Elektrikli araçlarda kullanılan bataryaların soğutma etkinliğinin incelenmesi ve ortaya çıkan atık ısının değerlendirilmesi

Abstract

Elektrikli araçlardaki termal yönetimin etkin bir şekilde gerçekleştirilmesi, batarya ömrü, güvenliği ve performansını doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle bataryada açığa çıkan atık ısının yalnızca uzaklaştırılması değil, aynı zamanda bu ısının bir enerji kaynağı olarak değerlendirilmesi gerekmektedir. Çalışmada, elektrikli araçlarda (EV) batarya kaynaklı ısının değerlendirilmesinde üç aşamalı bir yaklaşım sunmaktadır. İlk aşamada, 6 prizmatik Li-iyon hücreden oluşan modül için hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) ile soğutma etkinliği incelenmiş ve farklı C-oranları ve deşarj oranları için ısı taşınım katsayısı 1.10-5.49 kW/m²K aralığında bulunmuştur. Bu koşullarda modül sıcaklığı 290.93-317.31 K seviyesinde kalırken, soğutmasız durumda 332.57 K olarak kaydedilmiştir. 134.55 kW’lık bir EV batarya sistemi hedefi için 360 modül gerekmekte olup, bu modüllerden elde edilen toplam atık ısı en fazla 6.192 kW’tır. Atık ısının etkin taşınımı ve ikincil kullanım amaçları için soğutucu olarak R600a tercih edilmiştir. 10-40 °C soğutucu akışkan sıcaklıklarında kütlesel debiler 0.276-0.656 kg/s aralığında hesaplanmıştır. İkinci aşamada, bataryanın doğrudan evaporatör olarak kullanıldığı yeni bir ısı pompası (HP) tasarımı geliştirilmiş ve R1234yf, R134a, R152a, R1234ze akışkanları için 0.2C-5C deşarj aralıklarında termodinamik analizler yapılmıştır. Uzun süreli sürüş koşulları dikkate alınarak optimum evaporatör (batarya) giriş sıcaklığı 25 °C olarak belirlenmiştir. Optimum kuruluk dereceleri R1234yf ve R1234ze için 0.7, R134a ve R152a için 0.9 bulunmuştur. Optimum koşullarda maksimum Performans katsayısı (COP) 2.12, ikinci yasa verimi (ε) %62.10 ve Net Bugünkü Değer (NBD) 558.08 $ olarak elde edilmiştir. CO₂ emisyon azaltımı ise 58.11 kg’a ulaşmıştır. Üçüncü aşamada ise, faz değişimli malzeme (FDM) destekli termoelektrik jeneratörler (TEG) ile çok işlevli atık ısı geri kazanım sistemi tasarlanmıştır. Kış koşullarında TEG-I ve TEG-II birlikte, yaz modunda yalnız TEG-II kullanılmıştır. 5C deşarj oranında toplam TEG gücü 199 W’a ulaşmıştır. R1234ze ile en yüksek COP 3.47 ve maksimum ikinci yasa verimi %57.14 elde edilmiştir. Yeni Sistem (YS) sistem, Geleneksel Sistem’e (GS) kıyasla ikinci yasa veriminde %9.80 ve COP’ta %7.39 üstünlük sağlamıştır. Ekonomik değerlendirmede, 2000 kPa’da R1234ze için en yüksek NBD 1265.25 $ olarak hesaplanmıştır. Geri ödeme süresi 1C-5C deşarj aralığında 3.26-5.64 yıl arasında bulunmuştur.Effective thermal management in electric vehicles directly impacts battery life, safety, and performance. Therefore, waste heat generated in the battery must not only be removed but also utilized as an energy source. The study presents a three-stage approach to assessing batterygenerated heat in electric vehicles (EVs). In the first stage, the cooling efficiency of a module consisting of six prismatic Li-ion cells was investigated using computational fluid dynamics (CFD), and the heat transfer coefficient was found to be in the range of 1.10-5.49 kW/m²K for different C-rates and discharge rates. Under these conditions, the module temperature remained at 290.93-317.31 K, while in the uncooled state it was recorded as 332.57 K. For a 134.55 kW EV battery system target, 360 modules are required, and the total waste heat generated from these modules is at most 6.192 kW. R600a was chosen as the refrigerant for effective waste heat removal and secondary utilization purposes. Mass flow rates were determined in the range of 0.276-0.656 kg/s at refrigerant temperatures of 10-40 °C. In the second stage, a new heat pump (HP) design was developed using a battery as a direct evaporator, and thermodynamic analyses were conducted for R1234yf, R134a, R152a, and R1234ze refrigerants in the 0.2-5C discharge range. Considering long-term driving conditions, the optimum evaporator (battery) inlet temperature was determined as 25°C. Optimum dryness values were found to be 0.7 for R1234yf and R1234ze, and 0.9 for R134a and R152a. Under optimum conditions, a maximum Coefficient of Performance (COP) of 2.12, a second-law efficiency (ε) of 62.10%, and a Net Present Value (NPV) of $558.08 were achieved. CO₂ emission reductions reached 58.11 kg. In the third stage, a multifunctional waste heat recovery system was designed using phase change material (PCM) supported thermoelectric generators (TEGs). TEG-I and TEG-II were used together in winter conditions, while TEG-II was used alone in summer mode. The total TEG power reached 199 W at a 5C discharge rate. The highest COP of 3.47 and maximum second-law efficiency of 57.14% were achieved with R1234ze. The New System (YS) achieved a 9.80% superiority in second-law efficiency and 7.39% superiority in COP compared to the Conventional System (GS). In the economic evaluation, the highest NPV for R1234ze at 2000 kPa was calculated as $1265.25. The payback period was found to be between 3.26 and 5.64 years in the 1C-5C discharge range.