A SUSTAINABLE MOBILITY PATHWAY: THERMAL RUNAWAY SOLUTIONS IN BEVS AND ICES IMPROVEMENTS FOR POWERTRAIN DECARBONIZATION LEVERAGING CFD ANALYSIS

The present thesis work, carried out at the Centro Ricerche Fiat S.C.p.A. in Valenzano (BA), aims to present a set of innovative and sustainable solutions, primarily applied to the automotive sector, to mitigate the impact of transportation systems on climate change. The core focus is placed on two technological directions: hydrogen-based propulsion systems and battery electric vehicles (BEVs), including both thermal management and safety strategies such as venting. The following topics will be explored in the subsequent chapters: • Analysis of the current and projected environmental scenario, outlining the key challenges and potential mitigation strategies to address the climate crisis. • In-depth study of hydrogen-powered internal combustion engines (ICEs), examining combustion characteristics, emissions behavior, and feasibility in comparison to conventional gasoline engines. • Implementation of combustion simulations in Ansys Forte, applied to both hydrogen and gasoline engines, with the goal of optimizing the combustion process to minimize pollutant emissions. • Analysis of battery systems, with special emphasis on thermal behavior, safety under critical conditions, and advanced cooling strategies. • Implementation of computational fluid dynamics (CFD) and thermal analysis in Ansys Fluent, focused on the development and optimization of a battery thermal management system (BTMS) based on immersive cooling techniques. • Specific analysis of venting phenomena in battery cells under thermal runaway conditions, evaluating gas release, propagation, and mitigation strategies to ensure vehicle safety. • Preliminary evaluation of hydrogen Fuel Cell systems as an alternative clean propulsion technology, with focus on their operating principles, integration challenges, and environmental benefits. This work aims to provide a comprehensive overview of key technological solutions for reducing the environmental footprint of the automotive industry. It promotes a dual approach to sustainable mobility through advanced hydrogen engines and fuel cells on one side, and optimized BEV architectures with innovative cooling and safety systems on the other. The ultimate objective is to contribute to the design of cleaner, safer, and more efficient next-generation vehicles.

Il presente lavoro di tesi, svolto presso il Centro Ricerche Fiat S.C.p.A. di Valenzano (BA), ha l'obiettivo di presentare un insieme di soluzioni innovative e sostenibili, principalmente applicate al settore automobilistico, per ridurre l'impatto dei sistemi di trasporto sul cambiamento climatico. Il focus principale è posto su due direzioni tecnologiche: i sistemi di propulsione a idrogeno e i veicoli elettrici a batteria (BEV), inclusi il management termico e le strategie di sicurezza come il venting. I seguenti temi saranno trattati nei capitoli successivi: • Analisi dell'attuale scenario ambientale e delle proiezioni future, evidenziando le sfide principali e le possibili strategie di mitigazione per affrontare la crisi climatica. • Studio approfondito dei motori a combustione interna (ICE) a idrogeno, esaminando le caratteristiche della combustione, il comportamento delle emissioni e la fattibilità rispetto ai motori a benzina convenzionali. • Implementazione di simulazioni di combustione in Ansys Forte, applicate sia a motori a idrogeno che a motori a benzina, con l'obiettivo di ottimizzare il processo di combustione per minimizzare le emissioni inquinanti. • Analisi dei sistemi a batteria, con particolare attenzione al comportamento termico, alla sicurezza in condizioni critiche e alle strategie avanzate di raffreddamento. • Implementazione di analisi di fluidodinamica computazionale (CFD) e termiche in Ansys Fluent, focalizzandosi sullo sviluppo e l'ottimizzazione di un sistema di gestione termica della batteria (BTMS) basato su tecniche di raffreddamento immersivo. • Analisi specifica dei fenomeni di venting nelle celle della batteria in condizioni di fuga termica, valutando il rilascio di gas, la propagazione e le strategie di mitigazione per garantire la sicurezza del veicolo. • Valutazione preliminare dei sistemi a Fuel Cell a idrogeno come tecnologia alternativa di propulsione pulita, con focus sui principi di funzionamento, le sfide di integrazione e i benefici ambientali. Questo lavoro si propone di offrire una panoramica completa delle soluzioni tecnologiche chiave per ridurre l'impronta ambientale dell'industria automobilistica. Promuove un approccio doppio alla mobilità sostenibile attraverso motori a idrogeno avanzati e Fuel Cells da un lato, e architetture BEV ottimizzate con sistemi di raffreddamento e sicurezza innovativi dall'altro. L'obiettivo finale è contribuire alla progettazione di veicoli di nuova generazione più puliti, sicuri ed efficienti.