TARIFNAME sivi SOGUTMA VE SOGUTUCU PLAKAYA SAHIP BATARYA ISIL YÖNETIM Bulusun ilgili oldugu teknik alan: Bulus, elektrikli araçlarda kullanilan batarya sistemlerinin termal yönetimi için tasarlanan aktif sivi sogutmali bir termal kontrol sistemi ile ilgilidir. Bulus özellikle, sogutucu plakalar yardimiyla bataryalardan açiga çikan isinin sistemden uzaklastirilmasi ve Ii-iyon bataryalarin sogutulmasini saglayan sogutucu plaka yüksek isil iletkenlige sahip alüminyumdan üretilip batarya paketine entegre edilen sivi sogutmali batarya isil yönetim sistemi ile ilgilidir. Teknigin bilinen durumu: Günümüzde fosil kaynakli yakitlarla çalisan arabalar gerek çevre kirliligi gerekse de fosil kaynakli yakitlarin temininde yasanan sorunlar sebebiyle yerlerini elektrikli araçlara birakmaktadir. Elektrikli araçlarda en önemli komponent hiç süphesiz ki araç bataryalaridir. Bu bataryalar hem aracin menzilini hem de gücünü belirleyen en önemli faktördür. Hem sarj süreleri hem de verimleri sebebiyle bu alanda en çok kullanilan pil tipi Ii-iyon veya diger bir ismiyle Iityum iyon pillerdir. Li-iyon piller, yüksek enerji yogunluklari, hizli sarj, hafiflik, düsük kendiliginden desarj oranlari, daha yüksek geri dönüstürülebilirlikleri, uzun çevrim ömürleri ve çok düsük hafiza etkisine sahip olmalari gibi özellikleri ile elektrikli araçlar için önemli bir potansiyel olarak görülmektedir. Li-iyon pillerin çalisma sicakliklari, sarj/desarj sürecine bagli isi üretimi ve çevresel kosullar sebebiyle artmaktadir. Sicaklik, Ii-iyon hücre (pil) performansini, ömrünü ve güvenligini etkileyen en önemli parametrelerden biridir. Li-iyon pil hücresi içerisindeki sicakliklarin ve hücreler arasindaki sicaklikfarklarinin limit degerler arasinda tutulmasi ve hücreler arasindaki gerilim farklarinin minimize edilmesi istenmektedir. Bu durum, sistemini gerekli kilmaktadir. Bu isil yönetim sistemlerinden biri olan sivi sogutmali batarya yönetim sisteminde, sogutucu plaka yardimiyla bataryalardan açiga çikan isinin sistemden uzaklastirilmasi Li-iyon bataryalarin sogutulmasinda önemli bir yere sahiptir. Li-iyon pillerin sogutulmasi veya sistemden isinin uzaklastirilmasi için birtakim gelistirmeler yapilmaktadir. Ancak bu gelistirmeler de beraberinde bazi problemleri getirmektedir. Teknigin bilinen durumunda bulunan "TR2018/01162" numarali basvuruya konu edilen bulusun özet kisminda "Bulus elektrikli araçlarda kullanilan batarya paketleri içerisinde bulunan pil hücreleri arasindaki termal farkliliklari düzenleyecek, termal farkliliklar neticesinde pil hücreleri arasinda olusan kapasite farkliliklarini önleyebilecek optimum termal performansa sahip bir batarya sogutma sistemi ile ilgilidir" bilgileri yer almaktadir. Bu bulusun ana amaci, elektrikli araçlarda kullanilan pil hücreleri arasinda olusan termal farkliliklari engelleyerek pil hücreleri arasinda kapasite farki olusmasini engelleyen ve bu sayede optimum temel performans saglayan bir batarya sogutma sistemi olusturmaktir. Burada pil hücreleri birbirlerine seri ve/veya paralel baglanarak puntolama birimleri vasitasiyla birlesik bir batarya paketi olusturmaktadir. Pil hücrelerinin her birini sararak, pil hücrelerinin her birine temas eden sogutma sivisi kanalinin içerisinde dolasim yapan sogutma sivisi ise bir sogutma sivisi haznesi içinde bulunmaktadir. Bu