Geri Dön

Hexagonal boron nitride reinforced thermal conductivity improved composite material design applications in electric vehicles

Hegzagonal bor nitrür takviyeli termal iletkenliği iyileştirilmiş kompozit malzeme tasarımı: Elektrikli araçlarda uygulamaları

PDF İndir

  1. Tez No: 896795
  2. Yazar: EMRULLAH CEBE
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 113

Özet

Son yıllarda fosil yakıt kullanımının yol açtığı yüksek karbon emisyonu küresel bir sorun haline gelmeye başlamıştır. Artan karbon emisyonu, dünya için bir sürdürülebilirlik problemini de beraberinde getirmektedir. Karbon emisyonunu arttıran unsurlar arasında, ulaşım sektörü önemli pay sahiplerinden biridir. Bu oranın yüksek olmasının ana sebebi ulaşımda kullanılan araçların sıklıkla fosil yakıt kullanan, içten yanmalı motorlu araçlar olmasıdır. Bu araçlar çalışma esnasında doğaya yüksek miktarda karbon salınımı yapmaktadır. Yüksek karbon salınımı sonucunda verilen zararı azaltmak amacıyla otomotiv sektöründe köklü değişiklikler meydana gelmektedir. Bu amaçla yapılan majör değişikliklerden biri, içten yanmalı motorlu araçlardan, elektrikli araçlara yapılan geçiştir. Özellikle hükümetler de elektrikli araca geçişi teşvik etmek amacıyla çeşitli ayrıcalıklar sağlamaktadır. Park önceliği, düşük vergi ve vergi muafiyeti gibi çalışmalar bu ayrıcalıklardan bazılarıdır. Otomotiv sektöründe yaşanan köklü değişimler ve sektöre ilişkin alınan kararlarla birlikte otomobil firmaları da yatırımlarını elektrikli araçlara kaydırmaktadır. Piyasadaki büyük firmalar elektrikli araçları geliştirmeye yönelik önemli yatırımlar yapmaktadır. Elektrikli araçlarla ilgili en kritik konularından biri olan batarya teknolojisine yönelik çalışmalar da hızla ilerletilmektedir. Tüm bu durumlar göz önüne alındığında, elektrikli araçların gün geçtikçe önemini daha fazla arttıracağı öngörülmektedir. Elektrikli araçlar tamamen elektrikli otomobiller (BEV), hibrit otomobiller (HEV), plug-in hibrit otomobiller (PHEV) ve yakıt hücreli otomobiller (FCEV) olmak üzere dörde ayrılmaktadır. Bu araçlardan BEV, araçlarda sıfır emisyon hedefi için en önemli seçenek olarak öne çıkmaktadır. BEV, içten yanmalı motorlu araçlardaki gibi yakıt deposu işlevine sahip, yüksek voltajlı batarya hücreleri kullanır. Birden fazla batarya hücresi bir araya getirilerek batarya modülünü, batarya modülleri bir araya getirilerek batarya paketi oluşturulur. Batarya paketleri, termal yönetim sistemi ve soğutma sistemleri batarya kutusuna monte edilir. Tüm bu sistemlerin bütününe batarya sistemi denir. Bu sistem, elektrikli araçlara gerekli olan enerjiyi depolar. Batarya hücrelerinin uzun süreli kullanımı için şarj edilebilir olması çok önemlidir. Şarj edilebilir bataryaların birçok farklı türü vardır. Yüksek enerji yoğunluğuna sahip olması, şarj edilebilme özelliği ve uzun kullanım ömrü sebebiyle lityum iyon bataryalar (LIBs) endüstride sıklıkla tercih edilmektedir. Lityum iyon bataryalar, yüksek enerji yoğunluğu sayesinde elektrikli araçların çalışma menzilinin arttırılmasında önemli rol oynamaktadır. Çalışma menzili elektrikli araçların yaygınlaşması için gelişime açık konulardan biridir. Daha verimli batarya sistemleri kullanılarak araç menzili arttırılmaya devam etmektedir. Batarya verimliliği ile çalışma sıcaklıkları arasında doğrudan bir ilişki vardır. Yüksek