Numerical Modeling of Degas in EV Battery Cooling Plates: A Multiphase CFD Study
Author
Derobertis, Mattia
Term
4. term
Education
Publication year
2025
Submitted on
2025-05-28
Pages
72
Abstract
Effective heat management in electric vehicles is essential for battery performance and safety. Liquid-cooled battery plates are widely used, but air bubbles trapped during coolant filling reduce heat transfer and can cause local hot spots. This study presents a numerical framework to simulate degassing (removal of trapped air) in battery cooling plates using the Volume of Fluid (VOF) method in STAR-CCM+, which models how air and liquid move together (two-phase flow). The model is validated against experiments with image-based bubble detection and shows about 75% agreement in bubble count and 99% in total remaining air. Three turbulence models (URANS, LES, DES) were compared; all produced consistent predictions of air entrapment, with LES resolving the most detailed turbulent structures. We also found that liquid velocity magnitude can serve as a simple indicator in single-phase analyses (liquid only, without modeling air) to flag regions prone to air retention, cutting computational cost by over 90% in early-stage design. Design changes guided by the simulations improved degassing. The proposed framework enables reliable analysis of air removal in battery cooling systems and supports geometry optimization without extensive physical testing.
Effektiv varmestyring i elbiler er afgørende for batteriets ydelse og sikkerhed. Væskekølede batteriplader er udbredte, men luftbobler, der fanges under påfyldning af kølemiddel, forringer varmeoverførsel og kan skabe lokale varmepunkter. Dette arbejde præsenterer en numerisk ramme til at simulere afgasning (fjernelse af indespærret luft) i batterikøleplader ved hjælp af Volume of Fluid (VOF)-metoden i STAR-CCM+, som modellerer, hvordan luft og væske bevæger sig sammen (tofaset strømning). Modellen er valideret mod forsøg med billedbaseret bobledetektion og viser cirka 75% overensstemmelse for antallet af bobler og 99% for den samlede mængde tilbageværende luft. Tre turbulensmodeller (URANS, LES, DES) blev sammenlignet; alle gav ensartede forudsigelser af luftindeslutning, og LES gav den mest detaljerede beskrivelse af turbulente strukturer. Vi fandt også, at væskens hastighedsstørrelse kan bruges som en enkel indikator i enkeltfaseanalyser (kun væsken, uden at modellere luft) til at forudsige områder med risiko for luftretention, hvilket reducerer beregningsomkostningerne med over 90% i tidlige designfaser. Designændringer baseret på simulationerne forbedrede afgasningen. Den foreslåede ramme muliggør pålidelig analyse af luftfjernelse i batterikølesystemer og understøtter geometrioptimering uden omfattende fysiske tests.
[This apstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords
CFD ; VOF ; Multiphase ; Image Processing ; Cooling Systems ; Bubbles ; Automotive ; Turbulence Modeling ; EVs