bulusta li-iyon pillerin çevresi sogutucu plaka ile çevrelenerek piller ile sogutucu plaka arasinda isi transfer yüzey alani olusturulmus olup, açiga çikan isi sogutucu plaka içinden akan akiskan ile sistemden uzaklastirilmaktadir. Sogutucu plaka içerisinde dolasan sogutma sivisi ise bir sogutma sivisi haznesi içinde bulunmaktadir. edilen bulusta, elektrikli bir araçta kullanim için bir pil takimi termal yönetim sisteminden bahsedilmektedir. Bulus konusu sistem elektrikli araçlarda kullanilan batarya paketindeki sicakliklarin kontrol edilmesi ve batarya paketinde meydana gelebilecek isi kaynakli problemlerin giderilmesine yönelik bir çözümü kapsamaktadir. Bu bulusta bulunan batarya paketi termal yönetim sistemi, batarya paketi içinde önceden belirlenen bir modelde düzenlenen bir manifold ve çok sayida hücre içermektedir. Sistem ayrica, hücrelerle termal temas halinde ve manifold ile sivi iletisiminde olan, deniz kabugu benzeri bir dis yüzeye sahip bir sogutma da içermektedir. Termal yönetim sistemi, elektrikli araç içindeki pil takiminin ömrünü artirmak için pil takimini önceden belirlenmis bir sicakliga kadar sogutmaktadir. Sogutmalarin uzunlugu ve yüksekliginin bilinen herhangi bir boyutta olabilmektedir. edilen bulusta, pil hücreleri arasina yerlestirilmis oluklu bir isi iletken plakaya sahip sogutucu cihazdan bahsedilmektedir. lsi ileten plaka, pil hücrelerinden elektriksel olarak izole edilmistir. lsil ileten plaka, içinden sogutma ortaminin aktigi boru elemani ile termal olarak baglanmistir. Plakalar, alüminyumdan veya bir alüminyum alasimindan yapilmistir ve anotlama ve/veya boyama veya örnegin polimer malzemeden yapilmis bir film gibi uygun kaplama yapilarak elektriksel olarak yalitilmistir. Kivrimli isi ileten levhaya sahip bu yapi, isi ileten levhanin ayri pil hücreleri ile ideal temasini saglamaktadir çünkü isi ileten levhanin belirli bir esnekligi yapi için bir ön kosuldur olarak belirtilmektedir. Batarya paketindeki sicakliklarin kontrol edilmesi ve isi kaynakli problemlerin giderilmesine yönelik bir çözümü kapsamaktadir. Li-iyon pillerin çevresi iletken bir plaka ile çevrelenerek piller ile sogutucu plaka arasinda isi transfer yüzey alani olusturulmus olup, sogutma islemi plakalarla temas halinde olan isi borulari vasitasiyla saglanmaktadir. Bulusta bahsedilen plakalar, li-iyon bataryalarin çevresinde olup yilan seklinde (oluklu) yapiya sahiptirler. Bu bulusta bahsedilen sogutma islemi isi borulari vasitasiyla gerçeklestirilmektedir. Teknigin bilinen durumunda Li-iyon pillerin çevresi sogutucu plaka ile çevrelenerek piller ile sogutucu plaka arasinda isi transfer yüzey alani olusturulmus olup, açiga çikan isi sogutucu plaka içinden akan akiskan ile sistemden uzaklastirilmaktadir. Teknigin bilinen durumunda li-iyon bataryalarin sogutulmasina yönelik gelistirilen bir ürünler bulunmaktadir. Bu ürünlerde bulunan plakalar, li-iyon bataryalarin çevresindedir. Teknigin bilinen durumunda kullanilan akiskanli sogutma sistemlerinde sogutma kanalina giren akiskan, pillerden yayilan isiyi süpürdügünden giderek isinmakta ve bu nedenle akis dogrultusunda sogutma etkinligi de giderek azalmaktadir. Bu durum, bir yandan batarya paketi içerisinde sicaklik artislarina diger yandan da piller arasinda homojen olmayan bir sicaklik dagilimina neden olmaktadir. Sonuç