GCRIS :: Search

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.

Bu tez, Türkiye'de Ankara metro trenleri için üretilen 125 kW'lık bir indüksiyon prototip motorunun tasarımını geliştirerek indüksiyon motorları (IM) ile daimi mıknatıslı senkron motorlar (PMSM) arasındaki performans farkını kapatmaya odaklanmaktadır. Yüksek verimleri sayesinde daimi mıknatıslı motorlar elektrikli araçlarda yaygın kullanım ve popülerlik kazanmış olsa da, nadir toprak elementlerine olan bağımlılıkları, tüm hız aralığında yüksek verimi koruyan, nadir toprak elementlerinden bağımsız, maliyet-etkin alternatiflerin araştırılmasını gerektirmektedir. Sunulan araştırma, prototipin uluslararası standartlara göre test edilmesiyle başlamaktadır. Bu prototip motorun 2D modeli geliştirilmiş ve performansı ANSYS Maxwell yazılımında sonlu elemanlar analizi (FEA) kullanılarak benzetimle tahmin edilmiştir. Model, tahmin sonuçları ile test sonuçlarının karşılaştırılmasıyla geliştirilmiştir. Bu şekilde, motor momentini, akımı, kayıpları ve genel verimi %1 doğruluk içinde tahmin edebilen hassas bir model elde edilmiştir. Bu model, prototip motorun kayıp dağılımını incelemek için kullanılmıştır. Önemli kayıp bileşenleri bu yöntemle daha ayrıntılı dağıtılabilmiş ve harmonik kayıplar sonlu elemanlar yöntemi yardımıyla ayrıştırılmıştır. Motorun verimini artırmak için bu analiz esastır. Kayıp dağılımı belirlendikten sonra kayıpları ortadan kaldırma yolları aranabilir ve motorun verimi artırılabilir. Verimin artırılması, ya motor çıkışının modifikasyon öncesi kayıp seviyesine ulaşana kadar yükseltilmesini ya da motorun daha soğuk çalışmasını sağlar. Geliştirilen model kullanılarak, ilk olarak manyetik yükleme değiştirilerek ve iletken kesit alanı artırılarak stator tarafındaki bakır kayıplarının azaltılması araştırılmıştır. Bu, prototip motora kıyasla bakır kayıplarını azaltmasına rağmen, manyetik yüklemenin artırılmasının doyum seviyesini (çekirdek kayıpları %13 artmıştır) ve manyetize edici akımı yükselttiği, bu nedenle stator akımının yaklaşık %15 arttığı ve güç faktörünün benzer oranda azaldığı bulunmuştur. Motor performansını iyileştirmek için diğer bir önemli strateji motor iç çapını artırmak ve böylece, kalkış ve maksimum moment dahil stator ve rotor oluk alanlarını artırabilmektir. stator iç çapının yeniden boyutlandırılmasıyla iyileştirmektir. İç çap, rotor ve stator diş genişlikleri korunacak şekilde artırılmış ve stator arka çekirdeğinde hedeflenen akı yoğunluğu (1.85 T tepe) sağlanmıştır. İç çapın artırılması, manyetik yüklemeyi azaltmaktadır. Bu çalışmada iç çapın artirilması verimi %93.7'den %93.9'a çıkarmıştır. Kayıplar azalmış olsa da, prototip motora kıyasla manyetik yükleme çalışmasında olduğu gibi sınırlı artış, optimal stator iç çapının araştırılması gerektiğini göstermektedir. Artırılan iç çap, rotor arka çekirdeğinde daha fazla alan oluşturduğu için rotor bakır çubuğunun yüksekliğinin artırılmasına da imkân vermektedir. Optimal iç çap ve daha derin rotor çubukları kullanılarak motor verimi %93.9'dan %94.5'e ulaşmıştır (optimal iç çap = 280 mm, artırılmış iç çap = 284 mm). Azaltılmış manyetik yükleme ile çekirdek neredeyse hiç doymamakta ve stator akımı prototip motor seviyesinde kalmaktadır. Kayıp dağılımının incelenmesi ayrıca stator oluklardan kaynaklanan yüksek harmonik kayıplara işaret etmektedir. Tezin ikinci odak noktası, toplam kaybın %13'ünü oluşturan