Geri Dön

Investigation of thermal propagation in electric vehicle high voltage batteries

Elektrikli araç yüksek gerilim bataryalarında ısıl yayılım araştırması

PDF İndir

  1. Tez No: 894319
  2. Yazar: KADİR ARAS
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Enerji Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Elektrikli araçlar, çevre bilincinin artması ve hükümet politikalarındaki değişiklikler gibi etkenlerle birlikte hızla yayılan bir teknoloji olmuştur. Bu araçlar, geleneksel içten yanmalı motorlu araçlara kıyasla çeşitli avantajlara sahiptir. İlk olarak, elektrikli araçlar çevre dostudur. Sıfır veya düşük emisyonlu çalışmaları sayesinde hava kirliliğini ve sera gazı salınımını azaltır, iklim değişikliğiyle mücadelede önemli bir rol oynar. Ayrıca, enerji verimlilikleri daha yüksektir ve enerjiyi daha etkin bir şekilde kullanır. İçten yanmalı motorlara kıyasla enerji kayıplarını minimize ederek daha fazla mesafe kat eder. Aynı zamanda, elektrikli araçların işletme maliyetleri düşüktür. Elektrik enerjisinin yakıta kıyasla genellikle daha ucuz olması ve daha az bakım gerektirmesi, kullanıcılar için ekonomik bir avantaj sağlar. Bununla birlikte, elektrikli araçların bazı dezavantajları da vardır. Öncelikle, sınırlı menzil sorunu bulunmaktadır. Bir pil şarjıyla kat edilebilecek mesafe sınırlıdır ve uzun yolculuklarda veya şarj altyapısının yetersiz olduğu bölgelerde kullanıcılar için bir zorluk oluşturabilir. Şarj altyapısının henüz tam olarak gelişmemiş olması da bir diğer dezavantajdır. Şarj istasyonlarının sayısı ve yaygınlığı hala yetersiz olabilir. Ayrıca, elektrikli araçların şarj süreleri benzine veya dizele kıyasla daha uzun olabilir. Bu durum, acil durumlar veya uzun yolculuklar için planlama gerektirebilir. Son olarak, lityum-iyon pillerin ömrü sınırlıdır ve pil değiştirme veya geri dönüşüm süreçleri karmaşık ve maliyetli olabilir. Bununla birlikte, elektrikli araç teknolojilerindeki ilerlemeler ve altyapı iyileştirmeleriyle birlikte, bu dezavantajların azaltılması ve elektrikli araçların daha geniş bir kullanımının sağlanması beklenmektedir. Elektrikli araç pazarının genişlemesi, artan çevre bilinci ve hükümet politikaları, kentleşme eğilimleri, yükselen yakıt fiyatları ve gelişen bir müşteri pazarı göz önüne alındığında, öne çıkan enerji depolama teknolojilerinden biri olan Li-ion pili anlamak önemlidir. Yüksek enerji yoğunlukları, lityum-iyon pilleri özellikle elektrikli araçlar için ideal bir seçenek haline getirir. Bu piller, küçük bir ağırlıkla büyük miktarda enerji depolayabilirler, böylece araçlara daha uzun menzil sağlarlar. Ayrıca, lityum-iyon pillerin uzun bir çevrim ömrü vardır, yani birçok şarj-deşarj döngüsüne dayanabilirler. Bu da pilin ömrünü uzatarak kullanıcılar için ekonomik bir seçenek olmasını sağlar. Lityum-iyon piller aynı zamanda hafiftir, bu da onları taşıması ve montajı kolay hale getirir. Elektrikli araçların yanı sıra, lityum-iyon piller güneş enerjisi ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının depolanmasında da yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu pillerin hafifliği ve kompakt tasarımı, enerji depolama sistemlerini daha verimli ve esnek hale getirir. Modern toplumun enerji krizleri ve çevre kirliliği gibi zorluklara karşı mücadele etme çabası, temiz enerjiye dayalı çözümlere yönelmeyi gerektirmektedir. Lityum-iyon piller, fosil yakıtlara bağımlılığı azaltarak ve karbon salınımını önemli ölçüde azaltarak sürdürülebilir enerji dönüşümüne önemli bir katkıda bulunabilir. Bu çalışma, lityum iyon pillerinin temel yapı taşlarını oluşturan malzemeler hakkında önemli bilgiler sunmaktadır. Lityum iyon pilleri, katot malzemeleri, anot malzemeleri, elektrolitler ve separatörler gibi bir dizi malzemeden oluşur. Katot malzemeleri, pilin pozitif elektrodu olarak görev yapar ve lityum iyonlarını