Termal Yönetim Sistemi:
Batarya Isınma Sorunlarına Çözüm

Elektrikli araçlar çevre dostu ve yüksek verimlilik gibi özelliklere sahip olsa da batarya sorunları nedeniyle problemler yaşıyor. Bataryaların ısınma sorunu, batarya ömrünü etkiliyor. Termal yönetim sistemi bu soruna bir çözüm olabilir. Detaylar yazımızın devamında.

A- A+

05.04.2021 tarihli yazı 7155 kez okunmuştur.

Çevre dostu ve yüksek enerji verimliliğine sahip olan elektrikli araçlar gün geçtikçe yaygınlaşıyor. Fakat elektrikli araçların batarya kapasitelerinin sınırlı olması ve batarya ömürlerinin kısalığı halen aşılmaya çalışılan sorunlar arasında yer alıyor. Bu konuda çalışmalar yapan uzmanlar sıcaklığın batarya ömrü üzerindeki olumsuz etkisini gözler önüne serdi. Bununla başa çıkabilmek için elektrikli araçlarda, termal yönetim sistemi (TMS) kullanılması gerektiği düşünüldü. Fakat modern içten yanmalı motorlu araçlara nazaran elektrikli araçlardaki TMS kullanımı daha kompleks ve zorlu bir süreç.

Bir aracın ısısını yönetmek, performansını üst düzeye çıkarmak manasına gelmektedir. Çünkü bu sayede aracın genel güvenliği artırılabilmektedir. Ek olarak batarya sağlığına da olumlu etkileri mevcuttur. Bu etkiler, bataryanın şarj hızını, kullanım süresini ve ömrünü artıran yöndedir. Doğru bilinenin aksine batarya ömrünü ve performansını sadece aşırı sıcaklık etkilememektedir. Yapılan araştırmalar, soğuk koşullarda çalışan bir bataryanın da deforme olduğunu göstermektedir. Kısa zaman etkileri arasında kapasite düşmesi ve hücre bozulmasının hızlanması mevcutken uzun vadede hücre verimliliği azalması bulunmaktadır.

Lityum İyon Bataryalarda Termal Kaçak

Termal kaçak, batarya paketindeki tek bir hücrenin çok ısınması halinde komşu hücrelerin tutuşmasına ve hatta patlamaya sebebiyet verebilen oldukça ciddi bir sorundur. Elektrikli araçlarda en çok tercih edilen batarya türü olan lityum iyon bataryaların termal kaçak sorunu yaşaması halinde takip ettiği bazı aşamalar vardır. Bunlardan ilki ısınmaya başlayan hücrenin koruma bariyerini kırarak alta inmesidir. Ardından elektrolit yanıcı gaza dönüşünce ayırıcı eriyip kısa devre hatası vermektedir. Son olarak katotun parçalanması ile oksijen üretilir. Böylece termal kaçak gerçekleşmiş olur.

Şekil 1: Li-Ion Bataryalarda Termal Kaçak

► İlginizi çekebilir: Elektrikli Araç Bataryalarının Termal Yönetim Sistemleri

Termal Yönetim Sistemi İçin Malzeme Seçimi

Çoğu araç firmasının hali hazırda TMS konusunda çözümleri mevcut. Sıcaklığının uygun seviyede tutulması için birçok metod geliştirilmektedir. Hava soğutmalı, ısı soğutmalı, ısı boruları ve faz değişim malzemeleri kullanımı gibi yöntemlerden hava soğutmalı sistem en çok revaçta olan termal yönetim yoludur. Tesla bu sorunla, batarya paketlerindeki su-glikol soğutma devrelerine sahip silindirik hücreler kullanımıyla başa çıkmaktadır. BMW ise soğutucu akışkanlar yardımıyla sıcaklığı optimum seviyede tutulan prizmatik hücreleri tercih etmektedir. Nissan ve Toyota eski hava soğutma teknolojisinden faydalanmaktadır. Görüldüğü üzere bu sistemlerde daha çok su-glikol, hava ve yağ kullanılmaktadır. Hala yeni teknolojiler ve soğutucu akışkanlar konusunda araştırmalar devam etmektedir.

