Elektrikli Araçlarda Batarya Termal Yönetim Sistemlerinin İncelenmesi

Elektrikli Araçlarda Batarya Termal Yönetim Sistemlerinin İncelenmesi

Burak Tunca

Bu yazımızda elektrikli araç bataryalarının performans kriterlerini ve kullanılan batarya termal yönetim sistemlerinin incelenmesini ele alacağız.

Günümüz şartlarında gerçekleşen çevreci politikalar sayesinde elektrikli araçlara ilginin artmasıyla paralel olarak araçlardan beklenen sürüş mesafesi, şarj süreleri, sürüş konforu gibi performans etkenleri de önemli bir konu olarak gündeme gelmiştir.

Bu sebeple batarya performansın en önemli kriteri olan termal yönetim sistemlerinde büyük teknolojik gelişmeler yaşanmıştır. Bu alana yapılan yatırımlar ilgili pazarların büyüme oranlarıyla açık bir şekilde anlaşılmaktadır. Grand View Research şirketinin paylaştığı geçmiş ve gelecek yıllara ait tahmini pazar payı oranlarını aşağıdaki grafikte görebiliriz.

Metin Kutusu: Şekil 1: Elektrikli Araçların Batarya Termal Yönetim Sistemi Pazar Payı (Milyon Amerikan Doları) [1]
Şekil 1: Elektrikli Araçların Batarya Termal Yönetim Sistemi Pazar Payı (Milyon Amerikan Doları) [1]

Grafikte görüldüğü üzere pazar payları 2016 yılından itibaren küçük dilimler halinde bugüne kadar büyümüş, önümüzdeki 5 sene için beklenen artış üstel evre olarak ifade edilmiştir. Bunun nedeni elektrikli araçların hayatımızda henüz yeni entegre olmasıyla açıklanabilir. Bu teknolojiye yakından bakacak olursak öncelikle amacını ve çeşitlerini daha sonra farklı sistemin artılarını ve eksilerini inceleyebiliriz.

Batarya yönetim sisteminin temel amacı batarya paketlerinin sıcaklığını optimum çalışma aralığında tutmak ve batarya hücreleri arasında homojen sıcaklık dağılımını sağlamaktır. Yapılan araştırmalar neticesinde bu değer ortam için 15 ila 40 derece arasında, her bir hücreye ait maksimum sıcaklık farkı ise 2-3 derece olarak belirtilmiştir. Bu sıcaklık değerini saptamak için yalnızca soğutma değil dönemsel olarak bataryanın ısıtılması da gerekebilir. Bu ihtiyaçları karşılamak için çeşitli sistemler ortaya çıkmıştır. Bunlar:

1- Aktif Yönetim Sistemleri (Ekstra güç tüketimi gerektiren basınçlı taşınım sistemi)

2- Pasif Yönetim Sistemleri (Doğal taşınım sistemleri veya faz değişim malzemeleri)

Aktif Termal Yönetim Sistemleri

Aktif soğutma sistemleri klimaların çalışma prensibine benzer şekilde kullandığı soğutucu çeşidine göre kompresörler, kondansatörler, pompalar veya üfleyiciler gibi güç harcayan bileşenler içerebilir. Bu yüzden barındırdığı komplekste ve güç tüketim ihtiyacı sebebiyle çok fazla ısı yükü oluşan durumlar dışında tercih edilmemektedir.

Aktif soğutma sistemlerinde kullanılan akışkanlara bakacak olursak sıvı ve gaz olarak iki başlık altında toplayabiliriz. Kullanılacak soğutucunun olası senaryolarda atmosfere yayılmasının çevreye zararı ve tutuşabilirlik özelliğinin araç güvenliğini tehlikeye atabilmesi sebebiyle akışkan seçimi önem kazanmaktadır.

Sıvı soğutucular kullanılırken özgül ısı katsayısı, verimliliği ve tutuşabilirlik özellikleri göz önünde tutulmalıdır. Akışkanının hücrelere direkt temas ettiği sistemlerde elektrik yalıtkanlık özelliği belirleyici bir unsurdur. Akışkanın hücrelere dolaylı temasında (hücrelere temas eden yalıtkan kanallarda akması) yalıtkanlık geri plana atılıp maliyet ve özgül ısı kriterlerine öncelik verilebilir. Sıvı akışkan kullanılmasının diğer tercihler üzerindeki avantajlarını sıralayacak olursak:

Tablo 1: Sıvı Soğutucu Kullanılan Sistemlerin Özellikleri

 

AVANTAJLARI

DEZAVANTAJLARI

1

Yüksek özgül ısı kapasitesine sahip olmaları

Sızdırmazlık problemleri

2

Yüksek verimlilik sağlamaları

Ekstra güç gereksinimleri

3

Bakımın kolay ve maliyetinin az olması

Kompleks akış kanallarının üretim zorluğu

Bir diğer tercih olan gaz akışkanlar ısıl yükün düşük olduğu küçük batarya paketlerinde tercih edilmelidir. Hücreler ile direkt temas edilen modellerde sızdırma problemleri ve yüksek maliyetleri sebebiyle hava kullanılmaktadır. Alışkanın oluşturulan kanal profillerde aktığı durumlarda endüstriyel soğutucu gazlar kullanılarak sistemin kapasitesi arttırabilir ancak profil malzemesinin oluşturduğu termal dirençten kaynaklanan kayıplar gazın özgül ısısına göre ihmal edilemez olması bu sistemlerin verimini düşürmekte ve uygulamadan kaçınılmaktadır.