depolamak ve serbest bırakmak için kullanılır. Lityum kobalt oksit (LCO), lityum nikel manganez kobalt oksit (NMC) ve lityum demir fosfat (LFP) gibi çeşitli katot malzemeleri mevcuttur. Her bir malzemenin farklı enerji ve güç yoğunlukları, güvenlik özellikleri ve pil performansına etkisi bulunur. Örneğin, NMC yüksek enerji yoğunluğu sağlarken, LFP daha güvenli ve termal kararlılık sağlar. Katot malzemelerinin seçimi, pilin performansı, enerji yoğunluğu, döngü ömrü ve güvenlik açısından kritik bir öneme sahiptir. Anot malzemeleri, pilin negatif elektrodu olarak görev yapar ve lityum iyonlarının depolanması ve salınması için kullanılır. Anot malzemeleri, pilin kapasitesini etkileyen önemli faktörlerden biridir. Grafit genellikle yaygın bir anot malzemesi olarak kullanılırken, silikon gibi yüksek kapasiteli malzemeler de araştırılmaktadır. Ancak, silikon gibi yüksek kapasiteli malzemelerin kullanımı zorluklar da sunar. Silikon, genişlemeye ve büzülmeye yatkındır, bu da pilde yapısal hasara neden olabilir. Araştırmalar, daha verimli ve güvenilir anot malzemelerinin geliştirilmesi üzerine yoğunlaşmaktadır. Elektrolitler, lityum iyonlarının katot ve anot arasında hareket etmesini sağlar. Elektrolitler, iyon iletimini sağlamak için lityum tuzları ve organik çözücülerin kombinasyonunu içerir. Separatörler, katot ve anot arasında mekanik ve elektriksel olarak izolasyon sağlar. Separatörler, lityum iyonlarının geçişine izin verirken elektron geçişini engeller. Bu malzemelerin seçimi ve özellikleri, lityum iyon pillerin performansını, enerji yoğunluğunu, döngü ömrünü ve güvenliğini etkiler. Araştırmalar, yeni malzemelerin keşfi, malzeme tasarımlarının iyileştirilmesi ve pil teknolojilerinin geliştirilmesi üzerinde odaklanmaktadır. Bu sayede daha verimli, güvenilir ve güvenli lityum iyon piller geliştirilebilir. Tez çalışması kapsamında, pillerin yaşlanma mekanizmaları detaylı bir şekilde incelenmiş ve bu sürecin anlaşılması için çeşitli faktörler göz önünde bulundurulmuştur. Pil yaşlanması, yan reaksiyonlar, çevrim ömrü, depolama koşulları ve kontaminasyon gibi çeşitli faktörlerin etkileşimiyle gerçekleşir. Yan reaksiyonlar, pildeki elektrokimyasal reaksiyonlardan kaynaklanan yan ürünlerin oluşumunu ifade eder. Bu yan ürünler, elektrotlar arasında birikerek pilin performansını olumsuz yönde etkiler. Örneğin, lityum-iyon pillerde, yan reaksiyonlar anotun üzerinde lityum metalinin oluşumuna neden olabilir ve bu da pilin kapasitesini azaltabilir. Çevrim ömrü, bir pilin tam şarj ve deşarj döngülerine dayanabilme kabiliyetini ifade eder. Her bir şarj-deşarj döngüsü, pilin elektrokimyasal reaksiyonlara bağlı olarak fiziksel ve kimyasal değişimler yaşamasına neden olur. Bu süreçte, aktif malzemelerin bozulması, elektrotların yıpranması ve elektrolitin etkinliğinin azalması gibi faktörler pilin yaşlanmasına katkıda bulunur. Çevrim ömrünün anlaşılması, pilin performansını ve ömrünü iyileştirmek için önemli bir adımdır. Depolama koşulları da pillerin yaşlanmasında önemli bir rol oynar. Uzun süreli depolama, pilin performansını olumsuz yönde etkileyebilir. Yüksek sıcaklık, nem, oksidasyon gibi faktörler, pilin kimyasal kararlılığını bozarak yaşlanmasını hızlandırabilir. Bu nedenle, pilin uzun süreli depolanması sırasında uygun sıcaklık ve nem koşullarının sağlanması önemlidir. Kontaminasyon, pilin içindeki bileşenlere yabancı maddelerin girmesi anlamına gelir. Bu yabancı maddeler, elektrotlarda paslanma, elektrolit ile etkileşim veya kimyasal reaksiyonlara neden olarak pilin performansını olumsuz etkiler. Kontaminasyonun azaltılması veya engellenmesi, pilin yaşlanma sürecini yavaşlatabilir ve performansını korumasına yardımcı olabilir. Bu faktörlerin bir araya gelmesi, pillerin yaşlanmasına ve performansının azalmasına yol açar. Bu nedenle, pil ömrünün ve performansının iyileştirilmesi