Zlepšení tepelného managementu baterií pomocí polymerních výměníků tepla

Abstract

Tato disertační práce se zabývá tepelným managementem Li-Ion baterií se zaměřením na řešení vhodná pro elektromobily. Hodnoceny jsou polymerní alternativy ke konvenčním kovovým prvkům v systémech tepelného managementu, a to s důrazem na jejich tepelný výkon. Zkoumán byl rovněž vliv spirálové struktury cylindrických článků. Pro modelování plně anizotropní vodivosti, které běžné simulační nástroje obvykle nepodporují, byla vyvinuta vlastní metoda v jazyce C. Experimentální a numerické analýzy potvrdily, že planární polymerní výměníky tepla poskytují srovnatelný chladicí výkon jako hliníkové, zejména při vyšších průtocích. Jejich výhodami jsou nízká hmotnost, elektrická nevodivost a menší ekologická stopa. Dále byla navržena zrychlená numerická metoda pro odhad maximální teploty baterie, která zkracuje výpočetní čas zhruba dvacetinásobně při zachování přesnosti do 1°C. Pro snižování teplotního rozdílu byla navržena kompenzační fólie s perforovanou strukturou, která umožňuje lokální úpravu tepelného odporu. Za realistických materiálových omezení vedla k 36% snížení teplotního rozdílu. Návrh optimalizovaný ve 2D byl následně ověřen v plnohodnotném 3D modelu a fyzicky realizován pomocí automatizovaného generování geometrie a výroby na řezacím plotru. Výsledky práce ukazují, že polymerní výměníky a kompenzační fólie představují nadějné, prakticky využitelné technologie pro bezpečný, hmotnostně úsporný a udržitelný tepelný management baterií v budoucích elektromobilech.

This dissertation addresses thermal management in Li-Ion batteries, focusing on solutions suitable for electric vehicles (EVs). It evaluates polymeric alternatives to conventional metal components in battery thermal management systems, emphasizing thermal performance. The influence of the spiral structure in cylindrical cells was also examined, with a custom C-based method developed to model fully anisotropic conductivity—typically unsupported in standard simulation tools. Experimental and numerical analyses confirmed that planar polymeric heat exchangers provide cooling performance comparable to aluminum, especially at higher flow rates. Advantages include low density, electrical insulation, and reduced environmental impact. A rapid numerical approach was introduced for predicting maximal battery achieving 20-fold faster computations with accuracy within 1°C. To improve temperature uniformity, a novel compensating foil was designed. Its perforated structure enables local tuning of thermal resistance, achieving a 36% reduction in temperature spread under realistic material constraints. The 2D-optimized design was validated in 3D and successfully manufactured using automated geometry generation and cutting plotter. Altogether, the results demonstrate that polymeric heat exchangers and compensating foils are promising, practical technologies for safe, lightweight, and sustainable battery thermal management in future EVs.