harmonik çekirdek ve bakır kayıplarının azaltılmasıdır. Harmonik kaybı azaltmak için yarı kapalı stator olukları kullanılmıştır. Hava aralığındaki harmonik akı bileşenlerinin büyüklüğünün azalması, prototip motora kıyasla rotor yüzey çekirdek kaybını ve bakır kaybını %55 azaltmıştır. Ancak, yarı kapalı oluklar önceden sarılmış stator sargıları için tercih edilmemektedir. Bu sorunu çözmek için, yarı kapalı oluklara alternatif olarak stator açık olukları üzerine kılıf (sleeve) adı verilen ince bir silisli saç tabaka yerleştirilmiştir. Bu çözüm de prototip motora kıyasla harmonik kayıpları en fazla %55 azaltmaktadır. Benzetim çalışmalarında, kalan harmonik kaybın %40'ının rotor çubuklarında gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Rotor çubuklarındaki kayıp dağılımının incelenmesi, bu kayıpların çoğunluğunun, belirli bir derinliğe kadar bara içine nüfuz eden temel harmoniklerden kaynaklandığını göstermektedir. Dolayısıyla, rotor çubuklarının harmonik nüfuz derinliğinden daha derine yerleştirilmesiyle harmonik kayıpların daha da azaltılması mümkündür. Bu tezde, rotor çubuklarının temel harmoniklerin ulaştığı derinliğin ötesine yerleştirilmesiyle, harmonik rotor bakır kaybını azaltmayı amaçlayan, yeni rotor oluk tasarımları önerilmektedir. Eğimli oluk dudakları (tapered slot lips) ve boş üst oluk yapıları (empty-top slot) gibi tasarımlar temel harmoniklerden kaçınmaya yardımcı olmaktadır. Önerildiği şekilde çubuklar yerleştirildiğinde, harmonik rotor bakır kaybında %80'e kadar (0.73 kW'tan 0.15 kW'a) azalma sağlanabileceği bulunmuştur. Optimal iç çap, eğimli dudaklı rotor oluğu ve stator açık oluklar üzerine yerleştirilen kılıfın birleşimiyle oluşturulan yeni tasarım %95 verim sağlamaktadır. Yeni tasarımın güç faktörü hafifçe azalmış, ancak prototip motora kıyasla %2 içinde kalmıştır (0.87'ye karşı 0.88) ve kalkış momenti %3 artmıştır. Kılıf ve demir çerçeve bazı ek çekirdek kayıpları getirse de, toplam kayıplar prototip motora kıyasla 8.44 kW'tan 6.6 kW'a önemli ölçüde azalmıştır. Özellikle stator bakır kayıpları %12, rotor bakır kayıpları %47 ve rotor çekirdek kayıpları %75 azalmıştır. Lütfen dikkat ediniz ki yeni tasarımda harmonik kayıpların %80'i (rotor diş kaybı ve harmonik rotor bakır kaybı) prototip motora kıyasla ortadan kaldırılmıştır (1 kW'tan 0.19 kW'a). Örneğin, prototip motor bir PMSM olsaydı, verimi %96.1 olurdu (rotor bakır kaybı ve manyetize edici akım olmadığı varsayıldığında). Bu değer, %95 verime ulaşan geliştirilmiş yeni tasarım motora oldukça yakındır. Prototip motorun kayıp dağılım analizi, kayıpların %30'unun çekirdek kaybı olduğunu göstermektedir. Daha iyi bir çekirdek malzemesi arayışı yapılmıştır. JFE süper çelik 10JNEX900 malzemesi çekirdek laminasyonlarında kullanıldığında, yeni tasarımın veriminin %93.7 verimli prototip motora kıyasla %96.2'ye çıkarılabileceği bulunmuştur. Ayrıca farklı rotor çubuğu malzemeleri de araştırılmıştır. Bakır alüminyum oksit CuAl2O3 bu amaç için uygun bulunmuştur. FE analizleri, yeni çubuk malzemesiyle rotor bakır kaybında (120 W) ve verimde (%0.1) minimal bir iyileşme olduğunu göstermiştir. Bunun nedeni, prototip rotor çubuğu malzemesinin zaten yüksek iletkenliğe sahip olmasıdır. Özetle, bu tez, çekiş uygulamalarında indüksiyon motoru performansını artırmaya yönelik etkili bir tasarım yaklaşımı geliştirmektedir.

Filters

Settings

Sort By

Results per page

Search Results