Lityum iyon araç bataryaların efektif olarak soğutulması ve homojen sıcaklık dağılımının sağlanması için farklı yöntemlerin deneysel ve sayısal olarak araştırılması

Günümüzde elektrikli araçlar çevresel sürdürülebilirlik hedefleri doğrultusunda hızla yaygınlaşmakta olup, sistem performanslarında bataryalar kritik öneme sahiptir. Çevrim ömrünün ve enerji yoğunluğunun yüksek olması nedeniyle tercih edilen lityum iyon bataryalar, şarj-deşarj döngülerinde oluşan ısıl yükler sonucu performans kaybı ve güvenlik sorunları yaşayabilmektedir. Bu nedenle batarya termal yönetim sistemleri tasarımları yapılarak batarya paketlerinin, optimum sıcaklık aralığında ve hücreler arası sıcaklık farkı düşük olacak şekilde çalıştırılması gerekmektedir. Bu çalışmada 28 adet 18650 silindirik tip hücreden oluşan batarya paketleri, üçgen, içbükey, dışbükey ve köşeli olmak üzere dört farklı dizilimde tasarlanmış; hava, ısı borulu ve sıvı soğutmalı olmak üzere üç farklı termal yönetim sistemi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Hava soğutma çalışmalarında 10 A akım değerinin üzerindeki akımlarda doğal taşınım yetersiz kalmış, bu nedenle zorlanmış konveksiyon uygulanmıştır. Giriş fan hızlarının (4–12) m/s, çıkış fanlarının (0–7) m/s arasında değiştiği çalışmada, 10 A ile deşarjda tek çıkışlı yapı ile maksimum sıcaklık yaklaşık 31,5 °C seviyesinde oluşurken, iki çıkışlı yapı ile 29,8 °C'ye düşmüştür. 15 A akımda sıcaklık 52,8 °C seviyesinden 35 °C seviyelerine kadar düşürülmüş ve hava yönlendirme stratejisinin etkisi net biçimde gözlemlenmiştir. Ayrıca doğal taşınımla 65 °C seviyelerine ulaşan paket sıcaklığı, 9,6 m/s giriş ve fanlı çıkış kullanımıyla 31,15 °C'ye kadar düşürülmüş ve yaklaşık %52 oranında iyileşme elde edilmiştir. Simetrik giriş-çıkış konfigürasyonlarında çoklu çıkış fanı kullanımı, hava soğutma sistemlerinde en yüksek termal homojenlik ve soğutma performansını sağlamıştır. Isı borulu soğutma çalışmalarında hücreler arasına yerleştirilen farklı sayılardaki (1-2-3) bakır ısı boruları ve hava akışı birlikte değerlendirilmiştir. 5–20 m/s hava hızlarında gerçekleştirilen testlerde, içbükey dizilim tüm boru sayılarında en iyi performansı göstermiş, üç borulu yapı ve 20 m/s hava hızında sıcaklık farkı 1 °C'nin altına düşmüştür. Köşeli dizilimde 5 m/s hızda (9–10) °C olan sıcaklık farkı, üç borulu yapıda 20 m/s akış hızında yaklaşık 3 °C'ye kadar azaltılmıştır. Boru sayısının artırılması tüm dizilimlerde belirgin iyileşme sağlamıştır. Sıvı soğutma sistemlerinde ise farklı boru sayılarında soğutucu akışkan olarak su ve antifriz kullanılmış, (0,25–0,93) L/dk debi aralıkları test edilmiştir. Debi arttıkça sıcaklıklar düşmüş, antifriz daha homojen sıcaklık dağılımı sağlayarak suya kıyasla daha başarılı sonuçlar vermiştir. Yüksek ısı yüklerinde sıvı soğutmanın hava ve ısı borulu sistemlere göre daha düşük sıcaklık farkı ve kararlı termal davranış sağladığı belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, batarya modüllerinde hava, ısı borulu ve sıvı soğutma gibi farklı soğutma stratejilerinde dizilim geometrisinin ve debi kontrolünün termal performans üzerinde kritik rol oynadığını göstermektedir. Çoklu çıkış ve simetrik akış düzenleri hem maksimum sıcaklığı düşürmede hem de sıcaklık homojenliğini artırmada en etkili tasarımlar olarak öne çıkmıştır. Hava soğutma özellikle optimize fan yerleşimi ile başarılı sonuç verirken, ısı borulu ve sıvı soğutma sistemleri daha düşük sıcaklık farkı ve daha kararlı çalışma sunarak yüksek ısı yüklerinde üstünlük sağlamıştır.