Lityum iyon batarya paketi tasarımı ve termal kaçak simülasyonu
Lithium-ion battery pack design and thermal propogation simulation
Yazar: ESER BERK YILMAZ
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
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.

Abstract:
In the world, after the industrial revolution, rapid increase in mass production and consumption have caused the release of more greenhouse gases such as carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) into the atmosphere. As known, these greenhouse gases leads to global warming thus dangering the life of all living creatures. CO2, which has the highest emission percentage among greenhouse gases, is caused by the consumption of fossil fuels used in many different sectors. One of these sectors is transportation. To reduce the dependence on fossil fuels and CO2 emission, alternative vehicles have started to be produced in the transportation sector. Hybrid, plug-in hybrid and fully electric vehicles are examples of these alternative vehicles. Hybrid and plug-in hybrid vehicles have both internal combustion engines that consume fossil fuels and electric motors. The trend in the transportation sector is the usage of fully electric vehicles. Goverments are encourgaing even forcing the sector to be electric. Therefore, the interest in fully electric transportation vehicles such as electric passenger cars, heavy vehicles and buses are increasing day by day. Batteries are one of the choice in the design of these vehicles. There are two types of batteries; primary (non-rechargeable) and secondary (rechargeable). Lithium-ion batteries (LIBs) are the most used ones due their high power, high capacity and clean energy.
LIBs can convert chemical energy into electrical energy and electrical energy into chemical energy. They consist of four main components: anode, cathode, separator and electrolyte. In LIBs, lithium ions shuttle between negative (anode) and positive (cathode) electrodes, where oxidation and reduction reactions take place. While electrolyte is mostly responsible of lithium ions transportation between anode and cathode, the separator is responsible for separating the two electrodes.
Electric vehicles have a batterypack system that includes lithium-ion batteries. Lithium-ion battery packs basically consist of five different components. Modules are formed by parallel and serial connection of many lithium-ion cells. Busbars connect the modules electrically. Connectors provide connection of battery pack with other high voltage components of a vehicle. Battery thermal management system enables lithium-ion cells to operate in the optimum temperature range. Finally, battery management system monitors the voltage and temperature of lithium-ion cells and provides communication with a vehicle control unit.
Lithium-ion cells contain active materials with extremely high energy densities. In addition to having high energy density active materials, commerically avaliable and most used electrolyte materials are liquid and they have high flammability and toxic. Exothermic reactions take place immediately among cells if internal and external abuse conditions occurs. These exothermic reactions lead to a sudden increase in temperature so called thermal runaway. Electrical abuse is one of the factors that trigger thermal runaway, is observed in cases of external short circuit, over-charge and over-discharge. Another trigger for thermal runaway is mechanical abuse. The thermal runaway occurs because of the contact of the electrodes with each other when there is a mechanical deform in lithium-ion cells. Thermal abuse and internal short-circuit are also other factors that trigger thermal runaway. Thus, in order to avoid thermal runaway in an electric vehicle, safety concerns must be prioritized and taking into serious consideration in the design of lithium-ion cells and battery packs. 
In this study, pouch type cells have been selected due to their weakest mechanical frame and their rather high risk of thermal runaway in case of mechanical deformation. The desing of pouch-type of lithium-ion cell used in this project made with the CATIA V5 program with license number CAC-FPE-FSX-FTX-HCX-JTE-MPE-PRX-TRE. The physical and electrical properties of the pouch cell have been defined after benchmarking of these cells that are using in the electrical vehicles.
Two battery packs have been designed as far as their electrical connection is concerned. One has 3 cells (1s3p, 1 serial and 3 paralel) and 9 (3s3p, 3 serial and 3 paralel) cells and 2 and 8 thermal insulation foams, respectively, were done. In order not to reduce the energy density of the battery pack, the thickness values of thermal insulation foams were chosen as 2, 1,8 and 1,6 mm and these thicknesses were implemented in the designs. In the design of these two lithium-ion battery packs, all cells are electrically connected to each other with aluminum busbars. After the mesh structure of the designs was created, the battery pack thermal runaway simulations were performed with the ANSYS Fluent software with the license number 160.75.151.14, with an initial temperature of 27 °C and a thermal runaway trigger temperature of 57 °C. The thermal conductivity values of mica1, mica2 and glass fiber materials used as thermal insulation foam materials were given as input to the simulation at the values of 0.12, 0.06 and 0.03 Wm-1K-1, respectively. Thermal runaway simulations were triggered by creating a spherical mechanical deformation of 0.005 m in radius, called "nail penetration", from the middle of a cell. Considering the 10 thermal runaway simulation results for each of the 1s3p and 3s3p lithium-ion battery packs, it has been observed that the use of thermal insulation foams is effective in slowing thermal propagation. According to the results of 10 thermal runaway simulations made with the 1s3p lithium-ion battery pack, it was analyzed that the thermal conductivity value and the thickness difference did not make a difference in terms of the time for the thermal runaway to propagate from the first cell to the third cell. In the simulation results made with the 3sp3p lithium-ion battery pack, it was seen that the thermal conductivity value and the thickness difference affect the thermal runaway simulation results. In all test results made with thermal insulation foam made of different materials with a thickness of 1,6 mm, it was observed that thermal runaway propagated very quickly and had little effect on the simulation results. For this reason, it has been concluded that three different thermal insulation foams of 1,6 mm thickness will be useless in battery packs containing 9 or more cells in terms of the rate of thermal runaway propagation. In addition, the thermal propagation rate of 3s3p lithium-ion battery packs containing thermal insulation sponges made of glass fiber material with thicknesses of 2 mm and 1,8 mm was found to be the slowest in the thermal runaway simulation results. Therefore, it was analyzed that the most successful results were obtained with usage of 2 mm and 1,8 mm thick glass fiber material. Finally, it was determined in the simulation results that the thermal runaway propagation rate is slowed down when the thermal conductivity value of the thermal insulation materials decreased, and the foam thickness increased in the battery packs containing 9 and more cells.