Elektrikli araçlarda kullanılan silindirik tip lityum-iyon bataryaların zorlanmış konveksiyonlu hava soğutması: hava akış konfigürasyonlarının aero-termal performansa etkisi

Öz

Elektrikli araçlarda kullanılan lityum-iyon bataryaların güvenli, verimli ve uzun ömürlü çalışabilmesi, batarya termal yönetim sistemlerinin (BTMS) efektif kullanımına direkt olarak bağlıdır. Özellikle hava soğutmalı BTMS’lerde soğutma performansı; hava akış hızı/debisi, giriş–çıkış konfigürasyonu ve modül içi akış dağılımı gibi aero-termal parametrelerden önemli ölçüde etkilenmektedir. Bu çalışmada, 12 adet 18650 silindirik tipi lityum-iyon batarya hücrelerden oluşan 4 seri 3 paralel (4S3P) dizilimdeki bir batarya modülünün zorlanmış konveksiyonlu hava soğutması, farklı hava giriş–çıkış konfigürasyonları ve fan hızları altında deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler, termal olarak izole edilmiş bir şartlandırma ünitesi içerisinde, 10 A sabit deşarj akımı altında ve 3–7,5 m/s aralığındaki hava giriş hızlarında gerçekleştirilmiştir. Farklı hava akış konfigürasyonları için batarya modülünün maksimum sıcaklığı (Tmax), hücreler arası sıcaklık farkı (ΔT) ve deneysel sıcaklık verilerine dayalı olarak hesaplanan etkin ısı transfer katsayısı (hₑₜₖᵢₙ) karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Ayrıca, giriş kesitindeki akış koşulları teorik olarak ele alınarak Reynolds ve Nusselt sayıları üzerinden teorik ısı transfer katsayısı hesaplanmış ve deneysel bulgularla ilişkilendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, zorlanmış taşınım temelli hava soğutmanın doğal taşınıma kıyasla batarya modülünün maksimum sıcaklığını belirgin biçimde düşürdüğünü ve sıcaklık dağılımını daha homojen hale getirdiğini göstermiştir. Çoklu ve karşılıklı giriş–çıkışa sahip hava akış konfigürasyonlarının, tek yönlü düzenlemelere göre daha düşük Tmax ve ΔT değerleri sağladığı belirlenmiştir. Fan hızının artırılmasıyla soğutma performansı genel olarak iyileşmiş olmakla birlikte, yüksek hızlarda sıcaklık düşüşü eğiliminin doygunluğa yaklaştığı gözlemlenmiştir. Teorik ve deneysel ısı transfer katsayılarının birlikte değerlendirilmesi, gerçek soğutma performansının yalnızca giriş akış şartlarına değil, modül içi akış yönlendirme stratejilerine güçlü biçimde bağlı olduğunu ortaya koymuştur. Bu çalışma, hava soğutmalı batarya termal yönetim sistemlerinin tasarımında, hava akış hızının yanı sıra hava giriş–çıkış konfigürasyonlarının optimize edilmesinin kritik önem taşıdığını göstermekte ve elektrikli araç batarya modülleri için aero-termal açıdan yol gösterici mühendislik çıkarımları sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Elektrikli araçlar
• Lityum iyon bataryalar
• batarya termal yönetim sistemleri
• Hava soğutma
• termal performans

Forced convection air cooling of cylindrical lithium-ion batteries used in electric vehicles: the effect of airflow configurations on aerothermal performance

Öz

The safe, efficient, and long-lasting operation of lithium-ion batteries used in electric vehicles is directly dependent on the effective use of battery thermal management systems (BTMS). In air-cooled BMSs in particular, cooling performance is significantly affected by aero-thermal parameters such as air flow velocity/flow rate, inlet–outlet configuration, and internal flow distribution within the module. In this study, forced convection air cooling of a battery module consisting of 12 cylindrical 18650 lithium-ion battery cells in a 4 series 3 parallel (4S3P) arrangement was experimentally investigated under different air inlet-outlet configurations and fan speeds. The experiments were conducted in a thermally isolated conditioning unit, under a constant discharge current of 10 A and air inlet velocities ranging from 3 to 7.5 m/s. The maximum temperature (Tmax) of the battery module, the inter-cell temperature difference (ΔT), and the effective heat transfer coefficient (hₑₜₖᵢₙ) calculated based on experimental temperature data were comparatively analyzed for different air flow configurations. Furthermore, the flow conditions at the inlet section were theoretically analyzed, and the theoretical heat transfer coefficient was calculated using Reynolds and Nusselt numbers and correlated with the experimental findings. The results obtained show that forced convection-based air cooling significantly reduces the maximum temperature of the battery module compared to natural convection and makes the temperature distribution more homogeneous. It has been determined that air flow configurations with multiple and reciprocal inlets and outlets provide lower Tmax and ΔT values compared to unidirectional arrangements. Although cooling performance generally improved with increased fan speed, it was observed that the temperature decrease trend approached saturation at high speeds. The combined evaluation of theoretical and experimental heat transfer coefficients revealed that actual cooling performance is strongly dependent not only on inlet flow conditions but also on internal flow routing strategies within the module. This study demonstrates that optimizing air inlet–outlet configurations, in addition to air flow velocity, is critically important in the design of air-cooled battery thermal management systems and provides aerothermal engineering insights for electric vehicle battery modules.

