Numerical analysis and experimental verification of industrial lithium-ion batteries - Uysal, Recep (My University, 2022)
ENDÜSTRİYEL LİTYUM-İYON PİLLERİN SAYISAL ANALİZİ VE DENEYSEL DOĞRULAMASI Bu tez kapsamında Li-ion piller ile çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Batarya paketleri içerisinde, silindirik ve prizmatik Li-ion piller olmak üzere iki farklı pil kimyasının batarya paketleri içerisindeki davranışları incelenmiştir. Pillerin analizleri ANSYS Fluent ticari yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Sonrasında, deneyler yapılarak pillerin performansları ve termal sonuçları incelenmiştir. Analiz sonuçları ile deney sonuçları karşılaştırılmış ve çalışmaların birbiri ile olan uyumluluğu ortaya koyulmuştur. Tez çalışması iki gruba ayrılmıştır. İlk olarak, şarjlı bir elektrik süpürgesinde kullanılan batarya modülü yapısı incelenmiştir. Batarya modülü 7 adet LG INR 18650 tipi pillerin seri olarak bağlantı yapılmasıyla elde edilmiştir. Her bir pil 3,63V gerilime ve 12,5 Wh kapasiteye sahiptir. Batarya modülünde ilk olarak HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization) deneyleri gerçekleştirilmiştir. HPPC deneyleriyle, farklı ortam sıcaklıklarında ve SOC(State of Charge) değerlerindeki pillerin gerilim değerleri ölçülmüştür. HPPC deneylerinde elde edilen gerilim ve SOC değerleri, ANSYS Fluent Battery Modul analizlerinde kullanılmıştır. Bu analiz aracılığıyla, her pile ait, zamana bağlı ısı üretim değeri çıktıları elde edilmiştir. Elde edilen bu ısı üretim değerleri sonrasında Fluent Termal analizlerde ısı girdisi olarak kullanılmış ve tüm batarya modülü piller ile birlikte modellenmiştir. Bu analizler sayesinde batarya modülünün ısıl davranışı elde edilmiştir. Tez kapsamında yapılan ikinci çalışma ise, prizmatik piller kullanılarak elde edilen batarya modülünde gerçekleştirilen termal analizler ve deneyler olmuştur. Bu batarya modülü, telekom baz istasyonlarında kullanılmaktadır ve ilk projedeki elektrik süpürgesi batarya modülüne göre daha kapsamlı bir çalışmadır. Önceki projede olduğu gibi analiz ve deney sıralamaları aynı şekilde uygulanmıştır. Bu projede ayrıca batarya iç dirençleri ve akım değerlerine bağlı olarak kapasite hesabı da yapılmıştır. HPPC deneyleri yapılmış, tekil pillere ait çalışma performansları kaydedilmiştir. Sonrasında hesaplanan ısı çıktıları ile termal analizlere geçilmiştir. Termal analizler esnasında tüm batarya modülü analize dahil edilmiştir. Tüm kritik sıcaklık değerleri ve bölgeleri tespit edilmiştir. Ayrıca bu çalışmada, modül içerisinde düşük sıcaklıklarda şarj işlemini gerçekleştirmek için bir ön ısıtıcı ve batarya modülünün deşarjı sırasında elektronik bileşenlerde oluşacak yüksek sıcaklıkları engellemek için pasif soğutma sistemi de tasarlanmıştır. v Her iki proje için de, termal analizler tamamlandıktan sonra kritik sıcaklıklara sahip piller üzerine NTC sensörü yerleştirilerek deney hazırlıkları yapılmıştır. Elektrik süpürgesi batarya modülünde termal deneyler gerçekleştirilmiş ve analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Telekom baz istasyonu batarya modülünde ise tüm termal analizler ve soğutma analizleri gerçekleştirilmiş, kritik sıcaklık noktaları ve bölgeler belirlenmiştir. Fakat imalat süreçlerinin yetişmemesi ve parça tedarik süreçlerinin proje süresinde yetişmemesi sebebiyle, termal deneyler yapılamamıştır.

NUMERICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTAL VERIFICATION OF INDUSTRIAL LITHIUM-ION BATTERIES Within the scope of this thesis, Li-ion batteries studies were carried out. The behavior of two different battery chemistries in battery packs, cylindrical and prismatic Li-ion batteries, has been investigated. The analyzes of the batteries were performed with ANSYS Fluent commercial software. Afterwards, the performances and thermal results of the batteries were investigated by experiments. The results of the numerical analysis and the experiments were compared and the agreement between the studies was revealed. The thesis work is divided into two groups. First, the battery module structure in a rechargeable vacuum cleaner was investigated. The battery module is obtained by connecting 7 LG INR 18650 batteries in series. Each battery has a voltage of 3.63V and a capacity of 12.5 Wh. Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) experiments were carried out for the battery module at the beginning. With HPPC experiments, the voltage values of the batteries at different ambient temperatures and State of Charge (SOC) values were measured. Voltage and SOC values obtained in HPPC experiments were used in ANSYS Fluent Battery Module analysis. Through this analysis, time dependent heat generation value outputs of each battery were obtained. After that, Fluent Thermal analyzes were used as heat input and all battery modules were modeled together with the batteries. Thanks to these analyzes, the thermal behavior of the battery module has been obtained. The second study within the scope of the thesis was the thermal analyzes and experiments carried out on the battery module obtained by using prismatic batteries. This battery module was used in telecom base stations. A more comprehensive study has been carried out than the vacuum cleaner battery module in the first project. As in the previous project, the analysis and experiment sequences were applied in the same way. In this project, the capacity calculation was also made depending on the battery internal resistances and current values. HPPC experiments were carried out and the operating performances of individual batteries were recorded. Afterwards, thermal analyzes were carried out and these calculated heat outputs were used. During the thermal analysis, the entire battery module was included in the analysis. All critical temperature values and zones have been determined. In addition, in this study, a preheater was designed to perform the charging process at low temperatures inside the module, vii and a passive cooling system was designed to prevent high temperatures that would occur in the electronic components during the discharge of the battery module. For both projects, experiments were conducted by locating the NTC sensors on the batteries having critical temperatures after the thermal analysis was completed. Thermal experiments were carried out on the vacuum cleaner battery module and compared with the analysis results. In the telecom base station battery module, all thermal and cooling analyzes were carried out, and critical temperature points and regions were determined. However, thermal experiments could not be performed due to the lack of production processes and parts supply processes within the thesis period.
Keywords: ANSYS; Batarya Modülü; Battery Module; Deneysel Çalışmalar Tab Material; Electrochemical Analysis; Elektrokimyasal Analiz; Experimental Studies; Makine mühendisliği; Mechanical engineering; Tab Malzeme; Termal Analiz; Thermal Analysis