Elektrikli araç bataryalarının ısıl modellenmesi ve simülasyonu
Küçük Resim Yok
Tarih
2025
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
İnönü Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Bu tezde, 110 × 50 × 15 mm boyutlarındaki prizmatik bir lityum-iyon batarya hücresinin ısıl davranışı, NTGK (Newman-Tiedemann-Gu-Kim) yaklaşımının Joule bileşeni esas alınarak gerçekleştirilen sayısal analizle değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında entropik ısı terimi ihmal edilmiş, yalnızca Joule ısısı dikkate alınmıştır. Batarya çalışması sırasında ortaya çıkan ısı, hem güvenliğin hem de performansın sürdürülebilirliği açısından kritik rol oynamaktadır. Özellikle yüksek C-oranlarında yapılan deşarj işlemlerinde, hücre içinde oluşan sıcaklık gradyentleri termal kaçak riskini artırmakta ve hücre ömrünü kısaltmaktadır. Bu çalışmada NTGK yaklaşımındaki entropik ısı terimi tüm senaryolarda modele dahil edilmemiş, ısı üretimi yalnızca Joule bileşeni üzerinden değerlendirilmiştir. Çalışmada ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak üç boyutlu bir termal simülasyon modeli oluşturulmuştur. Hücre, aktif malzeme ve alüminyum dış kasa olmak üzere iki bölge halinde modellenmiş; iç ısı üretimi NTGK modelinin Joule bileşenine göre hesaplanmıştır. 0,5 C, 1 C, 2 C ve WLTC sürüş döngüsü olmak üzere dört farklı senaryo analiz edilmiş; mesh bağımsızlık testi ve enerji bilançosu denetimleri ile elde edilen sonuçların güvenilirliği teyit edilmiştir. Simülasyon çıktıları, artan deşarj oranlarıyla birlikte maksimum sıcaklık değerlerinde belirgin bir yükselme olduğunu göstermiştir. 2 C senaryosunda tepe sıcaklık yaklaşık 47,6 °C'ye ulaşırken; 1 C senaryosunda bu değer yaklaşık 39,1 °C düzeyinde kalmıştır. WLTC döngüsü altında ise maksimum sıcaklık 35,2 °C olarak elde edilmiş ve sıcaklık artışının dinamiği sabit akım senaryolarından farklılık göstermiştir. Elde edilen bulgular, NTGK tabanlı bu sayısal yaklaşımın prizmatik hücrelerin ısıl analizlerinde hızlı ve güvenilir sonuçlar verdiğini ortaya koymakta; mühendislik uygulamaları ve termal yönetim stratejilerinin geliştirilmesine önemli bir zemin sunmaktadır.
In this thesis, the thermal behavior of a prismatic lithium-ion battery cell with dimensions of 110 × 50 × 15 mm was analyzed through numerical simulations based on the Joule heat component of the NTGK (Newman-Tiedemann-Gu-Kim) model. The entropic heat term was neglected, and only Joule heat generation was considered. The heat generated during battery operation plays a critical role in ensuring both performance and safety. In particular, under high C-rate discharges, internal temperature gradients significantly increase the risk of thermal runaway and shorten the cell lifespan. In this study, the entropic heat term was excluded; heat generation was evaluated solely via Joule losses. A three-dimensional thermal simulation model was developed using ANSYS Fluent software. The cell was modeled in two regions: the active material and the aluminum casing. Internal heat generation was calculated according to the Joule contribution of the NTGK model. Four discharge scenarios—0.5 C, 1 C, 2 C, and the WLTC driving cycle—were simulated, and the reliability of the results was validated through mesh independence tests and energy balance checks. Simulation results showed a clear rise in maximum temperature with increasing discharge rates. Under the 2 C scenario, the peak temperature reached approximately 47.6 °C, while it remained around 39.1 °C at 1 C. Under the WLTC profile, the maximum temperature was obtained as 35.2 °C, with dynamics differing from those observed in constant-current scenarios. These findings indicate that the NTGK-based numerical approach provides fast and reliable results for the thermal analysis of prismatic cells and offers a solid foundation for engineering applications and the design of thermal management strategies.
In this thesis, the thermal behavior of a prismatic lithium-ion battery cell with dimensions of 110 × 50 × 15 mm was analyzed through numerical simulations based on the Joule heat component of the NTGK (Newman-Tiedemann-Gu-Kim) model. The entropic heat term was neglected, and only Joule heat generation was considered. The heat generated during battery operation plays a critical role in ensuring both performance and safety. In particular, under high C-rate discharges, internal temperature gradients significantly increase the risk of thermal runaway and shorten the cell lifespan. In this study, the entropic heat term was excluded; heat generation was evaluated solely via Joule losses. A three-dimensional thermal simulation model was developed using ANSYS Fluent software. The cell was modeled in two regions: the active material and the aluminum casing. Internal heat generation was calculated according to the Joule contribution of the NTGK model. Four discharge scenarios—0.5 C, 1 C, 2 C, and the WLTC driving cycle—were simulated, and the reliability of the results was validated through mesh independence tests and energy balance checks. Simulation results showed a clear rise in maximum temperature with increasing discharge rates. Under the 2 C scenario, the peak temperature reached approximately 47.6 °C, while it remained around 39.1 °C at 1 C. Under the WLTC profile, the maximum temperature was obtained as 35.2 °C, with dynamics differing from those observed in constant-current scenarios. These findings indicate that the NTGK-based numerical approach provides fast and reliable results for the thermal analysis of prismatic cells and offers a solid foundation for engineering applications and the design of thermal management strategies.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
