Geri Dön

The lifespan comparison of an NMC811 pouch cell based high voltage battery with silicone and polyurethane foam usage

NMC811 poşet hücre tabanli bir yüksek voltajli bataryada silikon ve poliüretan sünger kullaniminin ömür karşilaştirmasi

PDF İndir

  1. Tez No: 931620
  2. Yazar: SERHAT SOYER
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. TURGUT GÜLMEZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 49

Özet

Sıcaklık ve hava koşullarındaki uzun vadeli değişim, iklim değişikliği olarak adlandırılır. İklim değişikliği, güneş radyasyonundaki değişiklikler, tektonik hareketler, volkanik patlamalar gibi doğal koşullardan kaynaklanabilir. Ancak, 19. yüzyıldan itibaren özellikle fosil yakıt kullanımının artmasıyla, iklim değişikliğinin başlıca nedeni doğal faktörlerden insan faaliyetlerine dönüşmüştür. Genellikle fosil yakıtlardan, örneğin doğalgaz, kömür ve petrol gibi, üretilen sera gazları, Dünya'nın etrafını çevreler ve atmosferde güneş ışığının birikmesine neden olur. Güneş ışığının birikmesinin ardından, dünya genelinde sıcaklıklar artar. Sera gazları karbondioksit ve metan yoğun bir şekilde insan faaliyetleri sonucu üretilir. Bu faaliyetler, kara taşıtlarında içten yanmalı motor kullanımı, binaların kömürle ısınması vb. olarak sınıflandırılabilir. Yukarıda bahsedilen nedenlere paralel olarak, elektrikli araçlar (EV'ler), teknolojisindeki gelişmeler, batarya paketlerinin maliyetlerinin düşmesi, yeni inşa edilen altyapı ve artan farkındalık seviyesi sayesinde her yıl daha fazla popülerlik kazanmıştır. Elektrikli araç bataryası, batarya elektrikli araçlarının (BEV'ler) ve hibrit elektrikli araçlarının (HEV'ler) elektrikli motorlarına doğrudan enerji sağlayan, şarj edilebilir yapıyı ifade eder. Elektrikli araç bataryalarının verimliliği, sürdürülebilirliği ve güvenliği, otomotiv endüstrisinde büyük bir öneme sahiptir. Bu bataryaların, yüksek performans sağlarken çevresel etkilerini minimize etmesi gerekmektedir. Ayrıca, batarya teknolojilerinin geliştirilmesi, yalnızca araçların menzilini artırmakla kalmayıp, aynı zamanda batarya ömrünü uzatarak, geri dönüşüm süreçlerini daha verimli hale getirmeyi de hedeflemektedir. Bu noktada, lityum iyon bataryalar öne çıkmakta, ancak batarya teknolojisi sürekli olarak iyileştirilmekte, daha hızlı şarj olabilen ve daha uzun ömürlü bataryaların geliştirilmesi üzerinde çalışmalar sürmektedir. Öte yandan, elektrikli araçların yaygınlaşması, enerji sektöründe de büyük bir dönüşümün habercisidir. Fosil yakıtların kullanımını azaltma çabaları, yenilenebilir enerji kaynaklarının entegrasyonunu zorunlu hale getirmektedir. Güneş ve rüzgar enerjisi gibi temiz kaynaklar, elektrikli araçların şarj altyapısını besleyen ana enerji kaynakları olarak giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bu dönüşüm, yalnızca ulaşım sektörünü değil, aynı zamanda enerji üretimi ve depolama teknolojilerini de yeniden şekillendirecek bir sürecin başlangıcıdır. Taşıt sektöründe aktarma organlarının içten yanmalı motorlardan elektrik motorlarına geçişi hızla arttığından, yüksek gerilimli bataryaların önemi günden güne artmaktadır. Günümüzde yüksek gerilimli bataryalarda en yaygın olarak poşet, prizmatik ve silindirik hücreler kullanılmaktadır. Bununla birlikte sayılan bu üç hücre tipinin kendine göre avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu hücre tipleri arasında poşet tipi hücreler, kütle başına enerjiyi temsil eden yüksek özgül enerjisi sayesinde araç batarya hücresi pazarında favorilerden biridir. Ancak poşet hücrelerinin göz ardı edilemeyecek iki dezavantajı vardır; bu hücreler düşük mekanik dayanıklılığa sahip olup ayrıca şişmeye eğilimlidir. Bu nedenlerden dolayı, kullanım ömrü boyunca yüksek şişmeyi ve mekanik arızaları önlemek için poşet hücrelerin, özellikle yüksek voltajlı bataryaların içinde şişme yönünden yumuşak malzemelerle desteklenmesi gerekmektedir. Ticari ve kolay uygulanabilirlik nedeniyle silikon süngerler ve poliüretan süngerler batarya modüllerindeki hücrelere iki ana destek elemanıdır ve bu iki alternatif arasındaki seçim, yüksek gerilim batarya tasarımında en güncel konulardan biridir. Her iki sünger tipinin de alt tipleri ve kendine göre avantajları, dezavantajları bulunmaktadır. Silikon