Effect of buoyancy on air cooling of Li-ion battery cells for improved battery thermal management system

This thesis presents the analysis of an air-cooled battery cell thermal management system using ANSYS Fluent to explore the effects of buoyancy and optimize fan velocity for effective cooling. An electro-thermal model, specifically an equivalent circuit model (ECM) - circuit network, was utilized to accurately simulate the thermal behavior of the battery cells. This model integrates electrical and thermal characteristics, providing a comprehensive understanding of heat generation within the battery. Simulations were conducted with varying air velocities, both with constant and variable air densities, to determine the threshold at which buoyancy effects become negligible. Results indicate that at an air velocity of 0.3 m/s, the impact of buoyancy diminishes significantly, allowing for the use of constant air density conditions at higher velocities to reduce computational time. Further analysis identified a steady-state temperature of 35.5°C at an air velocity of 1 m/s, ensuring safe battery operation. A Pareto Optimal approach was employed to balance cooling efficiency and energy consumption. The study concluded that an optimal cooling velocity of 0.65 m/s, with fan speed adjustments down to 0.5 m/s, provides the best trade-off, maintaining cell temperatures below the critical 45°C while minimizing energy use. Recommendations for future research include expanding the range of tested air velocities, exploring alternative cooling methods such as liquid cooling or phase-change materials, and investigating advanced solution techniques like the NTGK Empirical Model or the Newman P2D Model to enhance the model accuracy.

Questa tesi presenta la simulazione di un sistema raffreddamento ad aria di batterie di agli ioni di Litio utilizzando ANSYS Fluent per esplorare gli effetti della convezione naturale e ottimizzare la velocità delle ventole per un raffreddamento efficace. Al fine di determinare le condizioni in cui gli effetti della convezione naturale diventano trascurabili, sono state condotte simulazioni variando la velocità dell'aria, sia con densità dell'aria costante che variabile. I risultati indicano che a una velocità dell'aria pari o superiore a 0,3 m/s l'impatto della convezione naturale diminuisce significativamente permettendo l’impiego die una densità dell'aria costante e una consegunte riduzione del tempo di calcolo. Ulteriori analisi hanno identificato una temperatura a regime di 35,5°C con una velocità dell'aria di 1 m/s che garantisce un funzionamento sicuro della cella. È stato utilizzato un approccio Pareto Ottimale per bilanciare l'efficienza del raffreddamento e il consumo di energia. Lo studio ha concluso che una velocità di raffreddamento ottimale di 0,65 m/s, con regolazioni della velocità della ventola fino a 0,5 m/s, fornisce il miglior compromesso, mantenendo le temperature delle celle al di sotto della soglia critica dei 45°C e minimizzando l'uso di energia. Le raccomandazioni per ulteriori sviluppi dello studio includono l'estensione della gamma di velocità dell'aria testate, l'esplorazione di metodi di raffreddamento alternativi come il raffreddamento a liquido o i materiali a cambiamento di fase, e l'investigazione di tecniche di soluzione avanzate come il Modello Empirico NTGK o il Modello Newman P2D per migliorare l'accuratezza del modello.