Designing a thermal management system for lithium-ion batterypacks used in electrical vehicles

Yüksek enerji ve güç yoğunluklarına sahip olmasından dolayı Li-iyon pillerin kullanım alanları gün geçtikçe artmaktadır. Özellikle yüksek güç gerektiren uygulamalarda getirdiği hacimsel ve ağırlıksal avantajlar otomotiv sektörünün de dikkatini çekmiştir. Sürekli değişkenlik gösteren yakıt fiyatları ve fosil yakıtların sebebiyet verdiği emisyon hacimleri elektrikli araçları alternatif taşıma araçları olarak sunmaya başlamıştır. Petrol üretimi olmayan ülkelerde elektrikli araçların kullanımının arttırılması, enerjide dışa bağımlılığı azaltılabilecek ve buna bağlı olarak da temiz enerji kullanımının çevresel etkileri kısa vadede görülebilecektir. Her ne kadar Li-iyon bataryaların kullanımı teşvik edilse de güvenlik sorunlarından dolayı kullanım alanları yaygınlaşamamıştır. Isıl sürüklenmenin mümkün olduğu Li-iyon piller için gerekli önlemler alınmaz ise bataryanın yanması veya patlaması kaçınılmazdır. Bununla birlikte eğer optimum sıcaklıkta şarj-deşarj döngüsünde çevrilmez iseler bataryanın çevrim ömrü büyük oranda etkilenmekte ve kullanım süreleri azalmaktadır. Düşük sıcaklıklardaki gösterdiği zayıf performansı ile sadece soğutma değil aynı zamanda bataryayı ısıtmanın da önemli olduğunu görülmüştür. Bu sebeple Li-iyon pillerinin özellikle yüksek enerji ve güce ihtiyaç duyulan sistemlerde güvenle kullanılması için ısıl yönetim sistemlerinin özenle tasarlanması gerekmektedir. Çalışmanın ilk bölümünde, yüksek kapasiteli poşet tipi Lityum iyon pil hücrelerinin elektrokimyasal-termal davranışını incelemek için yeni çok katmanlı yaklaşıma sahip bir 3D model geliştirilmiştir. Bu yaklaşımda, 1D elektrokimyasal modülü, diferansiyel denklemleri sonlu elemanlar yöntemi (FEM) ile sayısal olarak çözen COMSOL programı kullanılarak 3D termal modül ile birleştirildi. Geliştirilen Elektrokimyasal-Termal model deneysel ölçümlerle doğrulandı. Geliştirilen model, çok katmanlı yapı ve elektrot sayısının bataryaların ısıl davranışları üzerindeki etkilerini incelemek için kullanılmıştır. Daha sonra, hücre boyutlarının ve konfigürasyonunun, pil hücrelerinin sıcaklık artışı ve birörnekliği üzerindeki etkileri araştırıldı. İkinci bölümde, hava ve su bazlı bir termal yönetim sistemi geliştirildi ve soğutma performansı optimize edildi. Soğutma sistemi olarak, mini kanal sistemli alüminyum plakalar, tek hücreli ve pil paketlerine göre tasarlanmıştır. Tasarım parametreleri, örneğin, kanal sayısı ve genişliği, giriş debisi ve soğutma malzemesi optimize edildi. Soğutma malzemesi olarak su ve hava soğutma performansları karşılaştırıldı. Kanalların içindeki basınç düşüşü ve hız profilleri gösterildi. Tek bir hücrenin iç ve dış sıcaklık profilleri ve batarya paketleri soğutma sistemleri olan ve olmayan incelenmiştir. Son bölümde, geliştirilen 4S1P akü modüllerine optimize edilmiş soğutma sistemleri uygulanmıştır. Pilleri optimum çalışma sıcaklığı aralığında (10-40 °C) tutmak için gereken giriş debisi ve güç tüketimi değerleri hesaplandı. Bu çalışmanın sonuçları, optimize edilmiş mini kanallı soğutma plakalarının kullanılmasının, tek hücrelerin ve pil paketlerinin sıcaklık seviyesini ve homojenliğini yeterince kontrol ettiğini gösterdi. Giriş debisinin arttırılmasıyla soğutma verimliliği% 60'a kadar çıkabilir.