Elektrikli araçlar için lityum iyon batarya paketinin termal yönetimi

Küresel ısınmanın etkisi ve karbon ayak izinin azaltılması kapsamında yenilebilir enerji kaynakları önem kazanmıştır. Bu kapsamda tüm sektörlerde olduğu gibi binek araçlarda da fosil yakıt kullanan içten yanmalı motorlara sahip araçlar yerini elektrikli araçlara bırakmaktadır. Son yıllarda kullanımı giderek artan elektrikli araçlarda elektronik donanım yardımıyla kontrol edilebilir yüksek enerji yoğunluğuna sahip lityum-iyon bataryalar tercih edilmektedir. Bunun yanı sıra lityum-iyon bataryalar, ideal çalışma şartlarının altındaki veya üzerindeki sıcaklıklarda çalışması durumunda performans kaybı, ömürlerinin azalması veya patlama riskleri gibi farklı reaksiyonlar gösterebilmektedir. Bundan dolayı bataryaların termal yönetim ihtiyacı bulunmaktadır. Bu amaçla düşük sıcaklıklarda bataryanın ısıtılması, yüksek sıcaklıklarda ise soğutulması gerekmektedir. Literatürde lityum iyon piller için uygun çalışma sıcaklığının 15 ila 35 °C arasında olması gerekliliği belirtilmişse de, lityum iyon hücrelerin optimum çalışma sıcaklığı yaklaşık 23-25 °C'dir. Bir diğer çalışmada ise pillerin uygun çalışma sıcaklığının yaklaşık 10 ila 35 °C arasında olduğu belirtilmiştir. Bununla birlikte, lityum iyon kimyasallarının çoğu yaklaşık -20 °C'den yaklaşık 45 °C'ye kadar çalışmaya devam eder. Bu sıcaklık aralığında normal çalışma sırasında batarya ömründe herhangi bir azalma yaşanması beklenmez. -20 ila -40 °C arasında elektrolitler donmaya başlayabilir ve düşük sıcaklıklar hücre içindeki empedansı artırarak iyon akışına direnç gösterir, kapasite ve performansı azaltır. 60 °C'nin üzerinde birçok lityum iyon hücre kimyasının değişmeye başladığı literatürde kayıt altına alınmıştır. Termal yönetim sistemi ile en soğuk hücreden en sıcak hücreye kadar yaklaşık 2–3 °C'lik sıcaklık farkının koruyabilmesi hedeflenmektedir. Ancak, çok büyük batarya paketleri için 6–8 °C'ye kadar olan farklar da kabul edilebilmektedir. Yüksek performanslı bir batarya termal yönetim sisteminin (BTYS) geliştirilmesi, bataryanın yüksek verimliliğini ve güvenliğini koruması açısından çok önemlidir. Genel olarak BTYS, soğutma ortamının fiziksel özelliklerine göre faz değiştiren malzemeler (FDM), sıvı ve hava dahil olmak üzere üç kategoriye ayrılabilmektedir. FDM soğutma sistemlerinin ağırlıkları ve hava soğutma sistemlerinin düşük verimlilikleri nedeni ile temaslı soğutma sistemleri ön plana çıkmıştır. Diğer taraftan, literatürde direk temaslı-sıvı daldırma sistemlerin de kullanımındaki güçlükler ifade edilmektedir. Aşırı ısınma durumunda elektrikli araçların batarya sistemiyle ilgili yangın tehlikesi nedeniyle de bataryanın termal güvenliği son derece önemlidir. Bundan dolayı, bataryanın termal güvenliğinin artırılması için gaz çıkış valflerinin kullanımı, termal bariyer ve sensör kullanımı gibi hususlar literatürde ele alınan konular arasında bulunmaktadır. Gerçekleştirilen çalışmada, lityum-iyon batarya paketinin termal yönetimi sayısal yöntemler ile yapılacaktır. Bu amaçla Ansys/Fluent programı kullanılarak oluşturulan üç boyutlu model ile bataryaların olması gerektiği sıcaklık aralıklarında tutmak için kullanılan soğutma plakalarının hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri yapılmıştır. Bataryanın soğutma plakası performans testinden alınan hücre sıcaklıkları ile HAD analizin doğrulanması sağlanmıştır. HAD analizinden elde edilen sonuçlar test verileriyle iyi bir uyum göstermektedir. Referans model ile kıyaslandığında, soğutma plakasındaki optimum boru yerleşimiyle batarya hücrelerinin arasındaki maksimum sıcaklık farkı 8 °C'den 3,3 °C'ye düşürülmüş ve homojen bir sıcaklık dağılımı elde edilmiştir. Aynı zamanda batarya paketinin çalışma sıcaklığı 30-22 °C aralığından, 27-23,7 °C aralığına çekilmiştir. Sabit hidrolik çap ve boru uzunluğu için batarya paketi üzerindeki boru serimi değiştirilerek elde edilen farklı tasarımlar ile yapılan HAD analizlerinde soğutma performansının boru serimine bağlı olarak değişim gösterdiği tespit edilmiştir. En iyi soğutma performansını veren boru dizilimi tespit edilmiş ve debi değişimiyle soğutma performansının nasıl etkilendiği incelenmiştir. Optimum boru dizilimine sahip soğutma plakasının soğutma performansının, iki katına çıkan sıvı debisiyle %16'lık artış gösterdiği tespit edilmiştir. Sonuç olarak, farklı boru serimlerine sahip tasarımlarla mevcut şartlar altında daha iyi soğutma performansı elde edilebileceği ortaya koyulmuştur. Bunun en önemli nedeni ise soğutma sıvısının daha fazla yüzey alanı ile modüllere temasından kaynaklanmaktadır. Bu sonuçlar, soğutma plakalarının kanal yapısının ısı transferini önemli ölçüde etkilediğini ve tasarımların optimizasyonu ile batarya performans ve ömür anlamında iyileştirmelerin yapılabileceğini göstermektedir. Yapılan optimizasyon çalışması ile hücre iç direncin %12,6 oranında azalmasına, kapasite kaybında %3,45 oranında iyileşme sağlaması ve elde edilen %11'lik soğutma verimi artışı ile batarya ömrünün ve performansının %10 ila %20 arasında iyileşmesi sağlamaktadır.