köpükler, mükemmel sıkışma seti direnci ve geniş bir çalışma sıcaklık aralığı gerektiren uygulamalar için tasarlanmıştır. Genel olarak, sanayi uygulamalarında yaygın olarak kullanılan 4 çeşit silikon köpük bulunmaktadır; • Standart silikon köpükler • Düşük dumanlı silikon köpükler • Termal yalıtım silikon köpükleri • Pouch hücreleri için yumuşak silikon köpükler Standart silikon köpükler, yüksek elastikiyet, sıkışma direnci, deformasyon direnci, alev direnci ve yangına karşı dayanıklılık gibi özelliklere sahiptir. Bunlar, sızdırmazlık, darbe emilimi, yastıklama, termal yalıtım ve diğer uygulamalar için uygundur ve elektrikli araçlar, enerji depolama, fotovoltaik, sanayi, tüketici elektroniği ve diğer sanayi gereksinimlerini karşılar. Uygulama amacına göre yumuşak veya sert silikonlar üretmek mümkündür. Düşük dumanlı silikon köpükler, mükemmel alev direnci, dostane yanma davranışı, yüksek ve düşük sıcaklık direnci, ozon direnci, radyasyon direnci ve üstün sıkışma deformasyonu direnci ile öne çıkar. Bunlar, raylı trenlerin iç yapılarında, jet uçaklarında, uçaklarda ve karmaşık ortamlarda çalışan tıbbi ekipmanlarda, darbe emilimi, yastıklama, termal yalıtım, sızdırmazlık ve yalıtım işlevleriyle kullanılabilir. Yeni silikon teknolojisiyle ultra yüksek sıcaklık termal yalıtım fonksiyonu olan termal yalıtım silikon köpük malzemesi düşük sıcaklıkta (600℃), ısı yayılmasını engelleyebilir, yüksek sıcaklıkları izole ederek hassas yapıların korunmasına yardımcı olur. Enerji depolama birimleri ve elektrikli araç batarya yapıları için yüksek sıcaklık yalıtımı ve termal koruma malzemesi olarak kullanılabilir. Yumuşak silikon köpükler, mükemmel yaşlanma karşıtı özelliklere, geniş sıkıştırılabilir aralığa, birden fazla sıkıştırmaya karşı yüksek elastikiyet geri kazanımına ve diğer köpüklerle karşılaştırılamaz derecede mükemmel alev geciktirici özelliklere sahiptir. Bu ürün tasarımı, yeni enerji endüstrisinin spesifikasyonları ve uygulama gereksinimlerini tam olarak birleştirir, batarya paketleri için daha uzun şarj ve deşarj ömrü ve daha yüksek güvenlik sağlar. Polyüretan köpükler, ısı iletkenliği ve doğrusal olmayan sıkıştırma davranışları nedeniyle birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bu teknik özelliklere ek olarak, ucuz ve hafif olmaları nedeniyle, özellikle batarya paketlerinde sıkıştırma pedleri olarak otomobil uygulamalarında kullanılmaktadır. Polyüretan köpüklerin başlıca özellikleri şunlardır; • Baskıya karşı yüksek gerilme hızlarıyla hareket edebilirler • Düşük sıkışma setleri vardır • Alev geciktirici özelliğe sahiptirler • Sanayi uygulamaları için ucuz bir çözümdür Bu tezin amacı, hücreler üzerinde sürekli bir baskı oluşturarak aynı seviyede ömür elde etmek için kolay ve hızlı bir sıkıştırma testi karşılaştırması sonrasında bu iki alternatifin kolaylıkla birbirinin yerine geçebileceğini kanıtlamaktır. Bu olguyu anlamak için bir poliüretan ve bir silikon ticari sünger seçilmiştir. Seçilen köpükler aşağıda bahsedilen sırada parça seviyesi ve ürün seviyesi testlere tabi tutulmuştur. İlk başta bu iki süngerin basınç-sapma (CFD) eğrileri farklı hızlarda karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma neticesinde her iki süngerin de benzer özelliklere sahip olduğu tespit edilmiştir. İkinci adımda, 36 hücre-36 sünger ile kurulmuş modüllerin ilk montaj esnasındaki sıkıştırma kuvvetleri CFD eğrilerinden hesaplanmış, eşleştirilmiş ve sıkıştırma testi verileriyle ilişkilendirilmiştir. Son aşamada ise 4 hücre-4 sünger ile kurulmuş batarya mini modüllerinin ömrü şarj-deşarj döngüsü ile test edilmiş ve hücrelerin ideal durumuna göre durumunu temsil eden batarya sağlığı değeri sürekli takip edilerek ve ölçülerek nihai bir değerlendirme yapılmıştır. Batarya sağlığı değerleri arasındaki fark binde 2 mertebesinde çıkmıştır. Nihai değerlendirmeye göre, her iki sünger tipinin de batarya modüllerinde kullanıma uygun olduğu, aynı düzeyde CFD davranışına sahip olamları durumunda mekanik ve ömür değerlendirmesi açısından kolaylıkla birbirleriyle değiştirilebileceği kanıtlanmıştır. Dolayısıyla, bu lisansüstü tezinin iddiası olan her iki tip için de batarya içerisinde uygun sünger seçeneğinin belirlenmesi amacıyla CFD eğrisinin kullanılabileceği tezi doğrulanmıştır.

