Uçaklarda kullanıma yönelik batarya ısıl yönetim sistemlerinin araştırılması

Abstract

Sürdürülebilir havacılık yenilenebilir enerji kullanımını gerektirmektedir. Havacılıktaelektrik ve dolayısı ile batarya kullanımı, çevresel hassasiyetleri de dikkate alan bir çözümolarak öne çıkmaktadır. Bataryaların ısıl yönetimlerinin önemini ve gerekliliği yaşananpratiklerle ortaya konulmuştur. Bataryalarda hücreler arası dengenin sağlanması, ısıl kaçışınengellenmesi ve ekonomik ömrün geliştirilmesi amacı ile ısıl yönetim gereklidir. Ancak bataryaısıl yönetiminin getirdiği ek ağırlık ve enerji tüketimi, zaten özgül enerji seviyeleri isteneninaltında olan bataryaların etkinliğini daha da azaltmaktadır.Elektrikli uçak kavramı ve uçaklarda elektrik kullanımının gelişimi incelenmiştir.Ardından batarya yönetimine yönelik gereksinimler doğrultusunda batarya yönetim sistemininve ısıl yönetim sisteminin temel işlevleri ve özellikleri açıklanmıştır. Batarya türleri veparametreleri incelenerek, bataryaların termodinamik, ısı transferi ve elektrokimyasal açıdananalizleri yapılmıştır. Batarya sıcaklığının belirlenmesine yönelik analiz sonuçları ortayakonmuştur.Deney düzenekleri geliştirilmiş ve yapılan deneylerde farklı bataryakonfigürasyonlarının, ısıl davranışı, ısıl kaçış, verim ifadeleri, sıcaklık değişimleri ve değişimhızları ölçülmüştür. Bataryaların endotermik ve ekzotermik davranışları incelenmiş, analizsonuçları ile deney ölçümlerinin uyuştuğu tespit edilmiştir. Batarya boyutlandırılma ve hücreseçimine yönelik analizler sunulmuştur. Bir genel havacılık uçağında kullanılan kurşun asitbatarya yerine lityum alternatifleri geliştirilmiştir.Isı üretiminin akım değeri ile anlık batarya kapasitesine bağlı olduğu görülmüştür.Üretilen ısının büyük kısmının kayıp enerji olarak atıldığı değerlendirilmiştir. Batarya yönetimsistemleri ve bağlantı elemanlarının ısı üretimine katkılarının ısıl yönetim açısından önemliolduğu görülmüştür. Isıl kaçış deneysel olarak gözlenmiş, batarya hücrelerinin etkileşimleriincelenmiştir. Yüksek batarya kapasitesi kullanımının, ısıl yönetime duyulan ihtiyacı azalttığıgörülmüştür. Enerji verimi %90 üzerinde olan bataryalarda ekserji veriminin %54 olduğuhesaplanmıştır.

Sustainable aviation requires the use of renewable energy. The use of electricity andtherefore batteries in aviation is a solution that takes environmental considerations into account.The importance and necessity of the thermal management of the batteries have seen throughpractices. Thermal management is necessary for balancing the cells, preventing thermalrunaway and improving economic life. However, the additional weight and energy consumptionof the thermal management, further reduces the effectiveness of the batteries, which are alreadybelow the desired levels.The concept of electric aircraft and electricity use in airplanes have been examined.Then the basic functions and features of the battery management system and the thermalmanagement system are explained in accordance with the requirements. The battery types andparameters were examined, thermodynamic, heat transfer and electrochemical analyses werepresented. Battery temperature determination was analyzed.Experimental setups have been developed and different battery configurations, thermalbehavior, thermal escape, efficiency, temperature changes and rate of change have beenmeasured. The endothermic and exothermic behaviors of the batteries were investigated, andthe results of the analyses were found to agree with the experimental measurements. Analyzesfor battery sizing and cell selection are presented. Lithium alternatives have been developed inlieu of a lead acid battery used in a general aviation aircraft.It is seen that the heat production depends on the current value and the instantaneousbattery capacity. It is estimated that most of the heat generated is lost energy. Batterymanagement systems and fittings contribution to heat generation have been found to beimportant for thermal management. Thermal runaway was observed experimentally and theinteractions of the battery cells were investigated. The use of high battery capacity has beenshown to reduce the need for thermal management. Exergy efficiency of battery is calculatedto be 54% whose energy efficiency is over 90%.