Elektrikli Otomobillerdeki Li-ion Bataryaların Termal Davranışının Tahmin Edilmesi

Abstract

Elektrikli araçların popülaritesi artmaya devam ettikçe, lityum-iyon bataryalar (LIBs) üzerindeki araştırma çabaları da yoğunlaşmaktadır. LIB'lerdeki termal kaçak (TR), bu yüksek enerji yoğunluklu pillerin güvenli çalışması için henüz üstesinden gelinmemiş ciddi bir endişe kaynağıdır. EV'nin bataryası kritik bir bileşendir ve arızaya en duyarlı bileşen olarak kabul edilir. LIB arızalanırsa, elektrikli araç hareketsiz hale gelir. Aşırı ısınma ve TR, elektrikli aracın çalışma koşullarından, soğutma sistemindeki bir arızadan veya bazı LIB'lerdeki hatalı çalışmalardan kaynaklanabilir. TR'yi tahmin etmek ve yolcuları uyarmak, elektrikli araçlarda TR kaynaklı LIB arızasından kaynaklanan yaralanmaları azaltmak için kritik öneme sahiptir. Bu tez çalışması, voltaj değişimini, ısı üretimini, sıcaklık artışını ve birLIB'nin çalışma koşulları altında (şarj-deşarj) TR'ye yol açan süreci tahmin etmek için güvenilir bir model önermektedir. Böyle bir model, TR'ye karşı daha dirençli batarya paketleri tasarlamak veya bir batarya paketinin tehlikeli koşullar altında nasıl performans göstereceğini değerlendirmek için kullanılabilir. Bu tezde benimsenen yaklaşım, LIB'nin çok katmanlı bir elektrokimyasal-termal modelinin sayısal analizine dayanmaktadır. Bu kapsamda, ilk olarak modelin geliştirilmesi (Newman ve Hatchard'ın modellerinin entegre edilmesi) ele alınmaktadır. Bu sayısal modelden doğru sonuçlar elde etmek için bir LIB'nin parametrelerinin ayarlanması ve tezdeki yaklaşımın ayrıntıları sunulmuştur. Çeşitli LIB'ler üzerinde deneyler gerçekleştirilmiş ve TR de dahil olmak üzere çeşitli çalışma koşulları altında voltaj ve yüzey sıcaklığı değişimleri ölçülmüştür. Test edilen LIB için voltaj ve sıcaklık ölçümleri, önerilen modelden elde edilen sayısal tahminlerle karşılaştırılmıştır. Önerilen yaklaşımın doğruluğunu kanıtlayan deneysel sonuçlarla mükemmel bir uyum gözlemlenmiştir. Daha sonra, TR başlangıcını tetikleyen koşulları araştırmak ve tanımlamak için önerilen model kullanılarak iki kapsamlı vaka simülasyonu seti gerçekleştirilmiştir. İlk vaka simülasyonu setinde sabit bir çalışma akımı koşulu ve açık hava ortam sıcaklığı varsayılmıştır. İkinci vaka simülasyonu seti, soğutma sistemi arızası durumunda LIB'nin termal tepkisini tahmin etmek için batarya paketinin ortam sıcaklığını da içeren gerçekçi elektrikli araç çalışma koşullarını dikkate almıştır. Bu tezdeki yaklaşım birkaç dakika içinde sonuç verecek şekilde yapılandırılabilir. Tezde ayrıca, geliştirilen yaklaşımın çalışma koşulları sırasında bir TR uyarısı oluşturmak veya bir tehlike meydana gelmeden önce bir LIB'nin çalışma modunu değiştirmek için nasıl kullanılabileceği tartışılmaktadır.As the popularity of EVs continues to rise, research efforts on lithium-ion batteries (LIBs) are intensifying. Thermal runaway (TR) in LIBs is a serious concern for the safe operation of these high-energy-density batteries that is yet to be overcome. The EV's battery is a critical component and is considered the most susceptible to failure. If the LIB fails, the EV becomes immobile. Overheating and TR may arise from the operating conditions of the EV, a failure in the cooling system, or malfunctioning faults in some of the LIBs. Predicting TR and warning passengers is critical to mitigating injuries from TR-induced LIB failure in EVs. This thesis work proposes a reliable model to predict voltage variation, heat generation, temperature rise, and the process leading to TR of a LIB under its operating conditions (charging-discharging). Such a model can be used to design battery packs more resilient to TR or assess how a battery pack would perform under hazardous conditions. The approach adopted in this thesis is based on a numerical analysis of a multilayered electrochemical-thermal model of LIB. In this scope, the development of the model (integrating Newman's and Hatchard's models) is first addressed. Tuning the parameters of a LIB for accurate results from this numerical model is presented, as well as the details of the approach in the thesis. Experiments are performed under several LIBs, and their voltage and surface temperature variations are measured under various operating conditions, including TR. Measurements of voltage and temperature for the LIB under test are compared with the numerical predictions obtained from the proposed model. An excellent agreement is observed with the experimental results, proving the accuracy of the proposed approach. Subsequently, two extensive sets of case simulations using the proposed model were conducted to investigate and identify conditions that trigger the onset of TR. The initial set of case simulations assumed a constant operating current condition and open-air ambient temperature. The second set of case simulations considered realistic EV operating conditions, incorporating the ambient temperature of the battery pack to predict LIB's thermal response in the event of a cooling system failure. The approach in this thesis can be configured to give results in a few minutes. The thesis also discusses how the developed approach can be used to create a TR warning during operating conditions or to change the mode of operation of a LIB before a hazard occurs.