Riassunto analitico
In questo lavoro è stata progettata una piastra di raffreddamento per batterie di un veicolo elettrico. Questo componente è prodotto con un particolare processo di unione tra due materiali che presenta alcuni vincoli di produzione da considerare nella fase di progettazione. Una simulazione di sistema è utilizzata per dimensionare il componente durante condizioni operative nominali, per stimare la sensitività delle prestazioni rispetto alle tolleranze produttive e, infine, per valutare il funzionamento in condizioni operative realistiche all'interno di una piattaforma veicolo.
Per prima cosa, un modello termico per le celle è stato costruito considerando il flusso di calore tra le celle e la piastra. Diversi percorsi per il fluido sono stati confrontati, al fine di selezionare il più performante. Nello specifico, il componente è stato valutato in base alla perdita di carico, la temperature massima e l'uniformità di temperatura tra le celle.
In secondo luogo, un modello completo di un veicolo attuale è stato costruito per determinare condizioni operative realistiche per il componente. Il modello è calibrato in base a dati di tear-down e validato su dati di autonomia reali in diverse condizioni.
Infine, la versione ottimizzata della piastra è stata inserita nel modello di veicolo e confrontata con una soluzione di gestione termica delle batterie allo stato dell'arte in base al tempo di riscaldamento/raffreddamento, la temperatura delle celle, la densità e l'impatto sull'autonomia.
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Abstract
This work concerns the design of a cooling plate for battery cells of a battery-electric vehicle (BEV). This component is produced with a particular two-material process which presents a number of manufacturing constraints to be considered during design. A system-simulation approach is used to dimension the component in nominal operating conditions, assess the sensitivity of the resulting performance with respect to manufacturing tolerances and, further, to calculate its performance in realistic conditions on a vehicle platform.
First, a thermal model for the battery stack is constructed, which considers the thermal flow between cells and cooling plate.
Several flow patterns are compared for the cooling plate, in order to select the best performing solution. More specifically, the resulting component designs are compared in terms of pressure drop, maximum temperature and temperature uniformity across battery cells.
Next, a complete vehicle model of a contemporary BEV is built in order to determine realistic operating conditions for the cooling plate. The model is calibrated on vehicle tear-down data and verified against real-world range data in a variety of conditions.
Finally, the optimized cooling plate design is inserted into the vehicle model and compared with a state-of-the-art cell-cooling solution in terms of battery heating/cooling time, cell temperature, energy density and impact on vehicle range.
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