olarak yukarida anlatilan olumsuzluklardan dolayi ve mevcut çözümlerin konu hakkindaki yetersizligi nedeniyle ilgili teknik alanda bir gelistirme yapilmasi gerekli kilinmistir. Bulusun amaci: Bulusun ile yenilikçi bir sogutucu plaka tasarimi gelistirilerek Li-iyon bataryalarin sogutma performansinin iyilestirilmesi, piller-modüller arasinda üniform sicaklik dagiliminin saglanmasi ve batarya paketi içerisinde meydana gelecek ani sicaklik artislarinin karsilanmasi amaçlanmaktadir. Bu amaçlar dogrultusunda Li-iyon batarya paketi içerisinde ortaya çikacak en yüksek sicaklik degerinin asagi çekilerek sogutma performansinin iyilestirilmesi, piller arasinda sicaklik homojenliginin ve uniform sicaklik dagiliminin saglanmasi, yüksek desarj oranlari ve ani yük artislarinda batarya paketi içerisinde meydana gelecek ani sicaklik artislarinin karsilanmasi ve optimum çalisma sicakliklarinin saglanmasi için uygun bir sogutma sistemi gelistirilmektedir. Bulusun bir amaci Li-iyon batarya paketi içerisinde ortaya çikabilecek en yüksek sicaklik degerinin asagi çekilerek sogutma performansinin iyilestirilmesi ve piller- modüller arasinda uniform sicaklik dagiliminin saglanmasi ile piller-modüller arasindaki sicaklik farkinin en aza indirilmesidir. Bu sayede yüksek desarj oranlari ve ani yük artislarinda batarya paketi içerisinde meydana gelecek ani sicaklik artislari karsilanacaktir. Bulusun amaçlarindan bir digeri sogutucu plaka içerisinden akan suyun akis dogrultusunda sicakliginin artisina bagli olarak azalan sogutma etkinliginin, piller ile sogutucu plaka arasindaki temas yüzey alani artirilarak iyilestirilmesidir. Bu amaç dogrultusunda kullanilan plakalar, li-iyon bataryalarin çevresinde olup serpantine (yilan seklinde) yapiya sahiptir. Bulusun bir baska amaci sogutucu plakanin Li-iyon piller ile temas yüzey açisi sabit iken batarya paketi boyunca sogutucu plaka yüksekliginin degistirilebilmesidir. Bu sayede batarya paketi boyunca sogutucu plaka yüksekligi degistirilecek ve isi transfer yüzey alani kademeli olarak artirilarak piller arasinda daha uniform (esdagili) bir sicaklik dagilimi elde edilmektedir. Bulusun amaçlarindan bir digeri sogutucu plaka yüksekligi sabit iken Li-iyon piller ile sogutucu plaka arasindaki temas yüzeyi açisi degistirilerek sistemin sogutma performansini artirmasidir. Bu sayede Li-iyon piller ile sogutucu plaka arasindaki temas yüzeyi açisi degistirilecek ve isi transfer yüzey alani kademeli olarak artirilarak piller arasinda daha uniform (esdagili) bir sicaklik dagilimi elde edilmektedir. Sekillerin açiklamasi: SEKIL -1; Bulus konusu sistemin sogutucu plakasinin sematik gösterimini veren çizimdir. SEKIL -2; Bulus konusu sogutucu plakanin sogutucu plaka yüksekligi ve temas açisi sabit durumundaki batarya paketine entegre edilmesinin görüntüsünü veren çizimdir. SEKIL -3; Bulus konusu Sogutucu plakanin Sogutucu plakanin Li-iyon piller ile temas yüzeyi açisi sabit ve yüksekliginin degisken olmasi durumunda batarya paketine entegre edilmesinin görüntüsü veren çizimdir. SEKIL -4; Bulus konusu sogutucu plakanin sogutucu plaka yüksekligi sabit ve bataryalar ile temas açisinin degisken olmasi durumunda batarya paketine entegre edilmesinin görüntüsünü veren çizimdir. SEKIL -5; Bulus konusu sogutucu plakanin sogutucu plaka yüksekligi sabit ve bataryalar ile