Şekil 2: Termal Yönetim Sistemi

► İlginizi çekebilir: Batarya Yönetim Sistemi (BMS) Nedir? | 2. Bölüm

Sıvılar yoluyla yapılacak bir soğutma işleminin motor boyunca ve motordan uzağa pratik ve eşit ısı akışını gerçekleştirmesi için oldukça karmaşık bir tasarım gerekmektedir. Doğru tasarıma sahip olmayan bir TMS, çözümden öte daha çok soruna neden olabilir. İşte tam da bu noktada konuda uzman mühendisler TMS için bileşen malzemelerine odaklanmaya başladılar. Elektrikli araçlar, içten yanmalı motorlu araçlara göre daha fazla soğutucuya gereksinim duymaktadır. Bunun sebebi daha yüksek sıcaklıklarla başa çıkmak zorunda olmalarıdır. Üreticiler de TMS için bu yüksek sıcaklıklara dayanabilecek malzeme arayışına girer. Bu konuda çalışan şirketlerden biri, polifenilen sülfür reçinesini (PPS), TMS malzemesi olarak geliştirmektedir. Her bir malzemenin maruz kaldığı sıcaklıkla maruz kaldığı süre arasında özel bir ilişki vardır. Aşağıdaki grafikte bazı malzemelerin sıcaklık ve zamana göre toleransı gösterilmiştir. Grafikten de anlaşılacağı üzere bu malzemeler arasında termal verimliliği en üst düzeye çıkaran kimyasal, PPS`dir.

Şekil 3: TMS'lerde Kullanılan Malzemelerin Sıcaklıkla İlişkileri

Başka bir firma ise termal yönetim sorunu özel malzemelerle çözüme ulaştırmaya çalışmakta. Bu malzemelerin içerdiği bazı özellikleri inceleyecek olursak; 150 derecelik sıcaklıklarla başa çıkabilme, 500 mA akım pompalayabilen altı yarım köprü sürücüsü ve sayısız sensörle eşleşme sağlayan GPIO yardımıyla dahili harici ölçümlerin yapılabilmesine imkan sağlama bu özellikler arasındadır. Ek olarak bu sistem, 2mA ve 500 mA değerleri arasındaki programlanabilir akım limitini de ayarlayabilmektedir.

► İlginizi çekebilir: Elektrikli Araç Şarj Altyapısı | Sıkça Sorulan Sorular

Bir sıvının soğutma performansı çeşitli parametlere bağlıdır. Bunlar; sıvının termal iletkenliği, ısıyı depolama kapasitesi yani birim kütle başına bir maddenin sıcaklığının arttırılması için gereken ısı miktarı gibi faktörlerdir. Ayrıca viskozite de önemli rol oynamaktadır. Aşağıdaki grafikte de çeşitli baz yağlarının iletkenlik ve ısınma kapasitesi yani özgül ısı gibi özelikleri gösterilmektedir. Bunlardan özgül ısı soğutma sıvısı seçiminde oldukça önem taşımaktadır. Suyun donması ve kaynaması engellenmek için alkol ailesinden glikol ile karıştırılıp ısıyı tutma konusunda petrol yağından daha iyi bir karışım elde edilir. Viskozite ise bir sıvının akmaya karşı direnci ile ilişkilidir. Uçuculuk ve olası bir yangına karşı yüksek ısıda buharlaşma eğilimi dengelenmiş düşük viskoziteli sıvılar tercih edilebilmektedir.

Şekil 4: Çeşitli Baz Yağlarının Isıl Özellikleri

Daha yüksek performanslı ve verimli elektrikli araçlar için, yeni sistemler ve soğutma sistemleri araştırmaları devam etmelidir. Ayrıca güç elektroniği için malzeme bilimi araştırmalarına da yatırım yapılmaktadır. Bütün bu inovasyon çalışmaları ile beraber elektrikli araçların kullanımının artması kaçınılmaz görünüyor.

Kaynak:

► allaboutcircuits.com
► lubesngreases.com