Dalgalı kanalda sıvı soğutmalı lityum-iyon batarya paketinin ısıl yönetiminin sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Son yıllarda, enerji ve çevre sorunları giderek daha fazla öne çıkmaya başlıyor. Lityum-iyon pil ile çalışan elektrikli araçlar bu sorunları hafifletmede büyük bir potansiyel avantaj sağlamaktadır. Lityum-iyon piller, diğer pillerle karşılaştırıldığında yüksek özgül enerji, yüksek enerji yoğunluğu, uzun ömür, düşük kendi kendine deşarj oranı ve uzun raf ömrü gibi avantajlara sahiptir. Elektrikli araçlarda güç kaynağı olarak kullanılan lityum-iyon pillerin sıcaklık kontrolü, batarya performansı açısından oldukça önemlidir. Çalışmada, Lityum NCA 18650 tipi 22 adet pil paralel olarak birbirine bağlanmıştır. Piller 4 sıra halinde 6-5-6-5 grup biçiminde yerleştirilerek bir batarya termal yönetim sistemi tasarlanmıştır. Bu batarya termal yönetim sistemi için, 3 farklı kanal U, 2-U ve 4-U bükümlü kanal yapıları modellenerek, kanallarda akışkan bölme sayıları ve soğutucu akışkanın kanallara giriş yönleri değiştirilerek modeller incelenmiştir. Parametrik çalışmalar için ele alınan, FloEFD programı ile oluşturulan 4-U bükümlü 4 bölmeli dalgalı kanal için bataryanın soğuma etkileri incelenmiştir. Soğutucu akışkan olarak kullanılan suyun sıcaklığı ile çevre sıcaklığı 25°C, çalışma basıncı ise 1 atm olarak ele alınmıştır. Farklı C-oranları (1C-2C-3C) ve farklı Reynolds sayılarında (800-1200-1600-2000) FloEFD programı ile sayısal analizler yapılmıştır. U, 2-U ve 4-U bükümlü kanal analizleri sonucunda, 4-U bükümlü kanal yapısına sahip modelinin, U bükümlü kanala göre Tmak değerinin %1,3 azaldığını ve 2-U bükümlü kanala göre de Tmak değerinin %2,9 azaldığı belirlenmiştir. 4 bölmeli kanalın 1-2-3 bölmeli kanala göre daha iyi bir performans gösterdiğini ve batarya üzerinde oluşan ısıyı daha fazla düşürdüğü bulunmuştur. Ayrıca seçilen kanal yapısında (4-U, 4 bölmeli) yapılan parametrik çalışmalar da lityum-iyon batarya paketinin 1C ve 2C deşarj oranı için farklı Reynolds sayılarında, ideal çalışma sıcaklık aralığında (20°C-40°C) tutulabildiği görülmüştür.

In recent years, energy and environmental issues are starting to come to the fore more and more. Electric vehicles powered by lithium-ion batteries offer a great potential advantage in alleviating these problems. Compared with other batteries, lithium-ion batteries have advantages such as high specific energy, high energy density, long life, low self-discharge rate and long shelf life. Temperature control of lithium-ion batteries used as a power source in electric vehicles is very important in terms of battery performance. In the study, 22 lithium NCA 18650 type batteries were connected in parallel. A battery thermal management system was designed by placing the batteries in 4 rows in 6-5-6-5 groups. For this battery thermal management system, 3 different channel U, 2-U and 4-U twisted channel structures were modeled and the models were examined by changing the number of fluid divisions in the channels and the inlet directions of the refrigerant to the channels. The cooling effects of the battery were investigated for the 4-U twisted 4-split wavy channel created with the FloEFD program, which was considered for parametric studies. The temperature of the water used as the refrigerant and the ambient temperature is 25°C, and the working pressure is 1 atm. Numerical analyzes were performed with the FloEFD program at different C-ratios (1C-2C-3C) and different Reynolds numbers (800-1200-1600-2000). As a result of U, 2-U and 4-U twisted duct analysis, it was determined that the Tmax value of the model with 4-U twisted duct structure decreased by 1.3% compared to the U-bent duct and the Tmax value decreased by 2.9% compared to the 2-U twisted duct. It has been found that the 4-chamber channel performs better than 1-2-3 and reduces the heat generated on the battery more. In addition, parametric studies performed on the selected channel structure (4-U, 4- chamber) have shown that the Lithium-ion battery pack can be kept in the ideal operating temperature range (20°C-40°C) at different Reynolds numbers for 1C and 2C discharge rates.