Lityum iyon batarya paketi tasarımı ve termal kaçak simülasyonu

Abstract

Sanayi devrimi sonrası dünyada hızla artan üretim ve tüketim miktarları, atmosfere karbondioksit (CO2), metan (CH4) ve nitröz oksit (N2O) gibi sera gazlarının olması gerekenden daha fazla salınmasına neden olmuştur. Atmosfere salınan bu sera gazları, dünya sıcaklığının artmasına ve küresel ısınmaya neden olmaktadır. Bu durum dünyadaki tüm yaşayan canlıları doğrudan kötü etkilemekte ve dünyayı yaşanması zor bir yer haline getirmektedir. Sera gazları arasında emisyon yüzdesi en yüksek olan CO2'in birçok farklı sektörde kullanılan fosil yakıtların tüketilmesinden kaynaklanmaktadır. Bu sektörlerden biri de ulaşım sektörüdür. Fosil yakıtlara olan bağımlılığı ve CO2 emisyonunu düşürmek için ulaşım sektöründe, fosil yakıt tüketen içten yanmalı motorlu araçlara alternatif araçlar üretilmeye başlanmıştır. Hibrit, şarj edilebilir hibrit ve tamamen elektrikli araçlar bu alternatif araçlara örnek verilebilir. Hibrit ve şarj edilebilir hibrit araçlar bünyesinde elektrik motoru yanında fosil yakıt tüketen içten yanmalı motorlara sahiptirler. Fosil yakıt tüketimini devam etmesi ve dolayısıyla CO2 emisyonunun artması sebebiyle bu iki tür araçlar yerine, ulaşım sektöründeki eğilim tamamen elektrikli araçlar yönündedir. Bu yüzden elektrikli binek, ağır vasıta ve otobüs gibi tamamen elektrikli ulaşım araçları günden güne popülaritesini arttırmaktadır. Yüksek güç, yüksek kapasite ve temiz enerjiye sahip olan lityum iyon bataryalar bu elektrikli araçlarda kullanılmaktadır. Bataryalar birincil (şarj edilemez) ve ikincil (şarj edilebilir) bataryalar olmak ikiye ayrılmaktadır. Lityum iyon bataryalar da şarj edilebilir batarya sınıfında yer almaktadır. Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine ve elektrik enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürebilen lityum iyon bataryalar anot, katot, separatör ve elektrolit olmak üzere dört ana bileşenden oluşmaktadır. Lityum iyon bataryaların çalışma prensibi, lityum iyonlarının oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarının gerçekleştiği negatif (anot) ve pozitif (katot) elektrotlar arasında karşılıklı olarak yer değiştirmesi olarak tanımlanabilir. Lityum iyonlarının transferini elektrolit sağlarken, separatör iki elektrodu birbirinden ayırmakla görevlidir. Lityum iyon bataryalar elektrikli araçlarda batarya paketi olarak adlandırılan bir sistem içerisinde yer almaktadır. Lityum iyon batarya paketleri içerisinde temel olarak, birden fazla lityum iyon hücresinin paralel ve seri bağlanmasıyla oluşmuş modüller, modülleri birbirine elektriksel olarak bağlayan baralar, batarya paketinin diğer yüksek voltaj komponentleri ile bağlantısının sağlandığı konnektörler, lityum iyon hücrelerinin optimum sıcaklık aralığında çalışmasını sağlayan batarya termal yönetim sistemi ve lityum iyon hücrelerin voltaj ve sıcaklık değerlerini anlık olarak takip eden ve araçtaki kontrol ünitesi ile iletişimi sağlayan batarya yönetim sistemi bulunmaktadır. Lityum iyon batarya paketlerinin içerisindeki lityum iyon hücreleri son derece yüksek enerji yoğunluklarına sahip aktif malzemeler içermektedir. Yüksek enerji yoğunluklu aktif malzemelere sahip olmalarının yanı sıra yanıcılığı yüksek elektrolit malzemeleri de lityum iyon hücrelerinin içerisinde kullanılmaktadır. Olası iç ve dış etmenler sebebiyle hataya sürüklenen lityum iyon batarya hücrelerinde art arda ekzotermik reaksiyonlar gerçekleşir. Yüksek sıcaklık artışlarına neden olan bu ekzotermik reaksiyonlar termal kaçak olarak adlandırılır. Termal kaçak durumunu tetikleyen etmenlerden biri olan elektriksel kötüye kullanım, harici kısa devre, aşırı şarj ve aşırı deşarj durumlarında gözlemlenebilir. Bir