Özet (Çeviri)

High voltage batteries are getting more and more importance since the powertrain transition of vehicle industry from internal combastion engine to electrical engines is rapidly increasing. It is a well known fact that the most common high voltage battery cell types nowadays are mainly pouch, prismatic and clindirical cells. Every cell type has its own advantageous and disadvantageous. Between those cell types pouch cels are one of the favourite in the vehicle cell market thanks to its high specific energy which represents energy per mass. However pouch cells has two unignorable disadvantage that these cells has low mechanical strength and tends to swell. Because of these reasons to prevent high swelling in lifetime and mechanical defetcs, pouch cells must be supported in battery architecture by soft materaials from its swell direction. Due to commercial and easy applicability reasons silicone foams and polyurethane foams are two main supporter elements to cells in battery trays and selection between these two alternatives is a hot topic in high voltage battery design. The purpose of this thesis is to prove that those two alternatives can easily be replaced instead of each other after an easy and fast compression test comparison to maintain a continuous pressure on cells to gain same level lifespans. To understand those phenomena one polyurethane and one silicone commercial foams are selected. At first compressure deflection (CFD) curves of these two foams compared in different speeds. At the second step initial pressure of 36 cell-36 foam module stack forces are calculated from CFD curves, matched, and correlated with stack test data. At the last step the lifespan of 4 cell-4 foam battery mini-modules are tested with charge-discharge loop and their state of health which represents the condition of a cells compared to its ideal condition are measured continuously to make a final evaluation. According to final evaluation it is proved that both foam types are suitable for use in battery cell stacks and easily replaced with each other if they have same level CFD behaviour from mechanical and lifespan point of view. For both types, the CFD curve can be used to select suitable foam option in battery modules.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    512276

    Türkiye'de endüstriyel tasarım eğitiminde model yapımına yönelik derslerin ve yaklaşımların sürdürülebilirlik açısından incelenmesi

    Examination of model making courses and approaches in terms of sustainability in industrial design education in turkey

    NECLA İLKNUR SEVİNÇ GÖKMEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Endüstri Ürünleri Tasarımıİstanbul Teknik Üniversitesi

    Endüstri Ürünleri Tasarımı Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZLEM ER

  2. Tez No

    411575

    Cephelerde kullanılan yapı ürünlerinin geleneksel bakım süreci ile kendi kendini temizleme sürecinin karşılaştırmalı değerlendirilmesi

    Comparative assessment of traditional maintenance process and self-cleaning process of building materials used on facades

    BANU İNCEDERE SARI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    MimarlıkYıldız Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. DİLEK EKŞİ AKBULUT

  3. Tez No

    200219

    Modular landfill design

    Modüler katı atık depolama tesisi tasarımı

    ALPAY ÖZTEMUR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖKHAN BAYKAL

  4. Tez No

    409106

    Nanotribological properties of graphene grown by chemical vapor deposition and transferred onto silicon oxide substrates

    Kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle büyütülen ve silisyum oksit alttaş üzerine transfer edilen grafenin nanotribolojik özellikleri

    TUNA DEMİRBAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MEHMET ZEYYAD BAYKARA

  5. Tez No

    885763

    Spektral ayrıştırıcı kullanarak fotovoltaik termal sistem performansının iyileştirilmesi

    Enhance of photovoltai̇c thermal system performance usi̇ng a spectral splitting

    SÜHEYL BİLAL SUNGUR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    EnerjiBartın Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ABİD USTAOĞLU

Geri Dön