Methodology for electric vehicle battery pack forced convection air cooling system design

Small engineering companies and motorsport teams can find themselves in the situation of having to design cooling systems for ever-increasingly complex electrical powertrain components without access to ample computing power. This prevents them from performing comprehensive and complex CFD simulations to aid them in making design decisions during the development phase. This thesis outlines the design methodology and development approach taken by the Dynami$Sigma$ PRC Formula Student team to overcome such computational limitations and successfully design the cooling system for the first battery-powered race car built in the team's history. The methodology required designing and characterizing the battery pack first. Once the desired cell layout and spacing was selected, the battery pack structure was developed around them, and the pressure drop curve for the whole assembly was obtained. It could then be modeled as equivalent porous media to significantly simplify successive simulation meshes. The curve would also allow for initial estimation of the flow rate operating conditions through the pack, informing the design of the downstream ducts and chassis panel openings. The porous media model would be leveraged when designing the inlet slots for the voltage converter's cooling flow. With the whole system designed, it needed to be characterized in-vehicle so that its performance during competition could be validated and predicted. The complex situation of the heat-generating battery pack when in the moving vehicle was segmented into three steps. This allowed leveraging of the available software and team experience where applicable, and the retention of the desired accuracy on important features. At each step of the process, the main goals or performance metrics were outlined, the available computational and time resources were evaluated, and the appropriate simplifications and mesh settings were chosen. The data allowed for the building of a thermal model of the critical battery cell that was able to replicate the final temperature of the cell during the endurance event of the 2021 Formula Student East competition. During testing and the competitions participated in, the cooling system met the maximum temperature requirements while adhering to all relevant competition regulations. This development methodology allowed the team to successfully develop the battery pack cooling system of its first ever electric car, overcoming lack of experience, a challenging timeline, and limited availability to shared computational resources.

Spesso accade che le piccole aziende in ambito ingegneristico e le squadre di motorsport si ritrovino a dover progettare sistemi di raffreddamento adatti a componenti di propulsione elettrica sempre più complessi, senza tuttavia aver accesso a risorse computazionali sufficienti. Questo impedisce loro di svolgere simulazioni CFD complete, che possano supportare le scelte di progettazione durante la fase di sviluppo. Questa tesi delinea la metodologia di design e l’approccio allo sviluppo intrapresi dal team Dynami$Sigma$ PRC Formula Student, al fine di superare i suddetti limiti e progettare il sistema di raffreddamento per il primo prototipo da corsa elettrico nella storia del team. In primo luogo, la metodologia ha richiesto la progettazione e la caratterizzazione del pacco batterie. Una volta selezionate la disposizione delle celle e la distanza tra le stesse, la struttura del pacco batterie è stata sviluppata all'interno dello spazio; successivamente, si è ottenuta la curva della caduta di pressione attraverso l’intero assieme. A quel punto era possibile modellarlo come mezzo poroso equivalente, semplificando considerevolmente i successivi mesh di simulazione. La curva avrebbe inoltre permesso una stima iniziale delle condizioni operative del flusso d’aria all’interno del pacco batterie, informando lo sviluppo dei condotti e delle aperture a valle. Il modello del mezzo poroso sarebbe stato sfruttato durante il disegno delle aperture di ingresso per il convertitore di tensione. Terminata la progettazione dell’intero sistema, occorreva caratterizzarne il comportamento nel veicolo, così da poterne validare e prevedere la prestazione durante la competizione. La situazione complessa del pacco batterie che genera calore all’interno del veicolo in movimento è stata suddivisa in tre fasi. Questo ha permesso di sfruttare il software a disposizione e l’esperienza della squadra laddove possibile, e anche di mantenere la precisione desiderata negli elementi più importanti. Durante ogni fase del processo, si è proceduto a delineare gli obiettivi principali e gli indicatori della performance, valutare le risorse computazionali e il tempo a disposizione, e selezionare le semplificazioni e le impostazioni delle mesh. Con questi dati è stato possibile costruire il modello termico della cella critica del pacco batterie, che ha permesso di prevedere la temperatura finale della cella durante l’evento di Endurance della competizione Formula Student East 2021. Sia in fase di testing che durante le competizioni cui ha preso parte, il sistema di raffreddamento ha rispettato i limiti massimi di temperatura, soddisfacendo tutte le regole imposte dalla competizione. Questa metodologia di sviluppo ha permesso al team, di sviluppare con successo un sistema di raffreddamento del pacco batterie della sua prima auto elettrica, superando così l’inesperienza, le tempistiche impegnative, e un ridotto accesso a risorse computazionali limitate e condivise.