Thermal modelling of commercial lithium-ion batteries

The accelerating adoption of electrical technologies in vehicles over the recent years has led to an increase in the research on electrochemical energy storage systems, which are among the key elements in these technologies. The application of electrochemical energy storage systems for instance in hybrid electrical vehicles (HEVs) or hybrid mobile working machines allows tolerating high power peaks, leading to an opportunity to downsize the internal combustion engine and reduce fuel consumption, and therefore, CO2 and other emissions. Further, the application of electrochemical energy storage systems provides an option of kinetic and potential energy recuperation. Presently, the lithium-ion (Li-ion) battery is considered the most suitable electrochemical energy storage type in HEVs and hybrid mobile working machines. However, the intensive operating cycle produces high heat losses in the Li-ion battery, which increase its operating temperature. The Li-ion battery operation at high temperatures accelerates the ageing of the battery, and in the worst case, may lead to a thermal runaway and fire. Therefore, an appropriate Li-ion battery cooling system should be provided for the temperature control in applications such as HEVs and mobile working machines. In this doctoral dissertation, methods are presented to set up a thermal model of a single Li-ion cell and a more complex battery module, which can be used if full information about the battery chemistry is not available. In addition, a non-destructive method is developed for the cell thermal characterization, which allows to measure the thermal parameters at different states of charge and in different points of cell surface. The proposed models and the cell thermal characterization method have been verified by experimental measurements. The minimization of high thermal non-uniformity, which was detected in the pouch cell during its operation with a high C-rate current, was analysed by applying a simplified pouch cell 3D thermal model. In the analysis, heat pipes were incorporated into the pouch cell cooling system, and an optimization algorithm was generated for the estimation of the optimalplacement of heat pipes in the pouch cell cooling system. An analysis of the application of heat pipes to the pouch cell cooling system shows that heat pipes significantly decrease the temperature non-uniformity on the cell surface, and therefore, heat pipes were recommended for the enhancement of the pouch cell cooling system.

Alumiinipainevalujen purseen- ja jäysteenpoiston kehitysmahdollisuudet

Valupurseiden ja jäysteiden poistaminen on osa alumiinipainevalujen tuotantoprosessia. Työssä on tutkittu käytössä olevien ja uusien menetelmien mahdollisuuksia taloudellisempaan tuotantoon. Purseiden ja jäysteiden poistamiseen käytettävien menetelmien lisäksi tutkimuskohteita ja ideoita on haettu muista metallien työstömenetelmistä. Valupurseiden ja jäysteiden määritelmiä, muodostumista ja luokittelua on esitelty laajasti. Menetelmien tutkimus on painottunut valupurseiden poistamiseen ja valun jälkeistä leikkaamista on tutkittu erityisesti sisäpuolisten muotojen työstämiseen käytettyjen pistintyökalujen kautta. Muotin ulostyöntötapin purseen poistaminen on ollut tärkeä asia menetelmien tutkimuksissa. Valupurseiden, leikkaus- ja koneistusjäysteiden poistamiseksi lastuavista työstömenetelmistä tutkittuja ovat koneistaminen koneistuskeskuksella, aventaminen, hiertopuhallus, suihkuhiertäminen, vesisuihkuleikkaus, ultraäänityöstö, harjaus, painehiertäminen, hiominen kohdistetuilla ja kohdistamattomilla menetelmillä. Myös terminen jäysteenpoistomenetelmä (TEM), kemiallinen työstö (ECM) ja laserleikkaus on otettu esiin tutkimuksessa. Työn tuloksena on näkemys tutkittujen menetelmien jatkokehitystarpeesta ja mahdollisuudesta soveltaa niitä sarjatuotantoon.

Magnetic Resonance Experiments with Atomic Hydrogen

In this thesis three experiments with atomic hydrogen (H) at low temperatures T<1 K are presented. Experiments were carried out with two- (2D) and three-dimensional (3D) H gas, and with H atoms trapped in solid H2 matrix. The main focus of this work is on interatomic interactions, which have certain specific features in these three systems considered. A common feature is the very high density of atomic hydrogen, the systems are close to quantum degeneracy. Short range interactions in collisions between atoms are important in gaseous H. The system of H in H₂ differ dramatically because atoms remain fixed in the H₂ lattice and properties are governed by long-range interactions with the solid matrix and with H atoms. The main tools in our studies were the methods of magnetic resonance, with electron spin resonance (ESR) at 128 GHz being used as the principal detection method. For the first time in experiments with H in high magnetic fields and at low temperatures we combined ESR and NMR to perform electron-nuclear double resonance (ENDOR) as well as coherent two-photon spectroscopy. This allowed to distinguish between different types of interactions in the magnetic resonance spectra. Experiments with 2D H gas utilized the thermal compression method in homogeneous magnetic field, developed in our laboratory. In this work methods were developed for direct studies of 3D H at high density, and for creating high density samples of H in H₂. We measured magnetic resonance line shifts due to collisions in the 2D and 3D H gases. First we observed that the cold collision shift in 2D H gas composed of atoms in a single hyperfine state is much smaller than predicted by the mean-field theory. This motivated us to carry out similar experiments with 3D H. In 3D H the cold collision shift was found to be an order of magnitude smaller for atoms in a single hyperfine state than that for a mixture of atoms in two different hyperfine states. The collisional shifts were found to be in fair agreement with the theory, which takes into account symmetrization of the wave functions of the colliding atoms. The origin of the small shift in the 2D H composed of single hyperfine state atoms is not yet understood. The measurement of the shift in 3D H provides experimental determination for the difference of the scattering lengths of ground state atoms. The experiment with H atoms captured in H2 matrix at temperatures below 1 K originated from our work with H gas. We found out that samples of H in H2 were formed during recombination of gas phase H, enabling sample preparation at temperatures below 0.5 K. Alternatively, we created the samples by electron impact dissociation of H₂ molecules in situ in the solid. By the latter method we reached highest densities of H atoms reported so far, 3.5(5)x10¹⁹ cm^-3. The H atoms were found to be stable for weeks at temperatures below 0.5 K. The observation of dipolar interaction effects provides a verification for the density measurement. Our results point to two different sites for H atoms in H2 lattice. The steady-state nuclear polarizations of the atoms were found to be non-thermal. The possibility for further increase of the impurity H density is considered. At higher densities and lower temperatures it might be possible to observe phenomena related to quantum degeneracy in solid.

Wet oxidation of biomass for chemical production

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli tutkia märkähapetusprosessia jätevesien käsittely-menetelmänä ja mahdollisena menetelmänä kemikaalien tuottamiseksi jätevesistä. Erityishuomio on kiinnitetty paperiteollisuudessa syntyviin jätevesiin. Teoriaosassa käsitellään vesikiertoja paperitehtaassa, paperitehtaalla syntyvän jäteveden ominaisuuksia sekä itse märkähapetusprosessia. Märkähapetusprosessissa perehdytään tavalliseen happea käyttävään märkähapetukseen sekä vetyperoksidia käyttävään menetelmään sekä näissä prosesseissa syntyviin väli- ja lopputuotteisiin. Märkähapetus (WO) on terminen hapetusmenetelmä, jolla voidaan käsitellä jätevesiä, jotka ovat liian konsentroituja biologisiin käsittelyihin tai jotka ovat huonosti biohajoavia. Märkähapetuksen tarkoituksena on parantaa molekulaarisen hapen ja orgaanisen aineen välistä kontaktia, jolloin orgaaninen aines pilkkoutuu muodostaen pääasiassa karboksyylihappoja, aldehydejä, hiilidioksidia ja vettä. Märkähapetuksessa hapettavana kaasuna voidaan käyttää joko puhdasta happea tai ilmaa. Vetyperoksidia käyttävässä märkähapetuksessa (WPO) hapettava kaasu on korvattu nestemäisellä vetyperoksidilla. Kokeellisessa osassa tutkittiin orgaanisen aineksen hapetusta käyttäen Fentonin reagenssia, jolloin katalyyttina reaktiossa toimii rautaionit (Fe2+ ja Fe3+) ja hapettimena vetyperoksidi. Hapetettavana jätevetenä käytettiin paperitehtaan hiomolta saatua kiertovettä, TMP-vettä. Hapetuskokeita tehtiin eri vetyperoksidin annoksilla ja katalyytin määrillä eri lämpötiloissa. Hapetuksen jälkeen näytteistä mitattiin kemiallinen hapenkulutus (COD), orgaanisen hiilen kokonaismäärä (TOC) sekä pH. Lisäksi näytteistä määritettiin nestekromatografilla (HPLC) tyypillisten välituotteiden, kuten oksaalihapon, muurahaishapon ja etikkahapon, määrät. Tehdyissä kokeissa COD-arvoja saatiin pienennettyä 50-88 % siten, että suodatetuissa näytteissä muutos oli suurempi kuin suodattamattomissa näytteissä. Lisäksi TOC-arvot laskivat 28-58 %. Tehdyissä kokeissa saatiin myös tuotettua välituotteina karboksyylihappoja, joista etikkahappoa ja oksaalihappoa tuotettiin suurimmat määrät. Myös muurahaishappoa ja meripihkahappoa saatiin tuotettua.

Modelling the super-equilibria in thermal biomass conversion : applications and limitations of the constrained free energy method

Bioenergi ses som en viktig del av det nu- och framtida sortimentet av inhemsk energi. Svartlut, bark och skogsavfall täcker mer än en femtedel av den inhemska energianvändningen. Produktionsanläggningar kan fungera ofullständigt och en mängd gas-, partikelutsläpp och tjära produceras samtidigt och kan leda till beläggningsbildning och korrosion. Orsaken till dessa problem är ofta obalans i processen: vissa föreningar anrikas i processen och superjämviktstillstånd är bildas. I denna doktorsavhandling presenteras en ny beräkningsmetod, med vilken man kan beskriva superjämviktstillståndet, de viktigaste kemiska reaktionerna, processens värmeproduktion och tillståndsstorheter samtidigt. Beräkningsmetoden grundar sig på en unik frienergimetod med bivillkor som har utvecklats vid VTT. Den här så kallade CFE-metoden har tidigare utnyttjats i pappers-, metall- och kemiindustrin. Applikationer för bioenergi, vilka är demonstrerade i doktorsavhandlingen, är ett nytt användingsområde för metoden. Studien visade att beräkningsmetoden är väl lämpad för högtemperaturenergiprocesser. Superjämviktstillstånden kan uppstå i dessa processer och det kemiska systemet kan definieras med några bivillkor. Typiska tillämpningar är förbränning av biomassa och svartlut, förgasning av biomassa och uppkomsten av kväveoxider. Också olika sätt att definiera superjämviktstillstånd presenterades i doktorsavhandlingen: empiriska konstanter, empiriska hastighetsuttryck eller reaktionsmekanismer kan användas. Resultaten av doktorsavhandlingen kan utnyttjas i framtiden i processplaneringen och i undersökning av nya tekniska lösningar för förgasning, förbränningsteknik och biobränslen. Den presenterade metoden är ett bra alternativ till de traditionella mekanistiska och fenomenmodeller och kombinerar de bästa delarna av både. --------------------------------------------------------------- Bioenergia on tärkeä osa nykyistä ja tulevaa kotimaista energiapalettia. Mustalipeä, kuori ja metsätähteet kattavat yli viidenneksen kotimaisesta energian kulutuksesta. Tuotantolaitokset eivät kuitenkaan aina toimi täydellisesti ja niiden prosesseissa syntyy erilaisia kaasu- ja hiukkaspäästöjä, tervoja sekä prosessilaitteita kuluttavia saostumia ja ruostumista. Usein syy näihin ongelmiin on prosessissa esiintyvä epätasapainotila: tietyt yhdisteet rikastuvat prosessissa ja muodostavat supertasapainotiloja. Väitöstyössä kehitettiin uusi laskentamenetelmä, jolla voidaan kuvata nämä supertasapainotilat, tärkeimmät niihin liittyvät kemialliset reaktiot, prosessin lämmöntuotanto ja tilansuureet yhtä aikaa. Laskentamenetelmä perustuu VTT:llä kehitettyyn ainutlaatuiseen rajoitettuun vapaaenergiamenetelmään. Tätä niin kutsuttua CFE-menetelmää on aiemmin sovelluttu onnistuneesti muun muassa paperi-, metalli- ja kemianteollisuudessa. Väitöstyössä esitetyt bioenergiasovellukset ovat uusi sovellusalue menetelmälle. Työ osoitti laskentatavan soveltuvan hyvin korkealämpöisiin energiatekniikan prosesseihin, joissa kemiallista systeemiä rajoittavia tekijöitä oli rajallinen määrä ja siten super-tasapainotila saattoi muodostua prosessin aikana. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat biomassan ja mustalipeän poltto, biomassan kaasutus ja typpioksidipäästöt. Työn aikana arvioitiin myös erilaisia tapoja määritellä super-tasapainojen muodostumista rajoittavat tekijät. Rajoitukset voitiin tehdä teollisiin mittauksiin pohjautuen, kokeellisia malleja hyödyntäen tai mekanistiseen reaktiokinetiikkaan perustuen. Tulevaisuudessa väitöstyön tuloksia voidaan hyödyntää prosessisuunnittelussa ja tutkittaessa uusia teknisiä ratkaisuja kaasutus- ja polttotekniikoissa sekä biopolttoaineiden tutkimuksessa. Kehitetty menetelmä tarjoaa hyvän vaihtoehdon perinteisille mekanistisille ja ilmiömalleille yhdistäen näiden parhaita puolia.

