Battery disconnect unit (BDU) high voltage connection units thermal analysis

Abstract

2015 yılından itibaren birçok hükümet, gaz emisyonlarını azaltma çabalarının bir parçası olarak elektrikli araçların benimsenmesini teşvik etmeye başlamıştır. 2030 yılından sonra elektrikli araç satışının 30 milyon adeti geçmesi beklenmektedir. Elektrikli aracın en kritik birimi olan batarya teknolojilerinin hızla gelişmesi, elektrikli araçların yaygınlaşmasında önemli rol oynamaktadır. Yüksek voltajlı bataryalardan kaynaklanan elektrik arızaları ciddi hasara neden olabilir. Batarya kontrol ünitesi aşırı akım, kaza, akü şarj arızaları ve elektrik sızıntısı durumlarında devre bağlantısını kesmekle görevlidir. Bu nedenle, Batarya Akım Kesme Ünitesinin termal analizi, güvenli ve daha kompakt tasarımlar yapılıp kısa sürede test edilmesini sağlar. Bu çalışma, elektrikli araç bataryalarında bulunan Batarya Akım Kesme Ünitesinin sistemlerinin ve ünitenin içinde bulunan baraların termal simülasyonunu içermektedir. Ünite FEV Türkiye'nin test düzeneği geliştirme projesidir. Daha sonra Katı model Doğuş Üniversitesi bünyesinde yer alan lisans kullanılarak ANSYS 2023 R2 yazılımında termal analize tabi tutulmuştur. Üretilen prototip Türkiye'de bulunan Global bir pil üreticisinin laboratuvar ortamında teste edilmiştir. Batarya Akım kesme Ünitesinin proje hedefi olan 400A akım altında en az 5 dakika çalışma süresi deneysel testlerde 8 dakika olarak uygulanmıştır. Termal simülasyon sonuçları ile deneysel testlerle elde edilen sıcaklıklar karşılaştırılmıştır. 24 adet koşul oluşturulmuş ve ortam sıcaklığı ve hava taşınım katsayısı değişken olarak uygulanmıştır. Taşınım ile ısı transferinin sıcaklığa etkisi ve ortam sıcaklığının bu katsayıya etkisi incelenmiştir. Deneysel veriler ile karşılaştırılan simülasyon verileri arasındaki hata oranı %0,10-%5,62 arasında elde edilmiştir. Batarya Akım kesme ünitesinde bulunan baralar kesit ve uzunluklarına göre teorik hesaplamalar ile simülasyon bilgileri karşılaştırılmış sonuçlarının uyuştuğu gözlemlenmiştir. Sonuç olarak bu tez, Batarya akım kesme ünitesinin termal performansını inceleyerek hava taşınım katsayısının etkilerini ve baraların kesit ve uzunluklarına bağlı değişimlerini incelemiştir. Bu çalışmanın elektrikli araç teknolojisinin daha da ilerlemesine katkı sağlayacağı öngörülmektedir.

Since 2015, many governments have started encouraging the adoption of electric vehicles as part of their efforts to reduce gas emissions. After 2030, electric vehicle sales are expected to exceed 30 million units. The rapid development of battery technologies, the most critical unit of an electric vehicle, plays a major role in the spread of electric vehicles. Electrical failures caused by high-voltage batteries can cause serious damage. The Battery Disconnect Unit (BDU) is responsible for disconnecting the circuit in case of excess current, accident, battery charging failure and electricity leakage. Therefore, the thermal analysis of the Battery Disconnect Unit enables safer and more compact designs to be made and tested in a short time. This study includes a thermal simulation of the Battery Disconnect Unit in electric vehicle batteries and the busbars inside the unit. The Unit project is a test device development project conducted by FEV Turkey. This model was subjected to thermal analysis in the ANSYS using a license belongs to Doğuş Üniversitesi. The prototype has been tested in a laboratory by a global cell manufacturer based in Turkey. The project target of the Battery Current Disconnect Unit was at least 5 minutes under 400A current, which was implemented for 8 minutes in experimental tests. The results of the thermal simulation were compared with the temperatures obtained from experimental tests. The 24 condition were created and each condition applied variable ambient temperature and convection heat transfer coefficient. The effect of convection transfer coefficient on temperature and the effect of ambient temperature on this coefficient has been studied. The error rate between simulation data compared with experimental data was between 0.10%-5.62%. The theoretical information compared to the busbars in the Unit was observed in the simulation. As a result, this thesis examined the thermal performance of the Battery Disconenct Unit by studying the effects of the convection heat transfer coefficient and the changes in the cross sections and lengths of the busbars. The study is expected to contribute to the further advancement of electric vehicle technology.