için yaşlanma mekanizmasının tam olarak anlaşılması önemlidir.Yaşlanma sonucu olarak pilin kapasitesi azalır ve empedansı artar. Lityum iyon piller, sürekli olarak geliştirilen bir teknoloji olmakla birlikte, güvenlik endişeleri bu teknolojinin yaygın kullanımını sınırlamaktadır. Özellikle ısıl bozunum mekanizması, lityum iyon pillerin güvenliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Aşırı şarj, yüksek sıcaklık, mekanik hasar veya yanlış kullanım gibi durumlar, pilin iç yapısında anormal ısı birikimi ve tepkimelerin başlamasına yol açabilir. Isıl bozunumun önlenmesi ve pil güvenliğinin artırılması için çeşitli yöntemler ve stratejiler benimsenmektedir. Hücre tasarımında yapılan iyileştirmeler, pilin ısıl yayılımını kontrol etmeye yönelik adımları içerir. Termal yönetim sistemleri, pilin ısı dağılımını optimize ederken aşırı ısınma riskini azaltmaya yardımcı olur. Isıyı ileten malzemeler, ısı yayılımını artırabilirken soğutma sistemleri, pilin sıcaklığını düşürmeye yardımcı olur. Bunun yanı sıra, güvenlik önlemleri ve koruma sistemleri, lityum iyon pillerin güvenliğini artırmak için önemli bir rol oynamaktadır. Aşırı akım korumaları, aşırı şarjı önlemek ve pilin güvenli bir şekilde çalışmasını sağlamak için kullanılır. Aşırı sıcaklık durumunda otomatik kesme devreleri çalışarak pilin zarar görmesini önler. Aynı şekilde, kısa devre koruma sistemleri, pilde meydana gelebilecek kısa devreleri algılar ve güvenlik önlemlerini devreye sokar. Pil güvenliğini artırmak için yapılan çalışmalar, paketleme ve malzeme seçimine de odaklanmaktadır. Güvenli bir pil paketi, pil hücrelerini dış etkenlere karşı koruyan dayanıklı ve izole edici malzemelerle donatılmalıdır. Ayrıca, pil paketindeki gaz birikimini önlemek için basınç düzenleyiciler ve gaz tahliye valfleri gibi özellikler de bulunabilir. Bu bağlamda, pil güvenliğini artırmak için yapılan araştırma ve geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Ayrıca, güvenlik standartlarının ve yönetmeliklerinin sürekli olarak gözden geçirilerek güncellenmesi, pil güvenliğini artırmak için önemli bir adımdır. Sonuç olarak, lityum iyon pillerin güvenliği, teknolojisinin daha da ilerlemesi ve yaygınlaşması için öncelikli bir konudur. Isıl bozunum mekanizması ve diğer güvenlik sorunlarına odaklanarak, pil güvenliği konusundaki bilgi ve teknoloji geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Bu çabalar, lityum iyon pillerin güvenilirliğini artırmak ve daha geniş bir kullanım alanı yaratmak için önemli adımlar sağlayacaktır. Bu tez kapsamında bir yüksek gerilim (YG) bataryanın ısıl yayılım performansını arttırmaya yönelik bir çalışma yapılmıştır. Elektrikli ve hibrit araçlarda kullanılan YG bataryalar genel olarak lityum-iyon hücreler, mekanik yapı ve modüller, ısıl sistem, batarya yönetim sistemi, elektrik sistemi ve koruma elemanları olmak üzere beş ana bileşenden oluşmaktadır. Modüller basit bir şekilde lityum iyon hücrelerden, köpüklerden, sensörlerden ve mekanik yapıdan oluşmaktadır. Bir yüksek gerilim (YG) batarya paketi modülü oluşturulurken ısıl yönetimi sağlamada köpükler temel bileşenlerden biridir. Doğru köpük seçimi, daha iyi bir ısıl yönetim sistemi, daha güvenli sistem, daha uzun ömür ve daha kolay modül üretimi sağlar. Tez çalışmasında, ilk olarak üç farklı köpük malzemenin, ısı iletkenliği, sıkıştırma kuvveti-yer değiştirme gibi parametrelerinin ısıl yayılmaya olan etkileri incelenmiştir. Öncelikle, gerçekleştirilen deneylerle ısıl bozunum tetikleme mekanızmasına karar verilmiş, ardından, üç köpük ile ısıl yayılım testleri yapılıp, en uygun köpük seçilmiştir. Daha sonra, bu modüllerden YG batarya paketi oluşturulmuş ve paket seviyesi termal yayılım testleri yapılmıştır. Sonuç olarak, ısıl yayılım süresini uzatmak için alınması gereken önlemler belirlenmiş ve termal yayılımın önemi vurgulanmıştır.