temas açisinin degisken olmasi durumunda batarya paketine entegre edilmesinin üst görüntüsünü veren çizimdir. Referans numaralari: Birinci sogutucu plaka Ikinci sogutucu plaka . Üçüncü sogutucu plaka . Dördüncü sogutucu plaka . Birinci baglanti elemani . Li-iyon batarya 7. Ikinci Baglanti elemani . Üçüncü Baglanti elemani Bulusun açiklamasi: Bulus, elektrikli araçlarda kullanilan batarya sistemlerinin termal yönetimi için tasarlanan aktif sivi sogutmali bir termal kontrol sistemi ile ilgilidir. Bulus özellikle, sivi sogutmali batarya yönetim sisteminde, sogutucu plakalar yardimiyla bataryalardan açiga çikan isinin sistemden uzaklastirilmasi ve Ii-iyon bataryalarin (5) sogutulmasin saglanmaktadir. Sogutucu plaka (1,2,3,4) yüksekligi 30-60 mm ve sogutucu plaka ile (1,2,3,4) batarya termal kontrol sisteminin ana iskeletini olusturmaktadir. Sogutucu plakalar (1,2,3,4) yüksek isil iletkenlige sahip alüminyumdan (bakir vb. metaller de eklenebilir) üretilip batarya paketine entegre edilmektedir. Bulus konusu sistem için ilk olarak özgün bir tasarim olan geometrik özellikleri (plaka yüksekligi, temas açisi) degismeyen birinci sogutucu plaka (1) ile ikinci sogutucu plaka (2) ve üçüncü sogutucu plaka (3) ile dördüncü sogutucu plaka (4) kullanilmaktadir. Bulusun bir diger yapilanmasinda uniform sicaklik dagiliminin yakalanmasi için birinci sogutucu plaka (1) ile ikinci sogutucu plaka (2) ve üçüncü sogutucu plaka (3) ile dördüncü sogutucu plakanin (4) yüksekliginin akis dogrultusunda kademeli olarak artirilmasi, bir baska yapilanmasinda ise yine akis dogrultusunda birinci sogutucu plaka (1) ile ikinci sogutucu plaka (2) ve üçüncü sogutucu plaka (3) ile dördüncü sogutucu plakalarin (4) Ii-iyon bataryalar (5) ile temas açisinin kademeli olarak artirilmasi önerilmektedir. Böylelikle her yapilanmada da Ii-iyon bataryalar (5) ile birinci sogutucu plaka (1) ile ikinci sogutucu plaka (2) ve üçüncü sogutucu plaka (3) ile dördüncü sogutucu plakalar (4) arasindaki temas yüzey alaninin artirilmasi ve dolayisiyla akis dogrultusunda azalan isi transferinin iyilestirilerek uniform sicaklik dagiliminin saglanmasi hedeflenmektedir. Bulus konusu sogutucu plaka batarya termal kontrol sistemi, Ii-iyon batarya (5) paketinin sogutulmasi için birinci sogutucu plaka (1), ikinci sogutucu plaka (2), üçüncü sogutucu plaka (3), dördüncü sogutucu plakalari (4) ve bu sogutucu plakalarin (1 ,2,3,4) birbirine baglanmasini saglayan baglanti elemanlarini (6,7,8) içermektedir. Piller, çevresel kosullar ve sarj/desarj esnasinda meydana gelen kimyasal reaksiyonlar nedeniyle isi açiga çikarmakta, bu da hücreler arasinda sicaklik artisina sebep olmaktadir. Bir batarya paketinin mutlak sicakliginin yaninda, piller arasindaki uniform olmayan sicaklik dagiliminin da dikkate alinmasi gerekmektedir. Batarya paketi içerisindeki uniform olmayan sicaklik dagilimi, her modül için farkli sarj/desarj davranislarina yol açmakta ve bu da elektriksel olarak dengesiz modüllere/paketlere ve performans kayiplarina sebep olmaktadir. Çalisma esnasinda, pil paketinin sicakligi artmaya devam ettiginde ve isi sistemden uzaklastirilamadiginda, 80°C'yi asan sicaklik isil sürüklenmeye (thermal runaway) sebep olmaktadir. Bunun yaninda pillerin limit çalisma sicakligini asmasi durumunda pillerin yaslanmasi (aging) hizlanacaktir. Li-ion