Thermal reactions of the major hydrocarbon components of biomass gasification gas

Gasification of biomass is an efficient method process to produce liquid fuels, heat and electricity. It is interesting especially for the Nordic countries, where raw material for the processes is readily available. The thermal reactions of light hydrocarbons are a major challenge for industrial applications. At elevated temperatures, light hydrocarbons react spontaneously to form higher molecular weight compounds. In this thesis, this phenomenon was studied by literature survey, experimental work and modeling effort. The literature survey revealed that the change in tar composition is likely caused by the kinetic entropy. The role of the surface material is deemed to be an important factor in the reactivity of the system. The experimental results were in accordance with previous publications on the subject. The novelty of the experimental work lies in the used time interval for measurements combined with an industrially relevant temperature interval. The aspects which are covered in the modeling include screening of possible numerical approaches, testing of optimization methods and kinetic modelling. No significant numerical issues were observed, so the used calculation routines are adequate for the task. Evolutionary algorithms gave a better performance combined with better fit than the conventional iterative methods such as Simplex and Levenberg-Marquardt methods. Three models were fitted on experimental data. The LLNL model was used as a reference model to which two other models were compared. A compact model which included all the observed species was developed. The parameter estimation performed on that model gave slightly impaired fit to experimental data than LLNL model, but the difference was barely significant. The third tested model concentrated on the decomposition of hydrocarbons and included a theoretical description of the formation of carbon layer on the reactor walls. The fit to experimental data was extremely good. Based on the simulation results and literature findings, it is likely that the surface coverage of carbonaceous deposits is a major factor in thermal reactions.

VVER-440 Thermal Hydraulics as a Computer Code Validation Challenge

This thesis concentrates on the validation of a generic thermal hydraulic computer code TRACE under the challenges of the VVER-440 reactor type. The code capability to model the VVER-440 geometry and thermal hydraulic phenomena specific to this reactor design has been examined and demonstrated acceptable. The main challenge in VVER-440 thermal hydraulics appeared in the modelling of the horizontal steam generator. The major challenge here is not in the code physics or numerics but in the formulation of a representative nodalization structure. Another VVER-440 specialty, the hot leg loop seals, challenges the system codes functionally in general, but proved readily representable. Computer code models have to be validated against experiments to achieve confidence in code models. When new computer code is to be used for nuclear power plant safety analysis, it must first be validated against a large variety of different experiments. The validation process has to cover both the code itself and the code input. Uncertainties of different nature are identified in the different phases of the validation procedure and can even be quantified. This thesis presents a novel approach to the input model validation and uncertainty evaluation in the different stages of the computer code validation procedure. This thesis also demonstrates that in the safety analysis, there are inevitably significant uncertainties that are not statistically quantifiable; they need to be and can be addressed by other, less simplistic means, ultimately relying on the competence of the analysts and the capability of the community to support the experimental verification of analytical assumptions. This method completes essentially the commonly used uncertainty assessment methods, which are usually conducted using only statistical methods.

A modified nominal stress method for fatigue assessment of steel plates with thermally cut edges

Thermal cutting methods, are commonly used in the manufacture of metal parts. Thermal cutting processes separate materials by using heat. The process can be done with or without a stream of cutting oxygen. Common processes are Oxygen, plasma and laser cutting. It depends on the application and material which cutting method is used. Numerically-controlled thermal cutting is a cost-effective way of prefabricating components. One design aim is to minimize the number of work steps in order to increase competitiveness. This has resulted in the holes and openings in plate parts manufactured today being made using thermal cutting methods. This is a problem from the fatigue life perspective because there is local detail in the as-welded state that causes a rise in stress in a local area of the plate. In a case where the static utilization of a net section is full used, the calculated linear local stresses and stress ranges are often over 2 times the material yield strength. The shakedown criteria are exceeded. Fatigue life assessment of flame-cut details is commonly based on the nominal stress method. For welded details, design standards and instructions provide more accurate and flexible methods, e.g. a hot-spot method, but these methods are not universally applied to flame cut edges. Some of the fatigue tests of flame cut edges in the laboratory indicated that fatigue life estimations based on the standard nominal stress method can give quite a conservative fatigue life estimate in cases where a high notch factor was present. This is an undesirable phenomenon and it limits the potential for minimizing structure size and total costs. A new calculation method is introduced to improve the accuracy of the theoretical fatigue life prediction method of a flame cut edge with a high stress concentration factor. Simple equations were derived by using laboratory fatigue test results, which are published in this work. The proposed method is called the modified FAT method (FATmod). The method takes into account the residual stress state, surface quality, material strength class and true stress ratio in the critical place.