CFD analysis of a cold plate for battery thermal management system in railway applications

This thesis, carried out in collaboration with Microelettrica Scientifica S.p.a., is set out to continue the Company's work to design a hybrid system for railway applications with the aim of refining, through CFD simulations, the model of a liquid cooling system, via cold plate, of the battery pack previously designed by the Company. In the first chapter of the thesis, the main components analyzed are presented: the battery pack (composed of lithium-ion pouch batteries) and the battery thermal management system (BTMS). The work previously carried out at the Company from which the necessary data were extracted is also described. Then, the methodology adopted for model generation is explained in detail, starting from the modelling of the STL file to the 3D mesh convergence study. The study led to the set up of three different cold plate models allowing a detailed analysis on the influence of several parameters, such as the thermal conductivity and the contact surface, on the heat transfer between the battery pack and the plate. Simulation results showed the strongly non isotropic behaviour of lithium-ion batteries, leading to the identification of the best performing cold plate model among the three. At the end the results are discussed providing also some suggestions to improve the current. These suggestions would increase the efficiency of the system and optimize the temperature management within the battery pack.

Questa tesi, svolta in collaborazione con Microelettrica Scientifica S.p.a., si è proposta di proseguire il lavoro dell’Azienda per progettare un sistema ibrido destinato alle applicazioni ferroviarie con l’obiettivo di perfezionare, mediante simulazioni CFD, il modello di un sistema di raffreddamento a liquido, tramite piastra di raffreddamento, del pacco batterie già teorizzato in precedenza dall’Azienda. Nel primo capitolo dell’elaborato di tesi sono presentati i principali componenti analizzati: il pacco batterie, composto da batterie “Pouch” agli ioni di litio, e il sistema di gestione termica delle batterie (BTMS) ed è inoltre descritto il lavoro precedentemente svolto in Azienda dal quale sono stati estratti i dati necessari allo sviluppo del lavoro di tesi. Nel prosieguo è spiegato nel dettaglio il procedimento seguito per la generazione del modello, partendo dalla modellazione del file STL fino allo studio di convergenza della mesh 3D. Lo studio ha portato alla realizzazione di tre diversi modelli di piastra di raffreddamento permettendo un’analisi dettagliata dell’influenza di parametri, quali la conducibilità termica e la superficie di contatto, sul trasferimento di calore tra il pacco batterie e la piastra. I risultati delle simulazioni hanno evidenziato il comportamento fortemente non isotropo delle batterie agli ioni di litio, portando a individuare il modello di piastra di raffreddamento più performante tra le diverse soluzioni proposte. Lo studio si concluso con la presentazione dei risultati ottenuti e con l’indicazione di suggerimenti per un miglioramento della soluzione ottenuta. Questi consigli permetterebbero di aumentare l'efficienza del sistema e di ottimizzare la gestione della temperatura all’interno del pacco batterie.