Elektrikli Araç Bataryalarının Termal Yönetim Sistemleri

Elektrikli araçlar denilince aklımıza ilk gelen konulardan birisi batarya sistemleridir. Batarya sistemlerinin dengeli bir şekilde performans göstermesi için gerekli ısı aralığında tutulması gerekmektedir. Tüm bunların yapılabilmesi için de termal yönetim sistemlerinin iyi bilinmesi gerekir. Bu yazımızda elektrikli araç bataryalarının termal yönetim sistemlerini inceleyeceğiz.

A- A+

25.02.2021 tarihli yazı 8721 kez okunmuştur.

Çevreci, ekonomik ve yüksek oranda enerji verimi elektrikli araçları içten yanmalı motorlu araçlara göre daha tercih edilebilir kılıyor. Gelişen batarya sistemleri teknolojileri ile araç menzilleri oldukça arttı. Buna rağmen birçok firma henüz menzil konusunda istenilen seviyelere ulaşamadı.

Diğer taraftan bakıldığında ise elektrikli araçların yaygınlaşmasında bazı dezavantajlar da mevcut. Bunlara; kısıtlı batarya kapasitesi, düşük batarya ömürleri ve uzun şarj süreleri örnek verilebilir. Ayrıca elektrikli araçlarda şarj esnasında ısınmaların artması sonucu şarj sürelerinin daha fazla uzaması da dezavantajları arasında sayılır.

Farklı hava koşullarında araç bataryasını ortalama normal sıcaklıkta tutmak için termal yönetim sistemleri kullanılır. Tüm bu sebeplerden dolayı bataryaların termal yönetimleri oldukça önem kazanmaktadır.

Başlıca termal yönetim sistemleri:

► Hava soğutmalı ve ısıtmalı sistem
► Akışkan soğutmalı ve ısıtmalı sistem
► Isı pompalı soğutmalı sistemi
► Evaporatif soğutma sistemi

Şekil 1: Araç ve batarya cinslerinin kullandıkları termal yöntemler

► İlginizi çekebilir: Batarya Yönetim Sistemi (BMS) Nedir?

Hava Soğutmalı Sistem

Bu tip termal yönetiminin sağlanabilmesi için giriş havası doğrudan atmosferden veya kabinden alınacağı gibi klima sistemlerinden de alınabilir. Doğrudan atmosferden hava girişi sağlanması için araç tasarımcıları önlerden hava kanalları ile tasarım yapmaktadır. Aktif ve pasif olarak iki farklı hava soğutma sistemi olan bu termal yönetim tipi, sisteme soğutma ve ısıtma olanağı sağlamaktadır. Zorlamalı hava sistemleri olarak adlandırılan bu sistemlerde aktif hava soğutmalı sisteminde güç 1KW ile sınırlı iken pasifte ise bu değer 100 W ile sınırlı kalmaktadır.

Şekil 2: Pasif sistem

Şekil 3: Aktif sistem

Şekil 4: Isı geri kazanımlı termal sistem

► İlginizi çekebilir: Elektrikli Araçlar İçin Kablosuz Şarj ve Deşarj

Akışkan (Sıvı) Soğutmalı Soğutma ve Isıtma Sistemleri

İçten yanmalı motorlardan esinlenecek olursak radyatör kanalları içinde belli aşamalardan geçen sıvı soğutma görevini yerine getirir. Elektrikli araçların bataryalarını soğutmak farklı olsa da aynı temele dayanır. Sıvı soğutma sistemleri elektrikli araçlar için hızlı şarj-deşarj, yüksek ivmelenme ve yüksek fren enerjisi geri kazanımı oranlarında en iyi performansı gösterebilen soğutma sistemleridir. Hava soğutma sistemlerine göre daha yüksek soğutma kapasitelerine sahiptir. Ancak hava soğutma sistemlerine göre pompa, soğutma sıvısı deposu, eşanjör gibi elemanlar sebebiyle daha ağır ve masraflıdır. Bakım ve tamir gereksinimleri de diğer sistemlere göre daha zor ve masraflıdır.

Pasif sıvı soğutma sistemi olarak ısı boruları sayılabilir. Isı borularının yüksel ısıl iletim, evaporator yüzeyinde neredeyse sabit sıcaklık, esnek geometriye sahip olabileceği için değişik boyutlardaki boşluklara uygulanabilmesi ve diğer soğutma sistemleriyle birlikte kullanılabilmesi gibi avantajları vardır. Ancak yüksek maliyet ve zor üretilebilirlik gibi dezavantajları vardır.
Akışkan (sıvı) soğutmalı sistem kabaca şekildeki gibidir.

Şekil 5: Akışkan soğutmalı sistem

► İlginizi çekebilir: Elektrik Araç Şarj Standartları ve Altyapısı

Isı Pompalı Soğutma Sistemi

Isı pompalı soğutma sisteminde evaporatör ve kondenser havalandırma kanalına yerleştirilir. Soğutma sıvısı üç farklı ısı eşanjörüne 4 yollu selenoid valf ile taşınır ve kontrol edilir.

Aşağıdaki şekilde ısı pompası sistemi ile birleşik batarya soğutma sistemi görülmektedir. Isı pompası sistemi kapalı olduğunda; batarya ısısı araç önünde bulunan ısı eşanjörü yoluyla, doğal soğutma kaynağından faydalanılarak soğutulur. Isı pompası ısıtma modunda olduğunda; karışım havasını ön ısıtma ve ısı pompası enerji tüketimini düşürmek için batarya ısısı hava kanalı içindeki ısı eşanjörü tarafından soğutulur.

Şekil 6: Klima ile birleşik ısı pompası sistemi

► İlginizi çekebilir: Isı Borusu Nedir?

Evaporatif Soğutma Sistemi

Evaporatif kanalı her modül için üstte giriş menfezi ve altta çıkış menfezi ile donatılmıştır. Giriş menfezi, evaporatif kanalının içine düşük basınçlı sıvı soğutucuyu iletmek, çıkış menfezi ise evaporatif kanalından ısıtılmış soğutucuyu emmek için kullanılır. Bu direkt soğutucu tabanlı evaporatif soğutma sistemi batarya paketini soğutur. Bataryada üretilen ısı soğutma kanalı içindeki soğutucu gazın buharlaşmasıyla absorbe edilir ve daha sonra kondenser ısıyı çevredeki havaya dağıtır. Bu süreç düşük basınçlı sıvıdan düşük basınçlı buhara soğutucu üzerinden döner. Evaporatör veya soğutma kanalı, ana soğutma sistemine paralel bağlanır.

Şekil 7: Evoporatif soğutma sistemi

Sonuç olarak dört soğutma yöntemi özelinde; son yıllarda aktif ve pasif sıvı soğutma sistemlerinde batarya ömrü, batarya performansı, sistemden çekilen güç ve maliyet konularında iyileştirmeler yapmak üzerine nümerik ve deneysel çok sayıda çalışmalar yapıldığı görülmüştür. Bu konu bazında daha fazla ve etkili soğutma yöntemleri geliştirilerek daha ergonomik bir yapı oluşturulması hedeflenmektedir.

Kaynak:

► Energyskpetic.com
► Iopscience.org