Anahtar Kelimeler

• Electric vehicles
• Lithium-ion batteries
• Battery thermal management systems
• Air-cooling
• Thermal performance

Kaynakça

1. 1. Çevik Bektaş S., Altaş İ., Multi-objective day-ahead optimal energy scheduling of a grid connected distribution network consisting of renewable energy sources and storage units, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 40 (2), 1335-1346, 2025.
2. 2. Lahnaoui A., Wulf C., Heinrichs H., Dalmazzone D., Optimizing hydrogen transportation system for mobility by minimizing the cost of transportation via compressed gas truck in North Rhine-Westphalia, Appl. Energy, 223, 317-328, 2018.
3. 3. Peneklioğlu K., Bilen K., Investigation of cooling an electric vehicle battery module using water by considering effect of contact resistance, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39 (4), 2587-2600, 2024.
4. 4. Herzog A.V., Lipman T.E., Kammen D.M., Renewable energy sources, University of California, Berkeley, USA, 2001.
5. 5. Lyu Y., Siddique A.R.M., Majid S.H., Biglarbegian M., Gadsden S.A., Mahmud S., Electric vehicle battery thermal management system with thermoelectric cooling, Energy Rep., 5, 822-827, 2019.
6. 6. Koyama R. et al., Thermophysical properties of trimethylolethane hydrate as phase change material for cooling lithium-ion battery in electric vehicle, J. Power Sources, 427, 70-76, 2019.
7. 7. Natkunarajah N., Scharf M., Scharf P., Scenarios for the return of lithium-ion batteries out of electric cars for recycling, Procedia CIRP, 29, 740-745, 2015.
8. 8. Wei Y., Agelin-Chaab M., Development and experimental analysis of a hybrid cooling concept for electric vehicle battery packs, J. Energy Storage, 25, 100906, 2019.