Tablo 2: Gaz Soğutucu Kullanılan Sistemlerin Özellikleri

 

AVANTAJLARI

DEZAVANTAJLARI

1

Batarya hücrelerine direkt temas etmesi 

Özgül ısı değerlerinin düşük olması

2

Kurulum ve bakımının kolay, maliyetinin az olması

Homojen akış profilleri oluşturulamaması

3

Araç kütlesine göre ihmal edilebilir ağırlığa sahip olması

Fan ve kanal profillerinin maliyeti

Pasif Termal Yönetim Sistemleri

Pasif soğutma sistemleri termal yönetim için hiçbir ilave mekanizma veya ısı değiştirici sisteme ihtiyaç duymazlar. Batarya kabında yapılabilecek tasarım çalışmalarıyla veya kanatçıklar eklenmesiyle hücrelerdeki ısıyı daha büyük alanlara yayarak transferi kolaylaştırabilir. Bu çözümlerin yetersiz olduğu durumlarda aracın hareketinden dolayı oluşan hava akımının yönlendiriciler ve kapaklar kullanılarak batarya içine homojen şekilde dağıtılmasıyla termal denge sağlanmaya çalışılır. Düşük ısıl yük durumlarında, basit ve sade tasarımı nedeniyle sıklıkla tercih edilmektedir.

Pasif sistemlerde kullanılan soğutucu sıvılar farklılık göstermekle birlikte genelde faz değişim malzemeleriyle kullanılırlar. Faz değişim malzemeleri kullanılarak batarya optimum aralıkta tutulabilir. Gizil ısı olarak adlandırılan, maddenin hal değişimi sırasında gereken enerjinin bataryada oluşan ısıdan karşılanması ile termal dengeyi sağlamak üzerine tasarlanmış sistemlerdir. Isıl yükün fazla olduğu durumlarda diğer sistemler ile entegre olarak kullanımı yaygındır.

Hava soğutucu kullanılan pasif ve sıvı soğutucu kullanan aktif bir sistemin basit şemasını aşağıda görebiliriz.

Metin Kutusu: Şekil 2: A) Pasif Soğutma Sistemi [2]
Bazı Termal Yönetim Sistemlerinin Şemaları [2]

Şekil 2-A’da görüldüğü üzere batarya kabının giriş profilleri aracın hareketinden kaynaklanan hava akımını y-ekseninde batarya hücrelerine girişini, basit bir şekilde hücrelere yayılmasını ve aynı eksende daha yüksek konumdan atmosfere çıkışını sağlamaktadır. Hava akımının giriş ve çıkış konumları, ölçüleri, hücrelerin paketlenmesi ve tasarım kriterlerine bağlı olarak batarya kabının optimizasyonu sonlu elemanlar metodu veya buna dayanan bilgisayar destekli analiz ve simülasyon programları ile yapılabilir.

Şekil 2-B’de ise aktif soğutma sisteminin bir şeması verilmiştir. Benzer donanımlar ve sistem örnekleri günlük hayatta kullandığımız çoğu ısı değiştirgecinin temelini oluşturmaktadır. Sistem en basitinde soğutucu akışkanın bir pompa yardımıyla hücrelerin bulunduğu ortamda dolaştırılarak ısıyı kazanması ve radyatör kısmında geldiğinde fazla ısının atılmasına dayanır.

Global ölçekte elektrikli araç üretimi yapan şirketlerin kullandığı batarya tipleri ve termal yönetim sistemleri aşağıda görülmektedir.

Metin Kutusu: Şekil 3: Bazı Şirketlerin Araçlarında Kullandığı Batarya Tipleri ve Soğutma Sistemleri [3]
Şekil 3: Bazı Şirketlerin Araçlarında Kullandığı Batarya Tipleri ve Soğutma Sistemleri [3]

Araçların kullanmış olduğu sistemlerin hepsi aktif sistemlerdir. Firmalar kullanılan soğutucuların fazını belirtilmiş olsa da özelliklerini ticari sır olarak saklayabilmektedirler. Batarya hücrelerinin geometrisi silindirik ve prizmatik olarak kullanılmaktadır. Bu geometriler Hacim-Yüzey alanı oranının küçük olmasının ısıl yükün aktarılmasında kilit bir rol oynaması ve hücrelerin paketleme sürecinde sağladığı esneklik için tercih edilmektedir. Batarya hücrelerinin tipleri ve özelliklerini bir sonraki yazımızda inceleyeceğiz.

Referanslar

1-) https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/electric-vehicle-battery-thermal-management-systems-market

2)  https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/912/4/042005/pdf#:~:text=There%20are%20two%20main%20types,such%20as%20water%20or%20air

3- ) https://energyskeptic.com/2015/electric-vehicle-overview/