Riassunto analitico
Il pacco batterie di un veicolo elettrico è un complicato sistema elettromeccanico composto da elementi strutturali ed elettrici che devono essere preservati dall'intrusione di acqua, nebbie saline e polvere. Il pacco batterie è un sistema attivo in cui la reazione esotermica legata alla chimica dei moduli e l'effetto Joule aumentano la temperatura e, di conseguenza, la pressione all’interno del battery pack. La variazione della pressione interna sollecita gli elementi di protezione, cioè il coperchio, il sigillante, il basamento e il telaio, senza garantire più un’efficace tenuta. Per consentire la corretta compensazione tra la pressione interna ed esterna, vengono introdotte delle valvole di sfiato unidirezionali chiamate Venting Valve. Il focus della tesi è incentrato sul dimensionamento del sistema di ventilazione del battery pack. Per un corretto dimensionamento, verranno ottimizzate sia le dimensioni delle valvole di sfiato sia la posizione delle valvole stesse in funzione dei risultati ottenuti dalle analisi FEM e CFD dell’intero pacco batterie. A tale scopo è stato realizzato il modello 3D CAD del pacco batterie prendendo come riferimento il layout del battery pack montato sul veicolo elettrico Taycan di Porsche, costituito da moduli, busbar, battery frame, base plate e cover. Per validare il modello, sono state realizzate simulazioni FEM di analisi di shock a 10g di accelerazione lungo tutte e tre le direzioni per verificare la resistenza meccanico-strutturale dell'intero pacco batterie su cui devono essere montate le valvole di sfiato. Successivamente è stato analizzato il pacco batterie mediante simulazioni CFD in situazione di venting dei moduli per ottimizzare la fluidodinamica di sfiato delle valvole in situazioni di criticità.
Gli output delle simulazioni hanno evidenziato la regione del pacco batterie in cui la posizione delle valvole di venting ottimizza il comportamento di sfiato.
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Abstract
The battery pack of an electric vehicle is a complicated electromechanical system composed of structural and electrical elements that must be preserved from the intrusion of water, saline mist and dust. The battery pack is an active system in which the exothermic reaction linked to the chemistry of the modules and the Joule effect increase the temperature and, consequently, the pressure inside the battery pack. The variation of the internal pressure stresses the protective elements, that is the lid, the sealant, the base plate and the frame, without guaranteeing an effective seal. To allow the correct compensation between the internal and external pressure, unidirectional relief valves called Venting Valves are introduced. The focus of the thesis is centered on the sizing of the ventilation system of the battery pack. For correct sizing, both the size of the vent valves and the position of the valves themselves will be optimized according to the results obtained from the FEM and CFD analysis of the entire battery pack. For this purpose, the 3D CAD model of the battery pack was designed taking as a reference the layout of the battery pack mounted on Porsche's Taycan electric vehicle, consisting of modules, busbars, battery frame, base plate and cover. To validate the model, FEM simulations of shock analysis at 10g acceleration were carried out along all three directions to verify the structural resistance of the entire battery pack on which the vent valves must be mounted. Subsequently, the battery pack was analyzed with CFD simulations in venting situations of the modules to optimize the fluid dynamics of venting in critical situations.
The outputs of the simulations highlighted the region of the battery pack where the position of the venting valves optimizes the venting behavior.
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