bataryalarin sahip oldugu avantajlardan faydalanilmasi bataryanin termal yönetimini önemli ve gerekli kilmaktadir. Bu durum, Li-ion bataryanin performans, ömür ve güvenlik unsurlari dikkate alindiginda sicakligin oldukça önemli bir parametre olmasi ile iliskilidir. Yüksek sicaklik Li-ion bataryalarda (5) %25-60 arasinda bir kapasite kaybina sebep olmaktadir. Sicakliklarin ani artisi ise isil sürüklenmelere ve pilin patlamasina sebep olmaktadir. Li-ion bataryalarin (5) performansi ve güvenirligi, tavsiye edilen optimum çalisma sicaklik araliginin disina çikildiginda önemli ölçüde azalmaktadir. Bu bulusa konu olan sogutucu plakalar (1,2,3,4), batarya paketinin sogutma performansinin iyilestirilmesi, Li-ion bataryalar (5) ile modüller arasinda üniform sicaklik dagiliminin saglanmasina katki saglamaktadir. Böylece yukarida belirtilen istenmeyen durumlarin önüne geçilmesi ile Li-ion bataryalarda (5) ortaya çikan sicaklik kaynakli problemlerden kaçinmak için çalisma sicakliginin 15°C ile 35°C arasinda tutulmasi ve hücreler arasi maksimum sicaklik farkinin ise (ATmaX) 5°C'yi asmamasi saglanmaktadir. Sogutma için, sogutucu plakalarin (1,2,3,4) içerisinden su ya da farkli sogutma sivilari (glikol veya nano akiskan) geçirilmekte ve böylelikle sogutucu plakanin (1,2,3,4) kendisi ile sogutma saglanmaktadir. Batarya paketi içerisinde üretilen isinin piller ile temas halinde olan yüksek isil iletkenlige sahip sogutucu plaka üzerinden hizlica sistemden uzaklastirilmasi hedeflenmektedir. Sogutma kanalina giren akiskan, li-iyon bataryadan (5) yayilan isiyi süpürdügünden giderek isinmakta ve bu nedenle akis dogrultusunda sogutma etkinligi de giderek azalmaktadir. Bu durum, bir yandan batarya paketi içerisinde sicaklik artislarina diger yandan da li-iyon bataryalar (5) arasinda homojen olmayan bir sicaklik dagilimina neden olmaktadir. Sogutucu plakalar (1 ,2,3,4) içerisinden akan suyun, akis dogrultusunda sicakliginin artisina bagli olarak azalan sogutma etkinliginin, li-iyon bataryalar (5) ile sogutucu plakalar (1,2,3,4) arasindaki temas yüzey alani artirilarak iyilestirilmesi saglanmaktadir. Bunun için bulusa konu olan sistemin sogutucu plakalarin (1,2,3,4) yüksekliginin (h) ve li-iyon bataryalar (5) arasindaki temas yüzey açisinin (G) akis dogrultusunda artirilmaktadir. Baglanti elemanlari (6,7,8) sogutucu plakalari birbirine baglanmasini saglamaktadir. Burada birinci baglanti elemani (6), ikinci sogutucu plaka (2) ile dördüncü sogutucu plakayi (4) birbirine baglamaktadir. Ikinci baglanti elemani (7), birinci sogutucu plaka (1) ile ikinci sogutucu plakayi (2) birbirine baglamaktadir. Üçüncü baglanti elemani (8) ise üçüncü sogutucu plaka (3) ile dördüncü sogutucu plakayi (4) birbirine baglamaktadir. Böylelikle birinci sogutucu plaka (1), ikinci sogutucu plaka (2), üçüncü sogutucu plaka (3) ve dördüncü sogutucu plaka (4), li-iyon bataryalarin (5) çevresinde konumlanip serpantine (yilan seklinde) yapiya sahip olmaktadir. Birinci sogutucu plaka (1), ikinci sogutucu plaka (2), üçüncü sogutucu plaka (3) ve dördüncü sogutucu plakalar (4), birbirinden bagimsiz üretilecek olup ek bir baglanti elemani ile birbirlerine baglanmaktadir. Burada, birinci sogutucu plaka (1), ikinci sogutucu plaka (2), üçüncü sogutucu plaka (3) ve dördüncü sogutucu plakalar (4), üretim asamasinda plaka genisligi