• batteria al litio
• coefficiente di conduzione
• convezione naturale
• digital twin
• scambio di calore
• scambio termico

La richiesta sempre crescente di energia a livello globale e un’attenzione sempre maggiore nei confronti di una transizione energetica per un futuro più sostenibile, ha suscitato e continua costantemente a generare un interesse profondo verso lo sviluppo e il miglioramento tecnologico delle energie rinnovabili. Uno dei settori maggiormente interessati dalla transizione energetica è il settore dell’automotive. Quest’ultimo, infatti, sta proseguendo, in modo sempre più concreto, nella direzione di una mobilità elettrica, che tende a sostituire gradualmente i motori termici fin ora utilizzati con quelli elettrici. Ormai diverse case costruttrici sono passate all’implementazione di motori elettrici nelle auto di propria produzione.
Il componente principale di un motore elettrico `e il pacco batteria, il cui elemento unitario principale `e la cella. Esistono diversi tipi di batterie in commercio, prime fra tutte troviamo le batterie a ioni di litio che hanno dimostrato, nel confronto con le altre tipologie esistenti, essere le più interessanti. I motivi per cui questo tipo di batteria si dimostra più vantaggiosa ed `e, quindi, utilizzata per alimentare una gran parte di dispositivi, sono svariati, per esempio, le dimensioni ridotte, la maggiore densità di energia volumetrica, la maggiore durata e la necessità di bassa manutenzione.
Il lavoro oggetto della tesi risulta composto, essenzialmente, da due parti, una sperimentale e l’altra di simulazione numerica CFD. L’obiettivo `e lo sviluppo di un modello digital twin per il thermal management delle batterie dei veicoli elettrici. La prova sperimentale `e stata impostata per rilevare lo scambio termico fra una cella prismatica a ioni di litio, facente parte di un pacco batteria, e l’ambiente esterno in condizioni di convezione naturale (aria ferma) e convezione forzata (flusso esterno con una velocità costante). In particolare le prove sono state svolte posizionando una batteria a ioni di litio in una galleria del vento subsonica. Su di essa sono state applicate delle termocoppie agli elettrodi e sulla superficie laterale di una cella per misurare l’andamento della temperatura superficiale della batteria stessa durante le fasi di carica e scarica.
I dati acquisiti dalle prove sono stati successivamente analizzati ed elaborati per costruire dei grafici (database sperimentale) che riportano l’andamento di alcuni parametri significativi della batteria fra cui il voltaggio , lo stato di carica (SOC), l’andamento temporale della temperatura superficiale della batteria e la distribuzione della temperatura, considerando un riferimento incoordinate curvilinee.
Con i risultati ottenuti dalle prove e con dati ricavati dalla letteratura è stato possibile realizzare un modello di generazione e scambio di calore, interno alla batteria.
Infine, sono state effettuate delle simulazioni numeriche CFD+CHT, che riproducono il caso preso in esame nella prova sperimentale, implementando un modello di generazione del calore. Dal confronto dei risultati della sperimentazione e delle simulazioni numeriche `e possibile validare il modello digital twin per la gestione dello scambio termico della batteria.

The ever-growing global demand for energy, along with a heightened focus on energy transition for a more sustainable future, has sparked—and continues to spark—profound interest in the development and technological improvement of renewable energies. One of the sectors most affected by the energy transition is the automotive sector. This sector, in fact, is moving increasingly decisively toward electric mobility, with a gradual shift from traditional combustion engines to electric motors. Several car manufacturers have already started implementing electric motors in their vehicles.
The main component of an electric motor is the battery pack, with the principal unit being the cell. There are various types of batteries on the market, with lithium-ion batteries being among the most notable. These batteries have proven to be particularly advantageous compared to other types due to various factors, including their compact size, higher volumetric energy density, longer lifespan, and low maintenance requirements. As a result, lithium-ion batteries are widely used to power a large number of devices.
The work presented in this thesis consists of two main parts: an experimental study and a numerical CFD simulation. The objective is to develop a digital twin model for the thermal management of batteries in electric vehicles. The experimental test was designed to measure the heat exchange between a prismatic lithium-ion cell, part of a battery pack, and the external environment under natural convection (still air) and forced convection (external airflow at a constant velocity). Specifically, the tests were conducted by placing a lithium-ion battery in a subsonic wind tunnel, with thermocouples applied to the electrodes and the lateral surface of the cell to measure the battery’s surface temperature during charging and discharging phases.
The data acquired from these tests were subsequently analyzed and processed to create graphs (experimental database) that depict the trend of several significant parameters of the battery, including voltage, state of charge (SOC), temporal surface temperature progression, and temperature distribution, using a curvilinear coordinate reference system.
With the results from the tests and data obtained from the literature, it was possible to develop a model for heat generation and transfer within the battery.
Finally, CFD+CHT numerical simulations were performed, replicating the conditions examined in the experimental test and implementing a heat generation model. By comparing the experimental results with the numerical simulations, it is possible to validate the digital twin model for managing the battery’s heat exchange.