Considering vibration in hybrid and electric non-road mobile machinery battery systems
Keränen, Juho (2020)
Diplomityö
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120299143
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120299143
Tiivistelmä
As the field of non-road mobile machines (NRMM) is going towards electrification their powertrains are starting to incorporate lithium-ion battery systems as the main on-board energy storage. The use of lithium-ion batteries includes safety risks. Some of the hazards can be caused by vibration which in some NRMM applications can come in abundance. Vibration can also influence the life of the batteries as well as result in fatigue failures in the battery system components and structures.
In this thesis, the consideration of vibration in the design of battery system and its placing and fixing onto the NRMM is studied by literature review. It is found that there are not many studies currently done on this topic. The difficulty of modelling and simulating vibration on vehicle battery systems is found less studied and more complex than anticipated. There are no standards or regulations for NRMM applications, and it is found that even for on-road electric vehicles the existing ones are currently not fully adequate.
There are three cell types for vehicle applications from which to choose: cylindrical, prismatic and pouch. It has been found in literature that for the cylindrical cell type (18650) there is a failure mechanic of moving mandrel damaging the tabs inside the cell. This can however be considered by choosing newer and qualified inner cell designs. The vibrational behaviours of all cell types are currently under study and no proper understanding of their failure mechanics have been developed yet. Concerns have been voiced on the validity of vibration test acceleration methods and damage accumulation methods due to the complex vibrational characteristics and behaviour of the cells under different excitation types. To reduce the effects of vibration to the battery system, structural rigidity, cell spacers, deformable electric terminals, thoughtful placing of the pack and damping methods such as engine rubber padding can be used. Liikkuvien työkoneiden ala on menossa kohti sähköistämistä ja niiden kyydissä kulkeva energiavarasto on tänä päivänä toteutettavissa parhaiten litiumioniakustolla. Tämän akkuteknologian käyttöön liittyy kuitenkin riskejä, joista osaan vaikuttaa akuston käytössä kokema värähtelyrasitus, jota taas osa työkonekäytön sovelluksista saattaa sisältää vaativiakin määriä. Värähtely voi myös vaikuttaa muun muassa akuston käyttöikään ja aiheuttaa väsymisestä johtuvia rikkoutumisia akuston eri osissa, kuten akkuliittimissä.
Tässä opinnäytetyössä tutkitaan kirjallisuuskatsauksen avulla värähtelyn huomioon ottamista liikkuvien työkoneiden litiumioniakuston ja sen kiinnityksien suunnittelussa. Työstä huomataan, että tätä aihealuetta koskien ei olla suoritettu paljoakaan tutkimusta julkisessa kirjallisuudessa, ja että värähtelyn mallintaminen ja simulointi akustolle on ennakoitua hankalampaa. Myöskään standardeja ja vaatimuksia värähtelyn testaamiselle liikkuvien työkoneiden akustossa ei ole kehitetty. Lisäksi näyttää siltä, että liikenneajoneuvoille osoitetut vastaavat eivät tällä hetkellä ole täysin tyydyttävällä tasolla.
Liikkuviin sovelluksiin on valittavissa kolme akkusolurakennetyyppiä: sylinterimäinen, särmiömäinen ja pussimainen. Sylinterimäiselle akkusolulle (18650) on värähtelytesteissä löytynyt eräs mekaaninen rikkoutumistapa, mutta se voidaan ottaa huomioon suosimalla uudempia ja testeissä pärjänneitä solumalleja. Kaikkien kolmen solutyypin värähtelykäyttäytyminen on tällä hetkellä vasta tutkinnassa eikä ymmärrystä niihin olla vielä saavutettu. Solutyyppien epäselvän ja epälineaarisen värähtelykäyttäytymisen takia kirjallisuudessa on herätty huoleen siitä, että menetelmät värähtelytestauksen nopeuttamiseksi ja menetelmät väsymisrasituksen kertymisen approksimoimiseksi saattavat olla epäluotettavia. Tapoja värähtelyn vaikutuksen minimoimiseksi ovat rakenteen jäykentäminen, solupaikottimien, periksiantavien sähköliitinrakenteiden ja vaimennussovellusten kuten kumipehmikkeiden käyttö sekä akuston järkevä sijoittaminen.
In this thesis, the consideration of vibration in the design of battery system and its placing and fixing onto the NRMM is studied by literature review. It is found that there are not many studies currently done on this topic. The difficulty of modelling and simulating vibration on vehicle battery systems is found less studied and more complex than anticipated. There are no standards or regulations for NRMM applications, and it is found that even for on-road electric vehicles the existing ones are currently not fully adequate.
There are three cell types for vehicle applications from which to choose: cylindrical, prismatic and pouch. It has been found in literature that for the cylindrical cell type (18650) there is a failure mechanic of moving mandrel damaging the tabs inside the cell. This can however be considered by choosing newer and qualified inner cell designs. The vibrational behaviours of all cell types are currently under study and no proper understanding of their failure mechanics have been developed yet. Concerns have been voiced on the validity of vibration test acceleration methods and damage accumulation methods due to the complex vibrational characteristics and behaviour of the cells under different excitation types. To reduce the effects of vibration to the battery system, structural rigidity, cell spacers, deformable electric terminals, thoughtful placing of the pack and damping methods such as engine rubber padding can be used.
Tässä opinnäytetyössä tutkitaan kirjallisuuskatsauksen avulla värähtelyn huomioon ottamista liikkuvien työkoneiden litiumioniakuston ja sen kiinnityksien suunnittelussa. Työstä huomataan, että tätä aihealuetta koskien ei olla suoritettu paljoakaan tutkimusta julkisessa kirjallisuudessa, ja että värähtelyn mallintaminen ja simulointi akustolle on ennakoitua hankalampaa. Myöskään standardeja ja vaatimuksia värähtelyn testaamiselle liikkuvien työkoneiden akustossa ei ole kehitetty. Lisäksi näyttää siltä, että liikenneajoneuvoille osoitetut vastaavat eivät tällä hetkellä ole täysin tyydyttävällä tasolla.
Liikkuviin sovelluksiin on valittavissa kolme akkusolurakennetyyppiä: sylinterimäinen, särmiömäinen ja pussimainen. Sylinterimäiselle akkusolulle (18650) on värähtelytesteissä löytynyt eräs mekaaninen rikkoutumistapa, mutta se voidaan ottaa huomioon suosimalla uudempia ja testeissä pärjänneitä solumalleja. Kaikkien kolmen solutyypin värähtelykäyttäytyminen on tällä hetkellä vasta tutkinnassa eikä ymmärrystä niihin olla vielä saavutettu. Solutyyppien epäselvän ja epälineaarisen värähtelykäyttäytymisen takia kirjallisuudessa on herätty huoleen siitä, että menetelmät värähtelytestauksen nopeuttamiseksi ja menetelmät väsymisrasituksen kertymisen approksimoimiseksi saattavat olla epäluotettavia. Tapoja värähtelyn vaikutuksen minimoimiseksi ovat rakenteen jäykentäminen, solupaikottimien, periksiantavien sähköliitinrakenteiden ja vaimennussovellusten kuten kumipehmikkeiden käyttö sekä akuston järkevä sijoittaminen.