Özet (Çeviri)

Understanding the Li-ion battery, which is essentially driving the industry, is important given the expansion of the vehicle electrification market, rising environmental and governmental laws, urbanization trends, rising fuel prices, and a developing client market. The increasing demand for electric vehicles (EVs) has released the need for efficient and reliable energy storage solutions. Lithium-ion batteries have emerged as a leading technology due to their high energy density, long cycle life, and lightweight design. The effort to save modern society from energy crises and environmental pollution relies on clean energy. In this study, a brief explanation of lithium-ion materials was given including cathode materials, anode materials, electrolytes, and separators. The cathode materials, such as lithium cobalt oxide (LCO), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), and lithium iron phosphate (LFP), significantly impact battery performance by influencing energy density, power capability, and safety considerations. On the other hand, anode materials such as graphite and silicon play a crucial role in capacity and rate capabilities, and the thesis gives the characteristics, challenges, and opportunities associated with different anode materials. Furthermore, the study delves into the underlying mechanisms behind ageing phenomena. Factors such as side reactions, cycling, storage conditions and contamination contribute to battery ageing. As a result of ageing, capacity fades and impedance increases. Moreover, this thesis also addresses the thermal runaway (TR) mechanism which is a key safety concern in lithium-ion batteries. It explores the conditions that can lead to thermal runaway, such as overcharging, high temperature, and mechanical abuse. Various strategies to mitigate thermal runaway, including advanced cell designs, thermal management systems, protection systems and packaging are evaluated for their effectiveness in enhancing battery safety. Foams are a key component in providing thermal management when building a high voltage (HV) battery pack module. Correct foam selection provides a better thermal management system, safer system, longer life cycle and easier module production. In the study, thermal propagation (TP) behavior in HV batteries was investigated and the effects of parameters such as thermal conductivity and compression force-displacement of three different foam materials on thermal dissipation were evaluated. After the determination of optimum foam by experiments, pack-level thermal propagation was tested and investigated. To optimize the TP duration, experiments were carried out and the effects of short circuits and pressure were examined through the tests. As a result, the precautions to be taken were determined and the importance of investigating thermal propagation in electric vehicle HV batteries was emphasized.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    332928

    Ultrasonik sprey piroliz (USP) yöntemi ile nano yapılı kurşun oksit üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of nano structured lead oxide via ultrasonic spray pyrolysis (USP)

    BURAK AŞIK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN

  2. Tez No

    57027

    Yüksek nikel alaşımlı malzemelerin vakum ortamında sert lehimlenmesine işlem parametrelerinin özelliklere etkisinin incelenmesi

    The Investigation of brazing cycle, overlap distance and joint clearance parameters effect to mechanical properties for high nickel alloys during brazing under vacuum

    HASAN KURŞUNGÖZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    Makine MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. ORHAN KOMAÇ

  3. Tez No

    39766

    Metalurjik olarak hazırlanan Au-Pd elektrodların katalitik özelliklerinin incelenmesi

    Characterization of catalytic behaviours of metallurgically casted Au-Pd electrodes

    CANPOLAT ÖZDEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. FİGEN KADIRGAN

  4. Tez No

    253341

    İçten yanmalı motorlarda ilave hidrojen sağlayan bir elektroliz düzeneğinin teknik ve ekonomik açıdan incelenmesi

    An investigation of a electrolysis system which provide hydrogen for internal combustion engines as economics and technical properties.

    DÜZGÜN DENİZ KARABULUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Makine MühendisliğiMersin Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. YUSUF ZEREN

  5. Tez No

    55489

    Işınlayıcı dizileriyle doku-içi hipertermide enrji yoğunlaştırılması

    Başlık çevirisi yok

    ABDULLAH FERİKOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. İNCİ AKKAYA

Geri Dön