Elektrikli araçlar için pil modülü tasarımı
Design of battery module for electric vehicles
Yazar: OSMAN ORHAN
Danışman: PROF. DR. ADNAN ÖZEL
Erzincan Binali Yıldırım Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Cam elyaf kompozitler = Glass fiber composites ; Elektrikli otomobiller = Electric cars ; Lityum iyon pil = Lithium ion battery ; Pil modülleri = Battery module ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Termomekanik = Thermomechanical ; Yüksek mertebeli sonlu elemanlar = Higher order finite elements

Özet:
Elektrikli araçların yaygın olarak kullanılmaya başlaması ile birlikte bu araçların ana bileşenini oluşturan lityum iyon pil hücreleri de önem kazanmıştır. Yanıcı ve patlayıcı doğası sebebiyle kaza anında neden olabileceği muhtemel hasarlar, bu pil hücrelerinin mekanik olarak daha az hasar alacak şekilde tasarlanmasını zorunluluk haline getirmiştir. Aynı zamanda verimliliğinin artması ve daha uzun erişim mesafeleri sağlaması bu araçların yaygınlaşması için ana sınırlandırıcılardan olmaktadır. Pillerin mekanik modellerinin oluşturulması ile düşük ağırlıklı, yüksek verimli ve daha dayanıklı pil gruplarının tasarlanmasına olanak sağlanabilecektir. Bu çalışmada lityum iyon pil hücrelerinin mekanik modellerinin efektif olarak oluşturulabilmesi için homojenize bir pil modeli geliştirilmiş ve literatürden elde edilen bilgilerle doğrulanmıştır. Oluşturulan bu homojenize pil modeli ile karbon fiber ve cam elyaf pil modülleri oluşturulmuş ve darbe analizleri gerçekleştirilmiştir. Buradan elde edilen bilgiler çerçevesinde farklı yerleşimlerin tespiti için otomatik CAD modellerinin üretilmesi sağlanmış ve çok amaçlı yerleşim optimizasyonu gerçekleştirilerek optimum yerleşimler tespit edilmiştir.
Standart ve optimize edilmiş yerleşimden elde edilen modeller ile sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiş ve sonuçlar incelenmiştir. Buna göre optimize modelin daha düşük ağırlıklarda benzer kapasite değerleri üretebileceği görülmüştür. Ayrıca analizlerde pillerin daha az hasara uğradığı ve kompozit modüllerin daha az deforme olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Electric vehicles (EV) supersede gasoline vehicles lately. Lithium-ion battery cells, which form the main component of EV, have also gained importance. Due to its flammable and explosive nature, the damages caused in the event of an accident have made it necessary to design these battery cells to take less mechanical damage. At the same time, increasing efficiency and providing longer range are the main constraints for the common use of these vehicles. With the creation of mechanical models of battery and modules, it will be possible to design low-weight, high-efficiency and more durable battery groups. In this study, a homogenized battery model has been developed and verified with the information obtained from the literature in order to create effective mechanical models of lithium-ion battery cells. With this homogenized battery model, carbon fiber and glass fiber battery modules were created, and impact analyzes were performed. Within the framework of the information obtained here, automatic CAD models were produced for the detection of different placements, and optimum models were determined by performing multi-objective optimization.
Finite element analysis was performed with the models obtained from standard and optimized layout and the results were examined. Accordingly, it has been observed that the optimized model can produce similar capacity values at lower weights. In addition, it was determined in the analyzes that the batteries were damaged less, and the composite modules were less deformed.