CFD Study of Conjugate Heat Transfer in Battery Cooling Systems for xEV Applications

Abstract

[ES] El objetivo principal de este estudio CFD es comparar el comportamiento térmico de un módulo de baterías con refrigeración indirecta frente a su homólogo sin refrigeración. La celda del estudio es una batería LTO de 23 Ah. Se han desarrollado modelos CFD para una sola celda, un módulo 12S1P, y para este último también acoplado a un sistema de refrigeración. Se analizan tres modelos de batería presentes en el módulo "Dual-Potential Multi-Scale Multi-Domain" (MSMD) del software utilizado (ANSYS Fluent): El modelo NTGK, el modelo P2D Newman y el modelo de circuito equivalente (ECM por sus siglas en inglés), este último utilizado para los cálculos más exigentes. En primer lugar, se diseña un modelo de sistema de refrigeración para un paquete de baterías de 114 celdas dividido en 12 módulos, inspirado en el sistema de refrigeración del Audi E-tron. Una vez completado, se desarrollan las diferentes etapas del modelo de batería, que terminan en un módulo encapsulado unido a una sección del sistema de refrigeración. Esto emula la colocación del módulo sobre el mismo, pudiendo así modelar simultáneamente una descarga de 4C de la batería y su refrigeración a partir de un flujo másico global simulado de 2,5 Kg/s. Esta configuración permite calcular con el método de transferencia de calor conjugado (CHT) los flujos de calor a través de los diferentes dominios: Baterías, carcasa, conjunto de refrigeración y el fluido a estudiar. Los resultados muestran principalmente una disminución de aproximadamente 25 K en la temperatura máxima alcanzada por las celdas, que, para el módulo refrigerado se sitúa en 356 K en la marca de 810 s (SOC=0,1), y por lo tanto todavía por encima del rango de temperatura óptima. Estas temperaturas máximas tienden a estar cerca de las pestañas de las celdas. Con este sistema de refrigeración y las condiciones de funcionamiento, el calor eliminado activamente aumenta durante el proceso de descarga, eliminando casi el 60% de la generación total de calor a la mitad de la simulación y casi el 70% al final de la misma. Otros estudios relativos a diversas tasas de descarga y condiciones de contorno permitirían un análisis más profundo del sistema de refrigeración propuesto.

[EN] The main objective of this CFD Study is to compare the thermal behavior of an indirectly cooled battery module against its non-refrigerated counterpart. The cell of the study is a 23 Ah LTO battery. CFD models have been developed for a single cell, and a 12S1P module, the latter also coupled to a refrigeration system. Three battery models present in the Dual-Potential Multi-Scale Multi-Domain (MSMD) module in the software used (ANSYS Fluent) are discussed: NTGK model, P2D Newman model and the Equivalent Circuit Model (ECM), the last of which is used for the more demanding calculations. Firstly, a model of a refrigeration system for a 114-cell battery pack divided in 12 modules is designed, inspired by the refrigeration system of the Audi e-tron. Upon completion, the different stages of the battery model are developed, ending in an encased module attached to a section of the refrigeration system. This emulates the module¿s placement on it, hence being able to simultaneously model a 4C discharge of the battery and its cooling from an overall simulated 2,5 Kg/s mass flow. This setup allows calculating with the Conjugate Heat Transfer (CHT) method the heat fluxes across the different domains: Batteries, Casing, Refrigeration set and the fluid to be studied. The results mainly show a decrease of approximately 25K in the maximum temperature reached by the cells, which, for the cooled module sits at 356 K at the 810 s mark (SOC=0.1), and hence still above the optimal temperature range. These maximum temperatures tend to be near the tabs of the cells. With this refrigeration system and operation conditions, the actively removed heat increases during the discharge process, removing nearly 60% of the total heat generation at the halfway mark and nearly 70% at the end of the simulation. Further studies regarding various discharge rates and boundary conditions would allow for a more in-depth analysis of the proposed refrigeration system.