Modelling Thermal Effects in a Battery Driven Formula Student Race Car

Abstract

Denne masteroppgaven er skrevet som en del av enstilling i Revolve NTNU Electric Team 2019 som kjølesystem ansvarlig. Revolve NTNU er en studentorganisasjon som representerer NTNU i verdens største ingeniørkonkurranse, Formula Student. Hvert r siden 2014, har Revolve NTNU utviklet og bygget en elektrisk racerbil, og skyver teknologien til grensen, spesielt de siste 2 rene. Som et resultat av dette, for trekke ut det maksimale potensialet fra batteripakken i Krav til sikkerhetsgrenser, må en riktig batterivarmestyringssystem utformes.

Selv om mye data ble samlet i løpet av forrige sesong,hadde laget ikke en god forståelse av de forskjellige varmegenerasjonsmekanismer for litium-ion cellene de brukte. Denne oppgaven er fokusert på å bruke den store mengden data tilgjengelig sammen med banebrytende batteridesignprogramvare for å opprette og validere en elektrocelletisk elektrocellulærmodell som kan forutsi oppførselen til batteriet når det gjelder varmeproduksjon likegyldige situasjoner.

For å validere modellen, konstant nåværende utladningstest og variabel lastladning har disladningstest blitt brukt, noe som resulterte i en god korrelasjon med de empiriske dataene. Bevegelsen av den simulerte cellen ble funnet å følge samme trend med hensyn til temperaturevolusjon innen hele belastningssyklusen med en spesielt god korrelasjon i verdiene av den nominelle temperaturen som ble nådd.

Med modellen som allerede er validert, ble 2019 batteripakken analysert. Ved å introdusere varmelasten forutsatt av den elektrokjemiske modellen i en komplett batteripakke CFD-simulering, ble systemets ytelse evaluert. Resultatene viste at 2019s varmestyringssystem har vært i stand til å effektivt redusere driftstemperaturen til cellene i 2 °C i gjennomsnitt, med en reduksjon på nesten 60% p˚a den brukte effekten. En dypanalyse i luftstrømningsmønsteret resulterte i noen fremtidige forbedringer for fremtidige design.

This Master thesis is written as part of a position in Revolve NTNU EV Team 2019 as cooling system responsible. Revolve NTNU is a student organization that represents NTNU in the world largest engineering competition, Formula Student. Each year since 2014, Revolve NTNU EV team design and builds an electric race car, pushing the technology to the limit, especially in the last 2 years. As a consequence of that, in order to extract the maximum potential of the battery pack within the required safety limits, a proper battery thermal management system needs to be designed.

Even if a lot of data were gathered during previous season, the team had not a good understanding on the different heat generation mechanisms for the Lithium-Ion cells they used. This thesis is focused on using the large amount of data available together with a cutting edge battery design software to create and validate a single cell electrochemical model that could predict the behaviour of the battery pack in terms of heat generation in different situations.

To validate the model, constant current discharge test and variable load charge and discharge test were used, resulting on a good correlation with the empirical data. The behaviour of the simulated cell was found to follow the same trend in terms of temperature evolution within all the load cycle with a especially good correlation in the values of the maximum temperature reached.

With the model already validated, the 2019 battery pack was analyzed. By introducing the heat load predicted by the electrochemical model in a complete battery pack CFD simulation, the performance of the system was evaluated. The results showed that 2019 thermal management system has been able to effectively reduce the operating temperature of the cells in 2 °C on average with a reduction of almost 60% on the power used. A deep analysis in the air flow pattern resulted on some future improvements for future designs.