Sviluppo di piastre raffreddamento batteria innovative attraverso l’ottimizzazione topologica in 3D-CFD = Towards innovative battery cooling plate: leveraging topology optimization in 3D-CFD

Il crescente impulso verso l’elettrificazione del settore della mobilità è accompagnato dallo sviluppo di nuove soluzioni tecniche volte a migliorare affidabilità e durata delle batterie, fattori indispensabili a garantire la sostenibilità della propulsione elettrica. Sebbene la totalità dei veicoli elettrici sia già dotata di un sistema per la gestione termica della batteria, miglioramenti significativi sono necessari per soddisfare i requisiti di controllo temperatura sempre più stringenti che caratterizzano le celle elettrochimiche. La ricerca scientifica in questo ambito è particolarmente concentrata sullo sviluppo di piastre di raffreddamento batteria sempre più ottimizzati e in grado di garantire l'ottimale funzionamento termico del sistema di accumulo dell'energia. Apporto fondamentale in quest’ottica è fornito dagli strumenti CAE, i quali consentono l'esplorazione di numerose configurazioni di design senza la necessità di prototipi fisici e test sperimentali, accelerando i tempi di sviluppo e riducendo i costi. La tesi di laurea, realizzata in collaborazione con POWERTECH Engineering S.r.l., si propone di esplorare le potenzialità dell’ottimizzazione topologica applicata alla piastra di raffreddamento batteria di un generico veicolo. Attraverso l'utilizzo del software 3D-CFD StarCCM+, nel quale è stato recentemente integrato un ottimizzatore topologico, vengono condotte simulazioni con l’obiettivo di ottimizzare la distribuzione termica e la dissipazione del calore del pacco batterie. Inizialmente l’analisi si è concentrata su un sistema composto da due celle elettrochimiche, il cui design ottimale è stato validato con simulazioni dedicate, permettendo di ottenere una riduzione di 7°C di temperatura media, e di 5°C come massima differenza di temperatura sulle celle. Un analisi di sensitività dei risultati alla dimensione della griglia di calcolo ed alle condizioni al contorno del modello ha permesso di ridurre le dimensioni del dominio, garantendo una riduzione drastica dei tempi di analisi che rende possibile l’utilizzo della metodologia in fase di sviluppo. Successivamente è stata svolta un’analisi di sensitività ai parametri dell’algoritmo di ottimizzazione topologica, focalizzandosi sul passo di ottimizzazione, i coefficienti di sotto-rilassamento ed i vincoli di ottimizzazione. L’attività di ricerca si è poi concentrata su un modulo di batteria contenente 12 celle, il cui design ottimizzato permette di limitare a 8°C l’escursione termica osservata sulla singola cella di batteria e porta a una temperatura media superficiale di 34°C. In ultima analisi, al fine di valutare le potenzialità dell’ottimizzazione topologica senza l’esclusivo ricorso alla fabbricazione additiva, è stata modellata una piastra con circuito realizzabile tramite stampaggio, seppur ispirata ai risultati ottenuti con la topologica. I risultati ottenuti mostrano un degrado di prestazione termica rispetto alla piastra risultante dall’ottimizzazione. I risultati confermano le enormi potenzialità dell’ottimizzazione topologica applicata alle piastre di raffreddamento batteria, per la realizzazione di design innovativi che consentano un preciso controllo delle condizioni termiche operative delle celle elettrochimiche. Le tecnologie realizzative delle piastre di raffreddamento, tuttavia, devono necessariamente coinvolgere l’adduzione di materiale (additive manufacturing), per permettere la realizzazione delle geometrie risultanti dal processo di ottimizzazione topologica