sıcaklıklara maruz kalan bataryada, Joule etkisi sebebiyle çalışma veriminde düşüş söz konusu olmaktadır. Bu durumunu kontrol altına almak amacıyla, batarya yönetim sistemleri (BMS) kullanılmaktadır. BMS'nin üç temel hedefi vardır: pili olumsuz çevre ve kullanım koşullarından (sıcaklık, nem, toz ve aşırı amper tüketimi gibi) gelebilecek zararlara karşı korumak, pilin ömrünü maksimuma çıkarmak ve pilin işlevsel ihtiyaçlarını karşılamaya hazır olmasını sağlamak. Bu hedeflere ulaşmak için BMS, hücre dengeleme olarak bilinen önemli bir uygulamadan yararlanır. Hücre dengeleme, pildeki tüm hücrelerin aynı voltaj seviyesinde tutulmasını sağlayarak, pilin ömrünün uzatılmasını sağlayan bir özelliktir. Bu teknoloji, aşırı ısınan pilin sıcaklığını düşürmek için havayla soğutma yöntemini kullanır. Ancak ısıl iletkenliği düşük malzemeler için hava soğutması teknik beklentileri karşılamayabilir. Alternatif bir soğutma yöntemi, soğutucu akışkanın kanallar arasında dolaşmasıdır. Bu yaklaşım daha iyi soğutma performansı sağlar ancak daha yüksek maliyeti de beraberinde getirir. Bir batarya sisteminde soğutmayı bir bütün olarak düşündüğümüzde, bataryalar, batarya kutuları ve elektronik bileşenler de dahil olmak üzere tüm bileşenlerin termal iletkenlik özelliği oldukça önemlidir. Batarya sistemlerinde termal yönetim dışında, batarya modüllerine zarar verebilecek etkenlerin de göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bir objenin batarya sistemine çarpması durumunda bataryaların hasar görmesi söz konusudur. Hasarı minimize etmek için, batarya sisteminin konumlandırılması oldukça önemli bir konudur. Hibrit araçlarda daha küçük boyutlarda bataryalar kullanıldığı için, çarpışma bölgesinden uzak güvenli bir bölgeye konumlandırılması mümkündür. Ancak elektrikli araçlarda daha büyük bataryalar kullanıldığı için bu durum söz konusu değildir. Bataryaların konumlandırılması için farklı yöntemler kullanılmaktadır. Bunlardan ilki T şeklinde bir konumlandırma yapılarak önden ve yandan meydana gelebilecek çarpışmalara karşı bataryanın korunması mümkün kılınabilir. Ancak bu konumlandırma şekliyle sınırlı bir alan kullanılabilmektedir. Batarya modülleri T şeklinde konumlandırıldığında hem batarya kapasitesi, hem de yolcu konforu için bir sınırlandırma söz konusu olacaktır. Diğer bir yöntem ise bataryaların, sürücü ve yolcu koltukları altına yayılı bir şekilde konumlandırılmasıdır. Bu yöntemle daha fazla miktarda batarya montajı yapabilmek mümkündür. Batarya miktarını arttırma sonucunda aracın ağırlık merkezi zemine daha yakın hale gelecektir. Azalan mesafeyle birlikte sürüş esnasında zeminden gelebilecek herhangi bir darbeye daha müsait olma durumu söz konusudur. Hasar unsurlarından zarar görmemek adına, batarya kutusunda kullanılan malzemenin darbe dayanımının yüksek olması gerekmektedir. Bu çalışma kapsamında batarya modülü muhafazalarında sıklıkla kullanılan alüminyuma alternatif olması amacıyla bir hibrit termoplastik kompozit üzerine çalışılmıştır. Kompozit matrisi olarak, yaygın olarak kullanılması ve üretim kolaylığı sebebiyle poliamid 6 (PA6) seçilmiştir. Termal özelliklerini iyileştirmek amacıyla hegzagonal bor nitrür (h-BN), darbe dayanımını iyileştirmek amacıyla da Stiren-Etilen-Butilen-Stiren (SEBS) kullanılmıştır. SEBS ile PA6 etkileşimini iyileştirmek için Maleik Anhidrit Aşılanmış