diğer termal kaçak durumunu tetikleyen etmen, mekanik kötü kullanım durumudur. Hücrenin dışarıdan mekanik olarak deforme edilerek elektrotların birbiri ile temas etmesi sonucunda oluşan termal kaçak durumu mekanik kötüye kullanım olarak tanımlanmaktadır. Termal kötüye kullanım ve iç kısa devre durumları da termal kaçağı tetikleyen diğer etmenlerdir. Lityum iyon hücrelerin tasarım aşamasında güvenlik endişeleri ön plana alınmalı ve olası termal kaçak oluşumu önlenmelidir. Bu çalışmada dış çerçevesi mekanik olarak en zayıf ve mekanik deformasyon ile termal kaçağın tetiklenme riski en yüksek olan kese tipi hücre tercih edilmiştir. Pazarda yer alan elektrikli araçlarda kullanılan kese tipi lityum hücreleri karşılaştırılarak, kese tipi lityum iyon hücre tasarımı lisans numarası CAC-FPE-FSX-FTX-HCX-JTE-MPE-PRX-TRE olan CATIA V5 programı ile yapılmıştır. Daha sonra toplam 3 (1s3p, 1 seri 3 paralel) ve 9 (3s3p, 3 seri 3 paralel) adet hücre içeren ve aralarında sırasıyla 2 ve 8 adet ısı yalıtım süngeri olan lityum iyon batarya paketi tasarımları yapılmıştır. Isı yalıtım süngerlerinin batarya paketinin enerji yoğunluğunu düşürmemek için kalınlık değerleri 2, 1,8 ve 1,6 mm olarak seçilip bu kalınlıklar tasarımlara yansıtılmıştır. Bu iki lityum iyon batarya paketinin tasarımda tüm hücreler alüminyum baralar ile birbirine elektriksel olarak bağlantısı yapılmıştır. Tasarımların ağ örgü yapısı oluşturulduktan sonra lisans numarası 160.75.151.14 olan ANSYS Fluent yazılımı ile batarya paketi termal kaçak simülasyonları başlangıç sıcaklığı 27 °C ve termal kaçak tetiklenme sıcaklığı 57 °C olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Isı yalıtım süngerler malzemeleri olarak kullanılan mika1, mika2 ve cam elyaf malzemelerinin termal iletkenlik değerleri sırasıyla 0,12, 0,06 ve 0,03 Wm-1K-1 değerlerinde simülasyona girdi olarak verilmiştir. Termal kaçak simülasyonları bir hücrenin ortasından "nail penetration" olarak adlandırılan yarı çapı 0,005 m küre şeklinde bir mekanik deformasyon yaratılarak tetiklenmiştir. 1s3p ve 3s3p lityum iyon batarya paketinin her biri için 10'ar adet termal kaçak simülasyon sonuçlarına bakıldığında ısı yalıtım süngeri kullanımının termal kaçak yayılmayı yavaşlatmakta etkili olduğu gözlemlenmiştir. 1s3p lityum iyon batarya paketi ile yapılan 10 adet termal kaçak simülasyon sonuçlarına göre termal iletkenlik değeri ve kalınlık farkının birinci hücreden üçüncü hücreye termal kaçağın yayılmasına süre açısından bir farklılık yaratmadığı analiz edilmiştir. 3sp3p lityum iyon batarya paketi ile yapılan simülasyon sonuçlarında ise termal iletkenlik değeri ve kalınlık farkının termal kaçak simülasyon sonuçlarına etki ettiği görülmüştür. 1,6 mm kalınlıktaki farklı malzemeden üretilmiş ısı yalıtım süngerleri ile yapılan tüm test sonuçlarında termal kaçağın çok hızlı yayıldığı ve simülasyon sonuçlarına etkisinin çok az olduğu görülmüştür. Bu sebeple termal kaçak yayılma hızını düşürme amaçlanan projelerde bu kalınlıktaki üç farklı termal izolasyon süngerinin 9 adet ve daha fazla hücre içeren batarya paketlerinde işlevsiz olacağı sonucu çıkarılmıştır. Buna ek olarak, 2 mm ve 1,8 mm kalınlıklarında cam elyaf malzemesinden üretilen ısı yalıtım süngerleri içeren 3s3p lityum iyon batarya paketlerinin termal kaçak simülasyon sonuçlarında termal yayılım hızının en yavaş olduğu görülmüştür. Dolayısıyla en başarılı sonuçların 2 mm ve 1,8 mm kalınlıkta cam elyaf malzemesi ile edildiği analiz edilmiştir. Sonuç olarak, daha fazla hücre içeren lityum iyon batarya paketi termal kaçak analizlerinde ısı yalıtım malzemelerinin termal iletkenlik değeri düştükçe ve sünger kalınlığı arttıkça termal kaçak yayılmasının yavaşladığı simülasyon sonuçlarında tespit edilmiştir.