Elektrikli taşıtlarda kullanılan batarya modülünün ısıl performansının sayısal ve deneysel araştırılması

Abstract

Geleneksel içten yanmalı motora sahip araçlarla kıyaslandığında, elektrikli araçlarda iyileştirilebilir noktaların en önemlileri aracın menzili ve şarj süresidir. Bu iki ana noktanın iyileştirilmesi ve geliştirilmesi için dünya çapında çok çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Batarya performansını ve araç menzilini etkileyen en önemli parametrelerden biri, bataryanın ısıl performansıdır. Bataryalar, belirli sıcaklık aralıklarında daha verimli çalışmaktadır. Ancak bataryaların çalışma prensibi gereği ohmik dirençler ve entropik ısı değişimlerinden dolayı operasyon sırasında deşarj oranına bağlı olarak ısınma eğilimindedirler. Artan ısı ile beraber bataryaların çalışma sıcaklıklarının artması hem batarya kullanım verimini düşürmektedir hem de hücrelerin zarar görme olasığını ortaya çıkarır. Bu yüzden, batarya sistemlerinde hava ya da sıvı temelli soğutma sistemlerinden faydanılmaktadır. Ayrıca batarya sisteminde, batarya ve soğutma/ısıtma sistemine entegre halde çalışan ve bataryadan maksimum verimi elde etmeyi ve bataryanın zarar görmesini engellemeyi amaçlayan bir batarya ısıl yönetim sistemi kullanılabilmektedir. Bu çalışmada, ilk aşama olarak Ansys – Fluent programında çalışmada kullanılacak olan Toshiba LTO 23 Ah tekil batarya hücresi için batarya hücre modeli oluşturulmuştur. İkinci aşamada ise oluşturulan batarya hücre modeli ile tekil hücrenin farklı de şarjor anlarında (1 C-4 C) ısıl davranışları incelenmiştir. Üçüncü aşamada, bir batarya modülü olarak 2S2P şeklinde bağlanmış dörtlü hücrenin ısıl davranışları hakkında simülasyonlar yürütülmüştür. Dördüncü aşamada, dörtlü hücreye uygulanan klasik bir serpantin soğutucu ve yeni tasarlanan bir soğutucu plakanın ısıl davranışa etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Son aşamada ise yapılan sayısal çalışmaların validasyonu için çeşitli deneyler yapılmış ve sayısal sonuçlarla kıyaslanmıştır.

Compared to vehicles with conventional internal combustion engines, the most important improvement points in electric vehicles are the vehicle’s range and charging time. A wide variety of studies are carried out around the world to improve and develop these two main points. One of the most important parameters affecting the range of the vehicle is the thermal performance of the battery. Batteries operate more efficiently in certain temperature ranges. However, due to the working principle of batteries, they tend to heat up in varying amounts depending on the discharge rate during operation due to ohmic resistances and entropic heat changes. The increase in the operating temperatures of the batteries together with the increasing temperature both decreases the battery usage efficiency and reveals the possibility of damage to the cells. Therefore, air or liquid-based cooling systems are used in battery systems. In addition, a battery thermal management system can be used in the battery system, which works in integration with the battery and the cooling/heating system and aims to obtain maximum efficiency from the battery and to prevent the battery from being damaged. In this study, as a first step, a battery cell model was created for the Toshiba LTO 23 Ah single battery cell that will be used in the study in the Ansys – Fluent program. In thesecond step, the thermal behavior of the single cell at different discharge rates (1 C-4 C) was investigated with the battery cell model created. In the third step, simulations were carried out on the thermal behavior of the four cell connected as a 2S2P battery module. In the fourth step, the effects of a classical serpentine cooler and a newly designed cooling plate applied to the module on the thermal behavior were numerically investigated. In the last stage, various experiments were carried out for the validation of the numerical studies and compared with the numerical results.