Polietilen (MAPE) kullanılmıştır. Ayrıca, kullanımı sonucunda diğer takviye malzemesi h-BN ile arasında sinerji yaratabilmek amacıyla hem mekanik özellikleri hem de termal özellikleri iyileştirmek amacıyla grafen nanoplaka (GnP) kullanılmıştır. Oluşturulan kompozisyon tablosuna göre fiziksel, termal ve mekanik karakterizasyonları gerçekleştirmek için standartlara uygun olarak deney numuneleri üretilmiştir. Parçaların fiziksel özelliklerinin belirlenmesi için yoğunluk testi ve Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), mekanik özelliklerin belirlenmesi için çekme testi, üç nokta eğilme testi ve çentikli Izod darbe testleri yapılıp, kırılma yüzeylerinin taramalı elektron mikroskobuyla incelenmesi ve termal özelliklerinin belirlenmesi için Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) dinamik mekanik analiz (DMA), termal iletkenlik testi yapılmışmıştır. Kütlece %30 h-BN eklendiğinde elastisite modülünde %38.7'lik bir iyileşme, termal iletkenlikte ise %194,3'lük önemli bir artış elde edilmiştir. GnP'lerin eklenmesiyle elastisite modülünde %8,9'luk bir artışa ve çekme dayanımı değerinde %4,97'lik bir iyileşmeye sağlanmıştır. SEBS etkisiyle kompozitin darbe dayanımında %45'lik bir iyileşme elde edilmiştir. Ayrıca son olarak termal iletkenliği iyileştirmek amacıyla ara bir yöntem olarak PHS30 ve alüminyum sac ile sandviç geometrisi hazırlanmıştır. Termal iletkenlik değerinde PHS30 kompozisyonuna göre %85.4'lük bir iyileşme elde edilmiştir. Böylelikle projenin ilk aşaması olan, üretim ve deneysel karakterizasyon tamamlanmıştır. Çalışmanın sonraki aşamasında termal iletkenlik ve elastisite modülü gibi özellikleri mikromekanik modeller yardımıyla analitik olarak ve simülasyon ortamında temsili hacim elemanı (RVE) oluşturularak elde edilmiştir. RVE oluşturmak için bu alanda özelleşmiş Digimat FE programı kullanılmıştır. Elde edilen değerler deneysel verilerle karşılaştırılıp yorumlanmıştır. Test sonuçlarını değerlendirildikten sonra çekme dayanımı, elastisite modülü, darbe dayanımı, termal iletkenlik ve kompozisyonların birim fiyatı gibi kriterler kullanılarak optimum kompozisyonu bulabilmek amacıyla nesne temelli optimizasyon çalışması yapılmıştır. Yanıt yüzeyi metodolojisi (RSM) ve Python tabanlı bir optimizasyon kodu kullanılarak 2 farklı optimizasyon çalışması yapılmıştır. İki yöntemle de elde edilen sonuçlara göre optimum kompoziyon olarak PHS30 seçilmiştir. En uygun kompozisyon seçildikten sonra, çalışmanın son aşamasında zemin etkisi incelemesinde kullanılmıştır. Bu çalışma Abaqus CAE isimli simülasyon programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Malzeme tanımlaması yaparken Digimat FE kullanılarak oluşturulan RVE'den elde edilen elastisite modülü, kesme modülü ve Poisson oranı kullanılmıştır. Zemin etkisini simüle edecek şekilde model kurulup iki farklı senaryo üzerinden analiz gerçekleştirilmiştir. İlk senaryoda alüminyum kullanılarak oluşturulmuş bir batarya modülü muhafazası, ikinci senaryoda ise PHS30 kullanılarak oluşturulmuş bal peteği formu eklenmiş bir batarya modülü muhafazası kullanılmıştır. İki senaryo mekanik olarak olarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre bal peteği formuyla PHS30 kullanıldığı durumda gramaj olarak %26.9'luk bir azalma sağlanarak batarya hücrelerinin hasar görmediği bir tasarım oluşturulmuştur.

