CFD thermal analysis of a high-voltage battery pack for plug-in hybrid vehicle applications

Questa tesi magistrale è stata realizzata in collaborazione con la Divisione Aerothermal di Fiat Chrysler Automobiles, oggi Stellantis. Negli ultimi anni l’industria automotive sta rapidamente spostando la sua attenzione dai veicoli con motore a combustione interna a veicoli elettrificati ed elettrici. In questo contesto, si rende necessario sviluppare modelli e metodologie che permettano di ottimizzare e semplificare il lavoro ingegneristico richiesto da queste nuove tecnologie. Questo lavoro rientra in tale obiettivo. Lo scopo di questa tesi è sviluppare una simulazione fluidodinamica CFD (Computational Fluid Dynamics) ed un modello termico in grado di calcolare la distribuzione di temperatura tridimensionale delle celle di un pacco batterie ad alto voltaggio per applicazioni su veicoli Plug-in Hybrid (PHEV) o elettrici. Il modello termico di un veicolo completo (Jeep Compass PHEV), sviluppato con il software Taitherm, è integrato con un circuito elettrico equivalente NTG per calcolare il calore dissipato dalle celle. Questo modello è accoppiato con una simulazione CFD (realizzata con STAR-CCM+) del veicolo al fine di calcolare lo scambio termico convettivo. E’ usata una strategia di analisi accoppiata al fine di calcolare dei lunghi cicli di guida non stazionari. Infatti, una simulazione CFD transitoria richiederebbe dei tempi di calcolo troppo lunghi per un modello complesso. Il modello Taitherm è, invece, molto più leggero della simulazione fluidodinamica CFD e può essere usato per analisi non stazionarie. Il modello CFD è, quindi, usato per simulazioni stazionarie in diversi punti di accoppiamento tra i due modelli, posti in diverse posizioni temporali della analisi del transitorio. Il modello è stato validato con un test sperimentale nella galleria climatica di Stellantis, nella quale sono stati testati diversi cicli di guida per validare il modello in diverse condizioni di utilizzo del veicolo. I risultati ottenuti dalle simulazioni mostrano una buona accuratezza rispetto ai dati sperimentali in ogni condizione di guida testata. La distribuzione di temperatura, un parametro molto importante per le simulazioni di batterie, è generalmente calcolata con precisione. Questo modello può costituire, in futuro, uno strumento versatile che potrebbe essere usato per caratterizzare e prevedere le prestazioni di un pacco batterie nelle fasi iniziali dello sviluppo di un veicolo oppure per testare, con rapidità e facilità, diversi layout del pacco batterie e diverse soluzioni ingegneristiche.