VALUTAZIONE TERMOFLUIDODINAMICA E OTTIMIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI GESTIONE TERMICA A IMMERSIONE PER BATTERIE (BTMS) MEDIANTE ANALISI NUMERICA CFD/CHT

This thesis presents a numerical investigation of an immersion-based Battery Thermal Management System (BTMS) for lithium-ion battery modules, with the aim of assessing and optimizing the thermo-fluiddynamic performance of the cooling layout. The study focuses on the application of Computational Fluid Dynamics (CFD) coupled with Conjugate Heat Transfer (CHT) to analyze the interaction between a dielectric cooling fluid and prismatic battery cells under forced convection conditions. A reduced-scale battery module, representative of a full automotive battery pack, is considered in order to limit computational cost while preserving the physical relevance of the flow and thermal phenomena. Several cooling configurations are investigated, starting from a baseline layout and introducing geometric and operational modifications, including alternative outlet distributions and time-varying (pulsed) inlet flow conditions. All configurations are analyzed under transient conditions, maintaining the same average inlet flow rate to enable a consistent comparison. The CFD analysis is first employed to evaluate the hydraulic behavior of the system, focusing on flow distribution among inter-cell gaps, pressure losses, and the identification of stagnation regions. Subsequently, CHT simulations are performed by modeling heat generation within the battery cells through an equivalent thermal source, allowing the assessment of maximum cell temperature, intra-cell temperature gradients, and thermal uniformity among cells. Performance indicators commonly adopted in the literature are used as evaluation criteria, including limits on maximum temperature, temperature gradients, and flow uniformity. The results highlight the strong coupling between fluid distribution and thermal performance in immersion-cooled BTMSs and underline the trade-off between cooling effectiveness and pumping power requirements. The proposed numerical methodology proves to be a valuable tool for comparing different design solutions and for supporting the optimization of immersion cooling layouts in automotive battery systems. This work was carried out in collaboration with the FIAT Research Center (Centro Ricerche FIAT) in Valenzano (Ba) - Italy, within an industrial research framework focused on advanced thermal management solutions for electric vehicle batteries.

Questa tesi presenta uno studio numerico di un sistema di gestione termica a immersione (BTMS) per moduli di batterie agli ioni di litio, con l’obiettivo di valutare e ottimizzare le prestazioni termofluidodinamiche del layout di raffreddamento. L’analisi si basa sull’impiego della Computational Fluid Dynamics (CFD) accoppiata al trasferimento di calore coniugato (CHT), al fine di descrivere l’interazione tra un fluido dielettrico di raffreddamento e celle prismatiche di batteria in condizioni di convezione forzata. Per contenere il costo computazionale preservando al contempo la rilevanza fisica dei fenomeni fluidodinamici e termici, viene considerato un modulo batteria a scala ridotta, rappresentativo di un pacco batterie automotive completo. A partire da una configurazione di riferimento (baseline), vengono analizzate diverse soluzioni di raffreddamento introducendo modifiche geometriche e operative, tra cui differenti distribuzioni delle sezioni di uscita e condizioni di alimentazione all’ingresso variabili nel tempo (portata pulsata). Tutte le configurazioni sono simulate in regime transitorio, mantenendo costante la portata media in ingresso, così da consentire un confronto coerente delle prestazioni. L’analisi CFD viene inizialmente utilizzata per valutare il comportamento idraulico del sistema, con particolare attenzione alla distribuzione del flusso nei gap intercellulari, alle perdite di carico e all’individuazione di eventuali zone di ristagno. Successivamente, le simulazioni CHT vengono impiegate per modellare la generazione di calore all’interno delle celle mediante una sorgente termica equivalente, consentendo la valutazione della temperatura massima di cella, dei gradienti termici intra-cella e dell’uniformità termica tra le celle del modulo. Come criteri di valutazione vengono adottati indicatori di prestazione comunemente utilizzati in letteratura, inclusi limiti sulla temperatura massima, sui gradienti termici e sull’uniformità del flusso. I risultati evidenziano il forte accoppiamento tra distribuzione del flusso e prestazioni termiche nei sistemi BTMS a immersione e mettono in luce il compromesso tra efficacia del raffreddamento e fabbisogno di potenza di pompaggio. La metodologia numerica proposta si dimostra uno strumento efficace per il confronto tra diverse soluzioni progettuali e per il supporto all’ottimizzazione dei layout di raffreddamento a immersione nei sistemi batteria per applicazioni automotive. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con il Centro Ricerche FIAT (CRF) di Valenzano (BA), nell’ambito di un progetto di ricerca industriale focalizzato sullo sviluppo di soluzioni avanzate per la gestione termica delle batterie per veicoli elettrici.