed model is capable of determining the terminal voltage with a maximum relative error of 2% and an R² value of 0.99, as a result of regression analysis. Moreover, for the specified vehicle characteristics and battery configuration, the model is capable of calculating the current profile of the driving cycle and the dynamic change of the internal resistance. In the developed model, the heat generated by the battery cell and entropic term can be obtained without the use of a measuring device such as a calorimeter, through the utilisation of a thermal sub-model created using the finite difference method. Accordingly, the heat generated by the battery at 1 C-rate constant current discharge was found to be 6 W, while the heat value for the WLTP driving cycle is 0,32 W. Furthermore, computational fluid dynamics analysis was conducted by modelling the cell characteristics. The results obtained here also demonstrated high consistency with both the experimental study and the results produced by the developed model. As a result, the results of the mathematical model developed to determine the electrical and thermal properties of the cell can predict the experimental results with minimal error rates, allowing for the model to be adapted to an electric vehicle with different battery configurations.