Elektrikli Araçlarda Lityum İyon Batarya (NMC 811) Paketinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Kullanılarak Termal Yönetiminin Sayısal Olarak İncelenmesi

Abstract

Batarya termal yönetimi, elektrikli araçlarda güvenlik, performans ve batarya ömrünü doğrudan etkileyen kritik bir tasarım alanıdır. Bu tezin amacı, batarya sistemlerinde optimum termal performansı sağlamayı zorlaştıran etkenleri belirlemek ve ısıl problemlerin azaltılmasına yönelik uygulanabilir bir değerlendirme çerçevesi sunmaktır. Bu tezde, lityum-iyon batarya paketleri için iki farklı geometrik tasarım denenmiş ve iki farklı soğutucu akışkan kullanılarak Reynolds sayısının, farklı deşarj hızları altında paketlerin termal davranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Elde edilen bulgular, düşük deşarj hızlarında düşük Reynolds sayılarının kullanılması durumunda paket sıcaklığının bataryaların sorunsuz çalışmasına imkân veren makul bir seviyede kaldığını göstermiştir. Buna karşılık, yüksek deşarj hızlarında sıcaklık artışına bağlı olası problemleri önlemek ve batarya verimliliğini korumak için daha yüksek Reynolds sayılarının tercih edilmesi gerektiği belirlenmiştir. Ayrıca, yüksek deşarj hızlarında nanoakışkan kullanımının, soğutucu olarak havaya kıyasla daha yüksek bir soğutma etkinliği sağladığı tespit edilmiştir. Bununla birlikte, batarya duvarı ile soğutucu akışkan arasındaki temas alanı arttıkça ısı transferinin iyileştiği ve batarya sıcaklığının optimum çalışma aralığında tutulmasının kolaylaştığı sonucuna ulaşılmıştır.

Battery thermal management is a critical design domain in electric vehicles, as it directly affects safety, performance, and battery lifetime. The aim of this thesis is to identify the factors that hinder achieving optimal thermal performance in battery systems and to propose an applicable evaluation framework for mitigating thermal problems. In this thesis, two different geometric designs for lithium-ion battery packs were tested, and the effect of the Reynolds number on the thermal behavior of the packs under various discharge rates was investigated using two different coolant fluids. The findings indicate that, at low discharge rates, employing low Reynolds numbers keeps the pack temperature at a reasonable level that allows batteries to operate without issues. In contrast, at high discharge rates, higher Reynolds numbers should be preferred in order to prevent potential problems associated with temperature rise and to maintain battery efficiency. Moreover, at high discharge rates, the use of a nanofluid was found to provide higher cooling effectiveness compared to air as a coolant. In addition, as the contact area between the battery wall and the coolant increases, heat transfer improves, making it easier to keep the battery temperature within the optimal operating range.