Lityum-İyon Batarya Modüllerinin Soğutulmasında Ara Soğutma Kanallarının Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi

Year 2025, Volume: 4 Issue: 1, 1 - 11, 27.06.2025

Mervenur Aydın , Ferhat Koca

https://doi.org/10.69560/cujast.1695926

Abstract

Bu çalışmada, 18650 tipi 21 adet lityum-iyon pilden oluşan batarya modelinin, 45° açıda ve farklı kademelerde yerleştirilen ara soğutma kanallarıyla soğutulması sayısal olarak incelenmiştir. Dikdörtgen yapıdaki batarya kutusu 92 mm genişliğinde ve 136 mm uzunluğunda tasarlanmıştır. Batarya kutusuna soğutma kapasitesini arttırmak için farklı kademelerde ara soğutma kanalları karşılıklı olarak eklenmiş ve analizler hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi yardımıyla yapılmıştır. Re= 5000, 10000, 20000 ve 40000 değerlerinde ısı transferine etkisi araştırılmıştır. Çalışma boyunca pillere sabit 48750 W/m3 ısı üretimi uygulanmıştır. Standart model ile 45° açıya sahip ara soğutma kanalları 3 farklı kademede, ısı transferi ve enerji verimliliği bakımından değerlendirilmiştir. Yapılan analizler sonucunda tüm modeller birbirleri arasında kıyaslandığında, 45° ara soğutma kademe 1 modelinin termal performansı en iyi, kademe 3 modeli ise enerji verimliliği açısından en dengeli değerleri verdiği gözlemlenmiştir. Bunların yanı sıra batarya içi ısının 45° ara soğutma kademe 2 modelde homojen dağılım sergilediği sonucuna ulaşılmıştır. Bu yönüyle akıllı araç teknolojilerinde gelecekteki uygulamalar için ara soğutmanın önemli potansiyele sahip olduğu düşünülmektedir.

Keywords

Lityum-iyon batarya soğutma , Ara soğutma , Hesaplamalı akışkanlar dinamiği , Sonlu elemanlar yöntemi

Numerical Investigation of the Effect of Inter-Cooling Channels on the Cooling of Lithium-Ion Battery Modules

Abstract

In this study, the cooling of a battery model consisting of 21 18650-type lithium-ion batteries is numerically investigated with intercooling channels placed at 45° angles and at different stages. The rectangular battery box is designed with a width of 92 mm and a length of 136 mm. In order to increase the cooling capacity of the battery box, intercooling channels at different stages were added to the battery box and analyses were performed with the help of computational fluid dynamics method. The effect of Re= 5000, 10000, 20000 and 40000 on heat transfer was investigated. A constant heat generation of 48750 W/m3 was applied to the batteries throughout the study. Standard model and intercooling channels with 45° angle were evaluated in 3 different stages in terms of heat transfer and energy efficiency. As a result of the analyses, when all models were compared among each other, it was observed that the 45° intercooling stage 2 model gave the best thermal performance and the stage 3 model gave the most balanced values in terms of energy efficiency. In addition to these, it was concluded that the in-battery heat exhibits a homogeneous distribution in the 45° intercooling stage 2 model. In this respect, intercooling is considered to have significant potential for future applications in smart vehicle technologies.

Keywords

Lithium-ion battery cooling , Intercooling , Computational fluid dynamics , Finite element method

References

• Aktaş, M., Baygüneş, B., Kıvrak, S., Çavuş, B., & Sözen, F. (2020). Elektrikli araç için düşük maliyetli bir batarya yönetim sistemi tasarımı ve gerçekleştirilmesi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 227, 227–238. https://doi.org/10.31590/ejosat.779720
• Bulut, E. (2022). Elektrikli araçlarda batarya termal yönetim sistemlerinin optimum tasarımı (Doktora tezi, Bursa Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü).
• Celen, A., & Kaba, M. Y. (2021). Elektrikli araçlarda kullanılan silindirik lityum iyon bataryaların soğutulmasının parametrik incelenmesi. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 33(1), 49–61.
• Chung, Y., & Kim, M. S. (2019). Thermal analysis and pack level design of battery thermal management system with liquid cooling for electric vehicles. Energy Conversion and Management, 196, 105–116. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.05.082
• Eğin, G. (2019). Elektrikli araçların batarya sistemlerinde ısı yönetimi (Yüksek lisans tezi, Bursa Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü).
• Elmi, M. A., & Zhao, P. (2024). Review of thermal management strategies for cylindrical lithium-ion battery packs. Batteries, 10, 50. https://doi.org/10.3390/batteries10020050
• E, J., Yue, M., Chen, J., Zhu, H., Deng, Y., Zhu, Y., Zhang, F., Wen, M., Zhang, B., & Kang, S. (2018). Effects of the different air cooling strategies on cooling performance of a lithium-ion battery module with baffle. Applied Thermal Engineering, 144, 231–241.
• Hasan, H. A., Togun, H., Abed, A. M., Biswas, N., & Mohammed, H. I. (2023). Thermal performance assessment for an array of cylindrical lithium-ion battery cells using an air-cooling system. Applied Energy, 346, 121354. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.121354
• Hamurcu, M., Çakır, E., & Eren, T. (2021). Kullanıcı perspektifli çok kriterli karar verme ile elektrikli araçlarda batarya seçimi. Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi (International Journal of Engineering Research and Development), 13(2), 733–749. https://doi.org/10.29137/umagd.906805
• Kim, C., Han, J., & Hong, S. (2022). Evaluation of spoiler model based on air cooling on lithium ion battery pack temperature uniformity. Processes, 10(3), 505. https://doi.org/10.3390/pr10030505
• Koca, F., & Güder, T. B. (2022). Numerical investigation of CPU cooling with micro-pin–fin heat sink in different shapes. The European Physical Journal Plus, 137, 1276. https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-022-03489-7
• Koca, F., & Zabun, M. (2021). The effect of outlet location on heat transfer performance in micro pin-fin cooling used for a CPU. The European Physical Journal Plus, 136, 1115. https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-021-02113-4
• Menak, R., Karadağ, T., Altuğ, M., & Tan, N. (2021). Elektrikli araçlarda batarya yönetim sistemleri üzerine bir derleme çalışması [A review study on battery management systems in electric vehicles]. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 12(2), 581–594. https://doi.org/10.24012/dumf.941851
• Pesaran, A. A. (2002). Battery thermal models for hybrid vehicle simulations. Journal of Power Sources, 110, 377–382.
• Qian, Z., Li, Y., & Rao, Z. (2016). Thermal performance of lithium ion battery thermal management system by using mini channel cooling. Energy Conversion and Management, 126, 622–631. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.08.063
• Scrosati, B., & Garche, J. (2010). Lithium batteries: Status, prospects and future. Journal of Power Sources, 195(9), 2419–2430. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.11.048
• Tuğan, V., & Yardımcı, U. (2023). Numerical study for battery thermal management system improvement with air channel in electric vehicles. Journal of Energy Storage, 72, 108515. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108515
• Yong, J. Y., Ramachandaramurthy, V. K., Tan, K. M., & Mithulananthan, N. (2015). A review on the state-of-the-art technologies of electric vehicle, its impacts and prospects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 49, 365–385. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.04.130
• Yildiz, E., Koca, F., & Can, I. (2024). Optimal design and analysis of the cooled turbine blade in gas turbines with CFD. Journal of Applied Fluid Mechanics, 18(1), 60–72. https://doi.org/10.47176/jafm.18.1.2853