ve et kalinligi degiskenlik gösterebilmektedir. Üretim asamasi; o Sogutucu plakalarin farkli yükseklikte üretilmesi o Sogutucu plakalarin farkli temas açisinda üretilmesi o Sogutucu plakalari birbirine baglayacak baglanti elemanlarin üretilmesi o Sogutucu plakanin batarya paketine entegre edilmesi islem adimlarindan olusmaktadir. Li-iyon bataryalarda (5) ortaya çikan sicaklik kaynakli problemlerden kaçinmak için optimum çalisma sicakliginin 15°C ile 35°C arasinda tutulmasi ve hücreler arasi maksimum sicaklik farkinin ise (ATmaX) 5°C'yi asmamasi gerekmektedir. Bu bulus ile, yenilikçi bir sogutucu plaka tasarimi gelistirilerek Li-iyon bataryalarin sogutma performansinin iyilestirilmesi, piller-modüller arasinda üniform sicaklik dagiliminin saglanmasi ve batarya paketi içerisinde meydana gelecek ani sicaklik artislarinin karsilanmasi amaçlanmaktadir. Bunun için batarya paketi boyunca sogutucu plaka ile Li-iyon piller arasinda maksimum temasi alani saglanarak bulus konusu sistemin sogutma performansi artirilacaktir. Bu kapsamda sogutucu plaka yüksekligi 30-60 mm ve sogutucu plaka ile Li-iyon piller arasindaki temas yüzeyi açisi ise 120-150 derece olarak ele alinmistir. Bulus konusu sogutucu plaka batarya termal kontrol sistemi temel olarak; 0 Yeni bir sogutucu plaka tasarimi gerçeklestirilecektir. Önerilen tasarim mevcut yilan sekline sahip (ya da sinüs profile) sogutucu plakalarin aksine, pil yüzeylerini daha iyi çevreleyerek daha genis bir isi transfer yüzey alani saglamaktadir. o Batarya paketi boyunca sogutucu plaka yüksekligi kademeli olarak degistirilmektedir (Sogutucu plaka yüksekliginin (h) ve sogutucu plakanin Li- iyon piller ile temas yüzeyi açisinin (G) sabit olmasi durumu). 0 Li-iyon piller ile sogutucu plaka arasindaki temas yüzeyi açisi kademeli olarak degistirilerek sistemin sogutma performansi artirilmaktadir. (Sogutucu plaka yüksekligi (h) sabit iken). Bulus konusu sogutucu plaka batarya termal kontrol sisteminin yapilanmalari sekil 2 ve sekil 4'te gösterilmektedir. Sekil 2'de Sogutucu plaka yüksekliginin (h) ve sogutucu plakanin Li-iyon piller ile temas yüzeyi açisinin (G) sabit olmasi durumu gösterilmektedir. (91) :(92) :(93) : (94) Sekil 3'te sogutucu plakanin Li-iyon piller ile temas yüzeyi açisi (G) sabit ve sogutucu plakanin yüksekliginin (h) degisken olmasi durumunda batarya paketine entegre edilmesi durumu gösterilmektedir. h1< h2< h3< h4 61: 62 = 63 :64 Sekil 4'te sogutucu plakanin Li-iyon piller ile temas yüzeyi açisi (G) degisken ve sogutucu plakanin yüksekliginin (h) sabit olmasi durumunda batarya paketine entegre edilmesi durumu gösterilmektedir. 61< 62 < 63< 64 h1= hz =h3 =h4 Bu bulus ile bir li-iyon batarya (5) paketi için özgün bir sivi sogutmali aktif sistem elde edilerek batarya paketi içerisinde ortaya çikacak en yüksek sicaklik degerinin asagi çekilerek sogutma performansinin iyilestirilmesi, piller arasinda sicaklik homojenliginin saglanmasi, yüksek desarj oranlari ve ani yük artislarinda batarya paketi içerisinde meydana gelecek ani sicaklik artislarinin karsilanmasi ve pil-sogutucu plakalar (1 ,2,3,4) temas yüzey açisi (G) ve sogutucu plaka yüksekliginin (h) akis dogrultusunda artirilmasi ile batarya paketinin toplam agirliginin minimum düzeyde tutulmasi hedeflenmektedir. TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR