Ottimizzazione del progetto di un sistema di gestione termica delle batterie con più piastre di raffreddamento per minimizzare la differenza di temperatura considerando le interazioni tra le piastre

Perché batterie più fresche contano per gli automobilisti di tutti i giorni

Con la diffusione dei veicoli elettrici, ciò che avviene all’interno dei loro pacchi batteria influenza in modo silenzioso l’autonomia, la durata utile delle batterie e la loro sicurezza. Questo studio esamina come mantenere centinaia di celle agli ioni di litio, stipate in modo compatto, a temperature tra loro molto simili, usando piastre metalliche opportunamente progettate che fanno circolare un liquido refrigerante. Ripensando il modo in cui queste piastre condividono il fluido, i ricercatori dimostrano che piccoli accorgimenti di progetto possono livellare sensibilmente le temperature senza consumare più energia.

Il calore nascosto nelle batterie delle auto elettriche

Le auto elettriche moderne si basano su grandi pacchi composti da molte celle agli ioni di litio. Quando queste celle si caricano e si scaricano, generano calore. Se alcune celle lavorano a temperatura più alta rispetto ad altre, invecchiano più rapidamente, possono fornire meno potenza e, nei casi estremi, diventare pericolose. Perciò i costruttori mirano a mantenere le celle entro una finestra termica sicura e, altrettanto importante, a limitare le differenze tra le celle più calde e quelle più fredde — idealmente entro pochi gradi.

Come le piastre di raffreddamento controllano il pacco

Molte auto elettriche adottano un raffreddamento indiretto a liquido: piastre metalliche piatte sono poste sotto i gruppi di celle e il liquido scorre in canali all’interno delle piastre. Nel pacco studiato qui, cinque lunghe piastre di raffreddamento giacciono sotto cinque moduli di celle prismatrici. Tutte le piastre condividono un unico ingresso e una singola uscita del refrigerante, quindi il fluido entra da un lato, si suddivide tra le piastre e poi si riunisce per uscire. Ricerche precedenti spesso assumevano che ogni piastra ricevesse la stessa portata e si comportasse in modo indipendente. In realtà, tuttavia, le piastre sono collegate idraulicamente e il refrigerante favorisce naturalmente alcuni percorsi rispetto ad altri.

Flusso irregolare, temperature irregolari

Utilizzando simulazioni dettagliate di flusso del fluido e scambio termico, gli autori hanno prima esaminato il progetto originale, in cui tutte le piastre avevano larghezze dei canali identiche. Hanno scoperto che il refrigerante seguiva la via più facile: le piastre più vicine all’ingresso e all’uscita ricevevano la maggior parte della portata, mentre la piastra più lontana ne riceveva pochissima. Quelle ben alimentate rimuovevano efficacemente il calore, ma le celle sopra la piastra scarsamente alimentata si riscaldavano di più. All’interno di ciascuna piastra, il fluido si riscaldava mentre avanzava, quindi le celle nella parte a valle risultavano leggermente più calde di quelle vicino all’ingresso. Nel pacco completo di 75 celle, la differenza di temperatura tra la cella più calda e quella più fredda raggiunse quasi 4 kelvin, pur mantenendo la temperatura massima entro un intervallo accettabile.

Regolazioni intelligenti invece di pompe più potenti

Invece di aggiungere pompe, ingressi o ingombrante hardware — spesso impossibili da integrare in un veicolo reale — il team ha trattato i canali di flusso come manopole regolabili. Hanno permesso a ciascuna larghezza dei canali di variare indipendentemente e hanno anche consentito ai canali di restringersi dall’ingresso all’uscita. Un canale più stretto aumenta la resistenza al flusso, spingendo delicatamente il refrigerante verso le altre piastre; un canale con andamento a restringimento accelera il fluido vicino all’uscita, migliorando la rimozione locale del calore. Poiché eseguire simulazioni complete per ogni possibile combinazione sarebbe risultato troppo lento, i ricercatori hanno costruito un surrogato matematico veloce del loro modello e hanno utilizzato un algoritmo evolutivo di ottimizzazione per cercare il miglior insieme di dimensioni e la portata globale ottimale.

Un pacco più uniforme senza energia extra

Il progetto ottimizzato ha ottenuto una distribuzione del refrigerante più equilibrata su tutte e cinque le piastre. Le piastre più vicine all’ingresso e all’uscita sono risultate con canali più stretti, aumentando la loro resistenza e favorendo un maggiore flusso verso la piastra prima trascurata e più distante. Allo stesso tempo, i canali sono stati sagomati per restringersi gradualmente lungo il percorso, migliorando il raffreddamento vicino alle uscite e riducendo i gradienti di temperatura all’interno di ciascun modulo. Con il compromesso tra portata e superficie, il trasferimento di calore netto da ciascuna piastra è diventato più simile. Il risultato è stata una riduzione sostanziale della dispersione di temperatura cella-cella del pacco — da circa 3,98 a 1,73 kelvin — mentre la temperatura di picco è diminuita leggermente e la potenza di pompaggio è rimasta sostanzialmente invariata.

Cosa significa per le auto elettriche future

Per un non specialista, il messaggio principale è che una geometria più intelligente può talvolta sostituire componenti più pesanti. Regolando con cura le dimensioni e la forma dei canali refrigeranti, gli ingegneri possono indirizzare il fluido dove è più necessario, uniformando le temperature nei grandi pacchi batteria. Questo facilita il mantenimento di ogni cella in un intervallo confortevole, il che a sua volta favorisce una vita utile più lunga della batteria, prestazioni più costanti e una maggiore sicurezza, il tutto senza richiedere energia aggiuntiva alle pompe del veicolo.

Citazione: Lee, H., Park, S., Park, C. et al. Design optimization of multiple cooling plate battery thermal management system for minimizing temperature difference considering interactions between cooling plates. Sci Rep 16, 14063 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41068-3

Parole chiave: batterie per veicoli elettrici, raffreddamento della batteria, gestione termica, piastre di raffreddamento liquide, pacchi agli ioni di litio