Özet (Çeviri)

Electric vehicles are essential for ensuring the sustainability of transportation and have the advantage of not emitting environmentally detrimental gases due to their lack of reliance on fossil fuels, such as internal combustion engines. Consequently, they provide a significant contribution to the reduction of air pollution. Multiple studies have been conducted to promote the utilization of electric vehicles in order to capitalize on this characteristic. Nevertheless, battery performance remains a significant barrier to wider use. The functioning of batteries leads to an increase in temperature due to the Joule effect, which in turn negatively impacts the efficiency of the battery. Consequently, ongoing research is being conducted on the thermal regulation of batteries, with a focus on the development of materials that can efficiently disperse heat throughout the battery. The objective of the project is to create a polymer-based hybrid composite material that enhances thermal conductivity and impact strength. This material will be used to manufacture battery module casing for electric vehicles. Polyamide 6 (PA6) was chosen as the matrix material because of its extensive usage and ease of fabrication. Hexagonal boron nitride (h-BN) was used to enhance thermal conductivity. Furthermore, a Styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS) elastomer supplement has been included to enhance protection against probable ground impact damage. Furthermore, graphene nanoplate (GnP) was employed to enhance the mechanical and thermal characteristics, so achieving a synergistic effect with the h-BN reinforcing material. Following the production of the compounds through extrusion and injection molding, samples underwent physical, mechanical and thermal characterization.The addition of 30wt.% h-BN increased 38.7% the elastic modulus. The results demonstrate that the thermal conductivity had a significant rise of 194.3% when 30wt.% h-BN. The addition of 2.5wt.% GnPs led to an 8.9% enhancement in the elastic modulus and a 4.97% improvement in the tensile strength value. The addition of 5 wt.% SEBS led to a significant 45% enhancement in the impact strength. Subsequently, a scanning electron microscope (SEM) was employed to examine the cracked surfaces for the purpose of analyzing the mechanisms that cause the damage to the material. Afterwards, the thermal conductivity and elastic constants of the compositions were determined utilizing analytical methods. The Maxwell-Eucken and Cheng-Vachon models were employed for the analysis of thermal conductivity, while the Halpin Tsai (HT) model was utilized to determine the elastic constants. Furthermore, the mechanical and thermal characteristics of these compositions were assessed by creating a representative volume element (RVE) using Digimat FE. To verify the accuracy of these models, they were compared to experimental data. In the end, the compositions were evaluated based on several qualities which are tensile strength, elastic modulus, impact strength, thermal conductivity, and price to determine the most effective composite that could be used as battery module casing material. The optimization study utilized the response surface method (RSM) in combination with a Python-based optimization tool. Once the most suitable composite material was chosen, it was utilized for the ground impact investigation during the last phase of the study. The investigation was conducted with the simulation software Abaqus CAE. A simulation model was developed to replicate the ground impact, and an analysis was conducted using two distinct situations. In the first situation, an aluminum battery module casing was utilized, while in the second scenario, a battery module casing with a honeycomb structure incorporating PHS30 was employed. By utilizing the honeycomb form of PHS30 battery module casing, a significant weight reduction of 26.9% was attained, while ensuring the integrity of the battery cells in the design.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    761696

    Multi scalable design and performance characterization of glass fiber reinforced epoxy composites by incorporation of hexagonal boron nitride in resin and on interfaces

    Cam elyaf takviyeli epoksi kompozitlerin reçine ve arayüzeylere hegzagonal bor nitrür dahil edilmesi ile çok ölçeklenebilir tasarımı ve performans karakterizasyonu

    SAMET ÖZYİĞİT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Mühendislik BilimleriSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN

  2. Tez No

    855645

    Development of hexagonal boron nitride reinforced thermoplastic composites for advanced thermal management with multi-processing techniques

    Çoklu işleme teknikleri ile ileri ısıl yönetim için hekzagonal bor nitrür takviyeli termoplastik kompozitlerin geliştirilmesi

    SAHER GUL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Mühendislik BilimleriSabancı Üniversitesi

    Mühendislik ve Doğa Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN

  3. Tez No

    901405

    Development of H-BN and CNT reinforced polymer composites for electronic warfare receivers and transmitters: Examination of thermal performance

    Elektronik harp almaç ve göndermeç kasaları için H-BN ve CNT takviyeli polimer kompozit malzeme geliştirilmesi: Isıl performansın incelenmesi

    GÜRCAN CENGİZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ

  4. Tez No

    804067

    Bor nitrür takviyeli biyokompozit malzemeler:Sentez, fizikokimyasal ve biyolojik karakterizasyon

    Boron nitride reinforced bio-composites: Synthesis, physicochemical and biological characterization

    DENİZ DOĞAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    KimyaKırıkkale Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞEGÜL ÜLKÜ METİN

  5. Tez No

    259402

    Termal ara yüzey malzemesi olarak kullanılabilecek polimer/bor nitrür mikro ve nano kompozitlerinin üretim teknolojilerinin araştırılması

    Investigation of production tecnologies of polymer/ boron nitride micro nano composites to be used as thermal interface materials

    ŞEBNEM KEMALOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Kimya MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. GÜRALP ÖZKOÇ

Geri Dön