9. 9. Bai F., Chen M., Song W., Li Y., Feng Z., Li Y., Thermal performance of pouch lithium-ion battery module cooled by phase change materials, Energy Procedia, 158, 3682-3689, 2019.
10. 10. Akkuş F., Işık M.Z., A review of thermal management systems of lithium-ion batteries used in electric vehicles, J. Traffic Transp. Eng. (Engl. Ed.), in press, 2025.
11. 11. Akkuş F., Işık M.Z., Elektrikli araçlarda kullanılan lityum iyon bataryaların hava, sıvı ve ısı borulu termal yönetim sistemlerinin incelenmesi, Batman Univ. J. Life Sci., 13 (2), 36-54, 2023.
12. 12. Li X., Wang Z., Zhang L., Co-estimation of capacity and state-of-charge for lithium-ion batteries in electric vehicles, Energy, 174, 33-44, 2019.
13. 13. Akçil M., Ekici M.B., Study of the effect of calendering parameters on physical and electrochemical properties in lithium-ion battery electrodes, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39 (3), 1427-1438, 2024.
14. 14. Jones N., The new car batteries that could power the electric vehicle revolution, Nature, 626 (7998), 248-251, 2024.
15. 15. Bulut E., Elektrikli araçlarda batarya termal yönetim sistemlerinin optimum tasarımı, Doktora Tezi, Bursa Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa, 2022.
16. 16. Liu S., Zhang T., Zhang C., Yuan L., Xu Z., Jin L., Non-uniform heat generation model of pouch lithium-ion battery based on regional heat generation rate, J. Energy Storage, 63, 107074, 2023.
17. 17. Xu J., Chen Z., Qin J., Minqiang P., A lightweight and low-cost liquid-cooled thermal management solution for high energy density prismatic lithium-ion battery packs, Appl. Therm. Eng., 203, 117871, 2022.
18. 18. Yang W., Zhou F., Chen X., Li K., Shen J., Thermal performance of honeycomb-type cylindrical lithium-ion battery pack with air distribution plate and bionic heat sinks, Appl. Therm. Eng., 218, 119299, 2023.
19. 19. Malik M., Dincer I., Rosen M.A., Mathew M., Fowler M., Thermal and electrical performance evaluations of series connected Li-ion batteries in a pack with liquid cooling, Appl. Therm. Eng., 129, 472-481, 2018.
20. 20. Ling Z. et al., Review on thermal management systems using phase change materials for electronic components, Li-ion batteries and photovoltaic modules, Renew. Sustain. Energy Rev., 31, 427-438, 2014.
21. 21. Huang Y. et al., A novel approach for lithium-ion battery thermal management with streamline shape mini channel cooling plates, Appl. Therm. Eng., 157, 113623, 2019.
22. 22. Kshetrimayum K.S., Yoon Y.G., Gye H.R., Lee C.J., Preventing heat propagation and thermal runaway in electric vehicle battery modules using integrated PCM and micro-channel plate cooling system, Appl. Therm. Eng., 159, 113797, 2019.
23. 23. Liu H., Wei Z., He W., Zhao J., Thermal issues about Li-ion batteries and recent progress in battery thermal management systems: A review, Energy Convers. Manag., 150, 304-330, 2017.
24. 24. Liu S. et al., Thermal equalization design for the battery energy storage system of a fully electric ship, Energy, 312, 133611, 2024.
25. 25. Rao Z., Wang S., A review of power battery thermal energy management, Renew. Sustain. Energy Rev., 15 (9), 4554-4571, 2011.
26. 26. Akinlabi A.A.H., Solyali D., Configuration, design, and optimization of air-cooled battery thermal management system for electric vehicles: A review, Renew. Sustain. Energy Rev., 125, 109815, 2020.
27. 27. Akkuş F., Işık M.Z., Üçgen dizilim geometrisine sahip batarya paketlerinde farklı soğutucu akışkanların termal etkilerinin deneysel ve sayısal analizi, Gazi Univ. J. Sci. Part C, in press, 2025.
28. 28. Ye Y., Saw L.H., Shi Y., Tay A.A.O., Numerical analyses on optimizing a heat pipe thermal management system for lithium-ion batteries during fast charging, Appl. Therm. Eng., 86, 281-291, 2015.
29. 29. Zhang W., Qiu J., Yin X., Wang D., A novel heat pipe assisted separation type battery thermal management system based on phase change material, Appl. Therm. Eng., 165, 114571, 2020.
30. 30. Xu X., Li W., Xu B., Qin J., Numerical study on a water cooling system for prismatic LiFePO4 batteries at abused operating conditions, Appl. Energy, 250, 404-412, 2019.
31. 31. Al-Zareer M., Dincer I., Rosen M.A., A novel approach for performance improvement of liquid to vapor based battery cooling systems, Energy Convers. Manag., 187, 191-204, 2019.
32. 32. Bais A., Subhedar D., Panchal S., Experimental investigations of a novel phase change material and nano enhanced phase change material based passive battery thermal management system, J. Energy Storage, 103, 114395, 2024.
33. 33. Farouk N., Alotaibi A.A., Alshahri A.H., Almitani K.H., Challenges in incorporating phase change materials into thermal control units for lithium-ion battery cooling, J. Energy Storage, 49, 104094, 2022.
34. 34. Mustafa J., Effect of inlet and outlet size, battery distance, and air inlet and outlet position on the cooling of a lithium-ion battery pack, J. Energy Storage, 46, 103826, 2022.
35. 35. Kök C., Alkaya A., Numerical investigation of different cooling applications for pouch type lithium ion battery cells, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38 (1), 381-398, 2022.
36. 36. Uzal H., Şener R., Oktay H., Elektrikli araçlarda hava giriş konumu ve hızının batarya soğutma performansına etkisinin araştırılması, Int. J. Adv. Eng. Pure Sci., 35 (1), 116-124, 2023.
37. 37. Özbektaş S., Sungur B., Kaleli A.R., Zorlanmış hava soğutma esaslı lityum bazlı silindirik bir batarya hücresinin ısı dağılım performansının nümerik incelenmesi, Karadeniz Fen Bil. Derg., 14 (3), 1586-1603, 2024.
38. 38. Zhang S., Nie F., Cheng J., Yang H., Gao Q., Optimizing the air flow pattern to improve the performance of the air-cooling lithium-ion battery pack, Appl. Therm. Eng., 236, 121486, 2024.