Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorHansen, Eilif Hugo
dc.contributor.advisorRunde, Magne
dc.contributor.authorHoltet, Trym Leivestad
dc.date.accessioned2021-10-20T17:28:57Z
dc.date.available2021-10-20T17:28:57Z
dc.date.issued2021
dc.identifierno.ntnu:inspera:79786156:39515784
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/2824277
dc.descriptionFull text not available
dc.description.abstractFor at verden skal bevege seg mot et klimanøytralt samfunn, må nye og gamle teknologier stadig forbedres. Batterisystemer er en av disse teknologiene. Batterisystemer brukes i flere og flere områder der det ikke tidligere ble ansett som økonomisk lønnsomt. Elektrifiserte marinefartøy er et av disse områdene. Store batterisystemer er nødvendig for å forsyne et marint fartøy med nok energi. Anvendelsen av disse store batterisystemene er blant annet avhengig av pris og vekt. I dag benyttes kobber i stor grad i de strømførende delene av batterisystemet, men ved å skifte til aluminium kan både kostnader og vekt potensielt reduseres. Aluminium er ikke ukjent for å erstatte kobber i elektriske systemer, men aluminium i kretser som inneholder integrerte sikringer er en ny tilnærming som må testes og verifiseres nøye. Denne masteroppgaven har undersøkt aluminium som erstatning for kobber som elektriske ledere med integrerte smeltbare innsnevringer mellom battericellemodulene. For å undersøke aluminium til dette formålet, er resultater fra både laboratorieeksperimenter, så vel som simuleringer med COMSOL Multiphysics diskutert og analysert. I det gitte systemet må innsnevringene konstrueres slik at en nominell strøm på 200A, samt startstrømmer på 400A i 10 sekunder og 600A i ett sekund, tolereres uten å overskride en gitt temperaturgrense. Den største begrensningen når det gjelder skaleringen av innsnevringene er funnet å være temperaturbegrensningen ved nominell strøm. Det er kommet frem til at innsnevringen laget av aluminium trenger et tverrsnitt som er omtrent 3 ganger større enn om det benyttes kobber. Selv med samme tverrsnitt er det observert at aluminium danner mer gnister enn kobber når innsnevringen smelter av overstrøm. Det er også observert at aluminium frastøter seg store smeltede partikler. Dette er ikke observert med kobber. Dannelsen av disse partiklene øker betydelig med større tverrsnitt. Det er ingen tvil om at dette potensielt kan forårsake ekstra skade på de omkringliggende komponentene, og dette er noe av grunnen til at kommersielle sikringer er innkapslet og ofte består av et fyllmateriale for å slukke lysbuene. Smeltetiden er også studert i denne oppgaven. Et relativt stort tverrsnitt er nødvendig for at temperaturen i innsnevringen ikke skal overskride grenseverdien. Dette resulterer i hva anses som veldig lange smeltetider. Dette gjelder både for kobber og aluminium. En kobberinnsnevring med et tverrsnitt på 6mm^2 og en lengde på 10$mm$, kreves en strøm på minst 2000A for en smeltetid på mindre enn ett sekund. En enda større strøm er nødvendig for kortere innsnevringslengder. For aluminium med et tverrsnitt på 20mm^2 og 10mm lengde, kreves det en strøm på minst 3200A. For en kommersiell sikring som anses som godkjent for det gitte formålet, er 800A til 1000A tilstrekkelig for å oppnå en smeltetid på maksimalt ett sekund. For å kunne bruke aluminium som materiale i slike innsnevringer, der tverrsnittet er betydelig større enn ved bruk av kobber, bør både innkapsling og bruk av "M-effekt"-materiale vurderes for å øke sikkerheten og redusere smeltetiden.
dc.description.abstractFor the world to move towards a climate-neutral society, new and old technologies must constantly be improved. Battery systems are one of these technologies. Battery systems are used in more and more areas where it was not previously considered economically profitable. Electrified marine vessels are one of these areas. Large battery systems are needed to supply a marine vessel with enough energy. The use of these large battery systems depends, among other things, on price and weight. Today, copper is widely used as conductors in the battery system, but by changing to aluminium, both cost and weight can potentially be reduced by a lot. Aluminum is not unknown for replacing copper in electrical systems, but aluminum in circuits containing integrated fuses is a new approach that must be carefully tested and verified. This master's thesis has investigated aluminum as a replacement for copper as electrical conductors with integrated fusible constrictions between the battery cell modules. To investigate aluminium for this purpose, results from both laboratory experiments as well as simulations with COMSOL Multiphysics have been discussed and analyzed in this report. In the given system, the constrictions must be designed so that a nominal current of 200A and inrush currents of 400A for 10 seconds and 600A for one second are tolerated without exceeding a given temperature limit. The most significant limitation regarding the scaling of the constrictions has been found to be the temperature limitation with the nominal current. It has been concluded that the constriction made of aluminum needs a cross section about 3 times larger than if copper is used. If this is achieved, the temperature increase of inrush currents is not a problem. Even with the same cross section, it has been observed that aluminum forms more sparks than copper when the constriction melts due to overcurrent. It has also been observed that aluminum repels large molten particles. This has not been observed with copper. The formation of these particles increases significantly with a larger cross section. There is no doubt that this can potentially cause additional damage to the surrounding components. This is one reason why commercial fuses are encapsulated and often consist of filler material to extinguish the arcs. The melting time is also studied in this thesis. Since a relatively large cross section is necessary to prevent the temperature increase from exceeding the limit, it results in what is considered as very long melting times. Both copper and aluminum apply to this. A copper constriction with a cross section of 6mm^2 and a length of 10mm, needs a current of at least 2000A to melt in less than one second. An even greater current is required for shorter constriction lengths. For aluminum with a cross section of 20mm^2 and 10mm length, a current of at least 3200A is required. For a commercial fuse that is considered approved for the given purpose, 800A to 1000A is sufficient to achieve a melting time of a maximum of one second. In order to be able to use aluminum as a material in such constrictions where the cross section is significantly larger than when using copper, both encapsulation and the use of an "M-effect" material should be considered to increase safety and reduce the melting time.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleAluminium Fuses for Li-ion Battery Systems
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

FilerStørrelseFormatVis

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel