Elektrikli taşıtlarda kullanılan batarya modülünün elektriksel ve ısıl özelliklerinin deneysel incelenmesi

Abstract

Bu tez kapsamında, 73 Ah kapasiteli kese tipi NMC kimyasına sahip lityum-iyon hücrelerden oluşturulmuş 6S3P elektrikli araç bataryası modülünün elektriksel ve çevresel faktörler değiştirilerek hem şarj hem de deşarj yönünde ısıl özellikleri incelenmiştir. Bu inceleme için farklı C-rate değerleri ve soğutma sıvısının sıcaklığı üzerinde değişiklikler yapılarak soğutma plakasının en etkili ve optimal soğutma performansı saptanmıştır. Yapılan deneyler kapsamında, akım değerleri sabit tutulup soğutma sıvısının sıcaklığını düşürdükçe (25°C, 15°C ve 5°C) batarya modülünün ulaştığı maksimum sıcaklık değeri azalmıştır ve soğutma sıvısının sıcaklık değeri sabit tutulup akım değeri azaltıldıkça (1.3 C-rate ve 0.8 C-rate) batarya modülünün ulaştığı maksimum sıcaklık değeri azalmıştır. Düşük C-rate değerleri ve düşük soğutma sıvısı sıcaklığı, batarya modülünün ısınmasını en performanslı şekilde engellemiştir. Ancak batarya modülünün istenilen sıcaklıkta tutabilmek için soğutmaya sağlanan fayda, harcanan enerji ve hücreler arası sıcaklık farkı dikkate alınarak soğutucu sıvı sıcaklığı optimize edilerek bu değer 5°C yerine 15°C olarak belirlenmiştir. Bu deneyler için 3D metal yazıcı kullanılarak ve eklemeli imalat yöntemi ile soğutucu plaka tasarımı ve prototip imalatı gerçekleştirildi. Bu kapsamda literatür incelendiğinde 3D metal yazıcı kullanılarak modül seviyesi soğutma analizleri için az sayıda deneysel çalışma bulunmaktadır. Batarya modülü içerisindeki hücrelerin merkezlerine ısıl çiftler yerleştirildi. Ölçümler yapabilmek adına termal kabin, DC güç ünitesi ve veri toplayıcı kullanıldı. Özetle birçok disiplinin bir arada bulunduğu ve farklı test ve ölçüm cihazlarının kullanıldığı deneysel temelli çalışma olmasından dolayı, bu tez ile elektrikli araç batarya tasarımlarına, ilgili diğer tezlere ve makalelere referans olacaktır.

Within the scope of this thesis, the thermal properties of the 6S3P electric vehicle battery module, which is made of lithium-ion cells with a capacity of 73 Ah and pouch type NMC chemistry, were examined in both charging and discharging directions by changing the electrical and environmental factors. For this examination, the most effective and optimal cooling performance of the cooling plate was determined by making changes to different C-rate values and the temperature of the cooling liquid. Within the scope of the experiments, the maximum temperature value reached by the battery module decreased as the current values were kept constant and the temperature of the cooling liquid was reduced (25°C, 15°C and 5°C), and the maximum temperature value reached by the battery module decreased as the temperature value of the cooling liquid was kept constant and the current value was reduced (1.3 C-rate and 0.8 C-rate). Low C-rate values and low cooling liquid temperature prevented the heating of the battery module in the most efficient way. However, in order to keep the battery module at the desired temperature, the cooling liquid temperature was optimized by considering the benefit provided to cooling, the energy consumed and the temperature difference between the cells, and this value was determined as 15°C instead of 5°C. For these experiments, a cooling plate design and prototype manufacturing were carried out using a 3D metal printer and additive manufacturing method. In this context, when the literature is examined, there are few experimental studies for module level cooling analyses using a 3D metal printer. Thermocouples were placed at the centers of the cells in the battery module. Thermal cabin, DC power unit and data collector were used to make measurements. In summary, since it is an experimental based study where many disciplines come together and different test and measurement devices are used, this thesis will be a reference for other theses and articles related to electric vehicle battery designs.