Thermal behavior of lithium-ion batteries under normal and abuse operating conditions
Lityum iyon pillerin olağan ve olağan dışı çalışma şartlarındaki ısıl davranışı
- Tez No: 798759
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZGÜR EKİCİ, PROF. DR. MURAT KÖKSAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 179
Özet
Bu doktora çalışması Lityum-iyon pillerinin, normal ve normal olmayan çalışma koşulları altındaki elektriksel ve ısıl davranışlarını incelemektedir. Çalışmada hem deneysel yöntemlerle, hem de modelleme yöntemleriyle sonuçlar elde edilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında ilk olarak standart batarya testleri yapılmıştır. Özgül ısı, iç direnç ve açık devre gerilimi gibi bazı elektriksel ve ısıl parametreleri elde etmek amacıyla bir batarya test düzeneğinden faydalanılmıştır. Bu test düzeneği aynı zamanda Lityum-iyon pillerin çeşitli akımlarda ve çalışma sıcaklıklarındaki şarj ve deşarj işlemlerini gerçekleştirmek için kullanılmıştır. Bunun yanı sıra, hem tamamen dolu, hem de tamamen boş pillerin yüksek sıcaklıklardaki davranışını gözlemlemek amacıyla fırın testleri yapılmıştır. Bu çalışmalara ek olarak, Lityum-iyon pillerin yüksek sıcaklıklardaki elektriksel davranışı incelenmiştir. Son olarak, çeşitli doluluk oranlarındaki Lityum-iyon pillerin yüksek çalışma sıcaklığı altındaki ısıl sürüklenme davranışını incelemek için film ısıtıcı testleri gerçekleştirilmiştir. Modelleme çalışmalarında ise ilk olarak iki boyutlu yığık bir model, silindirik bir Lityum-iyon pilin farklı çalışma sıcaklıkları ve deşarj koşullarındaki elektriksel ve termal özelliklerini tahmin etmek üzere, sabit iç direnç ve değişken iç direnç yaklaşımları kullanılarak geliştirilmiştir. Sonrasında ise bir boyutlu elektrokimyasal bir model ile üç boyutlu ısıl modelin birlikte kullanıldığı bir benzetimde, Lityum-iyon pil hücresinin elektriksel ve ısıl davranışları tahmin edilmiştir. Her iki model de COMSOL programı yardımıyla geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Elektrokimyasal-ısıl model, çok sayıda geometrik, elektro-kimyasal ve ısıl parametreyi içinde barındırır. Bu nedenle, uygun değer model parametrelerini elde etmek amacıyla kapsamlı bir duyarlılık analizi yapılmıştır. Bu analiz aynı zamanda deşarj işlemleri sırasında hücrenin elektriksel ve termal davranışını önemli ölçüde değiştirebilecek parametrelerin de gözlemlenmesini sağlamıştır. Çalışmanın son kısmında, elektrokimyasal-ısıl model, Lityum-iyon pillerin normal olmayan koşullardaki davranışını incelemek amacıyla güncellenmiş ve hücredeki ısı üretimini artıran dört ana ekzotermik reaksiyon, Arrhenius tipi sıcaklığa bağlı denklemler kullanarak modele eklenmiştir.
Özet (Çeviri)
This doctoral thesis investigates the electrical and thermal behaviors of Li-ion battery cells during the normal and abnormal conditions using the experimental and modeling methods. First, various standard battery tests were conducted in the study in order to define the related electrical and thermal parameters, such as specific heat, density, and open-circuit voltage. Then both galvanostatic charge and discharge experiments were conducted at various C-rates under various operating temperatures. Besides, thermal abuse tests were performed in an oven at different operating temperatures for both completely charged and discharged cells. In addition, the electrical behavior of the cell was observed at elevated ambient temperatures. Lastly, film heater experiments were conducted to investigate the thermal runaway behavior of the Li-ion cells at various SoC values under high operating temperatures. In the modeling part, first, an axisymmetric 2-D Lumped model is developed using constant and variable internal resistance approaches to estimate the cylindrical Li-ion battery's thermal and electrical performances during various discharge rates and operating temperatures. Then, a 1-D electrochemical and 3-D thermal model was developed in order to predict the voltage and temperature variations of the Li-ion battery. Both models were developed and implemented within the framework of COMSOL. The developed model includes a large number of geometrical, electrochemical, and thermal parameters. Therefore, a comprehensive sensitivity analysis was done to obtain the optimum model input parameters. The sensitivity analysis also presented the important parameters that can significantly alter the cell's thermal and electrical performance during the discharging processes. Lastly, four main exothermic reactions were implemented into the electrochemical model so that the total heat generation during these exothermic reactions was evaluated using the Arrhenius-type temperature-dependent equations.
Benzer Tezler
- Metalik kalayın asidik çözeltiler içerisinde anodik davranışının incelenmesi
Investigation of anodic behavior of metallic tin in acidic solutions
CAN AKYIL
Doktora
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
- Thermal modeling of lithium ion batteries
Lityum iyon pillerin ısıl modellemesi
EMRE GÜMÜŞSU
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR EKİCİ
- Numerical and experimental investigation of liquid cooling of lithium ion batteries in an energy storage system
Bir enerji depolama sisteminde lityum iyon pillerin sıvı soğutulmasının sayısal ve deneysel incelenmesi
OYA KORKMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mühendislik BilimleriMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BARIŞ YILMAZ
- Predicting thermal behavior of Li-ion batteries in electric cars
Elektrikli otomobillerdeki Li-ion bataryaların termal davranışının tahmin edilmesi
BERNARDO JOSE AZUAJE BERBECI
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAtılım ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HULUSİ BÜLENT ERTAN
- FDM (Faz Değiştiren Malzeme) esaslı bir batarya ısıl yönetim sisteminin modellenmesi ve farklı parametrelere göre sayısal analizi
Modeling of a PCM (Phase Change Material) based battery thermal management system and numerical analysis according to different parameters
MÜCAHİT EMİN KARAGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mühendislik BilimleriSivas Bilim ve Teknoloji ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ KAVASOĞULLARI