CFD modeling of Conjugate Heat Transfer in Battery Thermal Management Systems

Abstract

[ES] Recopilar las propiedades termoeléctrica de las baterías es esencial para la investigación, dada su estrecha relación con el voltaje de circuito abierto, la generación de calor, la transferencia de calor y las pérdidas. Si bien las pruebas de identificación de celdas son necesarias, la implementación de la dinámica de fluidos computacional (CFD) puede disminuir considerablemente las discrepancias de simulación y mejorar la operación del módulo o paquete. Esta información hace posible diseñar sistemas de refrigeración distintos adaptados al tipo de batería específico, aplicación y cargas necesarias. Ayuda a optimizar el diseño para una mejor gestión térmica, mayor eficiencia y vida útil prolongada. Este enfoque es beneficioso en las primeras etapas de desarrollo, donde los diseños de baterías pueden explorar varios escenarios y evaluar su impacto en el rendimiento y la rentabilidad. Como resultado, este método ofrece un medio efectivo para lograr un mejor rendimiento, confiabilidad y seguridad de la batería. Como enfoque general para este estudio, se adoptó una metodología de adquisición de datos inicial, utilizando CFD y pruebas de laboratorio para refinar estos datos iniciales y así obtener resultados confiables. Con estos resultados más confiables, fue posible llevar a cabo varios estudios sobre el sistema de refrigeración, centrándose en las características de las celdas prismáticas y haciendo una comparación entre la refrigeración pasiva y activa, incluyendo el uso de placas de enfriamiento y la inmersión de enfriamiento, tanto parcial como completa. En la segunda etapa, el diseño de la placa de enfriamiento se basó directamente en las características de las celdas cilíndricas y su generación de calor. Los resultados obtenidos incluyeron una revisión de cada propiedad física de una celda que impacta el sistema de gestión térmica y una comparación de varios sistemas de refrigeración para celdas prismáticas. Además, se diseñó una placa de enfriamiento para un módulo de batería que utiliza celdas cilíndricas, con un enfoque en mejorar los caminos de flujo, disminuir los puntos de estancamiento y mejorar la transferencia de calor con el efecto Von Karman.

[EN] Collecting the thermal-electric properties of batteries is essential for research, given their close relationship to open circuit voltage, heat generation, heat transfer, and losses. While characterization tests are necessary, implementing computational fluid dynamics (CFD) can considerably decrease simulation discrepancies and enhance module or pack operation. This information makes it feasible to devise distinct cooling systems tailored to the specific battery type, application, and requisite loads. Helping to optimize the design for enhanced thermal management, increased efficiency, and prolonged lifespan. This approach is beneficial in the early stages of development, where battery designs can explore various scenarios and evaluate their impact on performance and cost-effectiveness. As a result, this method offers an effective means of achieving better battery performance, reliability, and safety. As a general approach for this study, an initial data acquisition methodology was adopted, using CFD and laboratory tests to refine these initial data and thus obtain reliable results. With these more reliable results, it was possible to carry out several studies on the cooling system, focusing on the characteristics of prismatic cells and comparing passive and active cooling, including using cooling plates and immersion cooling. In the second stage, the design of the cooling plate was based directly on the characteristics of cylindrical cells and their heat generation. The results included a review of each physical property of a cell that impacts the thermal management system and a comparison of several refrigeration systems for prismatic cells. Additionally, a cooling plate was designed for a battery module that uses cylindrical cells, with a focus on improving flow paths, decreasing stagnation points, and enhancing heat transfer with the Von Karman effect.