Heat modelling and Cooling optimization design of the FS DUT24 battery

Abstract

El objetivo de este proyecto es el diseño de la refrigeración de la batería del coche de FS DUT24, el coche de Formula Student de la universidad de TU Delft de la temporada 2023-2024, con el objetivo de hacerla trabajar en el rango óptimo de temperaturas y así disminuir el riesgo de sobrecalentamiento y una menor degradación. El estudio se divide en tres principales partes: en primer lugar, el modelado de la generación de calor dentro de la batería para así conocer la cantidad de calor que se debe disipar, con la temperatura y el estado de carga como principales variables del modelo; en segundo lugar, la elección del sistema de refrigeración que más se ajuste tanto a la geometría, como a los requisitos del sistema, llevado a cabo a través de una comparación metódica de las distintas características de cada uno de los posibles sistemas, del cual se eligió un sistema de refrigeración activa por aire con inlets aerodinámicos y ventiladores; y finalmente, la iteración de dicho sistema mediante simulaciones de mecánica de fluidos (CFD) tanto estáticas, para el cálculo de la curva de resistencia del sistema para cada diseño y saber el punto de operación de los ventiladores; como transitorias, para estudiar la evolución de las temperaturas y el gradiente dentro del acumulador, con la intención de optimizar el sistemar. Finalmente, se indica que el diseño alcanza una temperatura máxima menor que la temperatura máxima que indica la normativa.

The objective of this project is the design of the cooling of the battery of the car of FS DUT24, the Formula Student car of the TU Delft university for the 2023-2024 season, with the aim of making it work in the optimal temperature range and thus reduce the risk of overheating and less degradation. The study is divided into three main parts: first, the modeling of heat generation inside the battery in order to know the amount of heat that must be dissipated, with temperature and state of charge as the main variables of the model; secondly, the choice of the cooling system that best fits both the geometry and the requirements of the system, carried out through a methodical comparison of the different characteristics of each of the possible systems, of which chose an active air cooling system with aerodynamic inlets and fans; and finally, the iteration of said system through static fluid mechanics (CFD) simulations, for the calculation of the system resistance curve for each design and to know the operating point of the fans; as transient, to study the evolution of temperatures and the gradient inside the accumulator, with the intention of optimizing the system. Finally, it is indicated that the design reaches a maximum temperature lower than the maximum temperature indicated by the regulations.