Doctoral Thesis

Polymeric Heat Exchangers: The Turning Point in Battery Thermal Management Systems

Final Thesis 13.13 MB Summary of Thesis 9.48 MB

Author of thesis: Ing. Jiří Hvožďa, Ph.D.

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jan Boháček, Ph.D.

Reviewers: doc. Ing. Petra Dančová, Ph.D., Prof. Mayken Espinoza-Andaluz, Ph.D.

Abstract:

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.

Keywords:

battery thermal management system, heat exchanger, polymeric heat exchanger, polymeric hollow fiber, temperature uniformity

Date of defence

10.09.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Práce přispívá k efektivnějšímu provozu bateriových systémů automobilů. Přínos vědě spočívá ve validaci vyvinutých numerickýh metod.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Heat Transfer and Fluid Flow Laboratory

Study programme

Applied Mechanics (D-IME-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Ondřej Šikula, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petra Dančová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Mauder, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Šidlof, Ph.D. (člen)
Prof. Mayken Espinoza-Andaluz, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jan Boháček, Ph.D.

Po úspěšném absolvování magisterského studijního programu Matematické inženýrství zahájil Ing. Jiří Hvožďa dne 16. 7. 2021 doktorské studium v Laboratoři přenosu tepla a proudění. V souladu se studijním plánem složil zkoušky z pěti předmětů: MKP v inženýrských výpočtech, Plánování experimentu, Metody řešení problémů přenosu tepla, Jazyk anglický pro doktorské studium, Experimentální a teoretické stanovení okrajových podmínek přenosu tepla. Státní doktorskou zkoušku úspěšně složil v roce 2023.

Je hlavním autorem čtyř článků:
• Case study on thermal management of planar elements with various polymeric heat exchangers: experiment and simulation (Q1),
• Modeling Heat Transfer in Cylindrical Batteries: Spiral-Based Thermal Conductivity Tensor (Q4),
• Polymeric hollow fibers serving as a cross-flow heat exchanger in liquid-to-gas applications (Q4),
• Rapid Prediction of Maximal Temperature in Liquid-Cooled Li-Ion Battery Modules: A Case Study Using Polymeric Hollow Fiber Cooling Channels,
z nichž poslední je aktuálně v recenzním řízení. Dále je spoluautorem osmi odborných článků indexovaných v databázi Scopus.

Jiří absolvoval v rámci česko-rakouského programu AKTION tříměsíční pracovní stáž na univerzitě v Leobenu, kde se věnoval především CFD výpočtům přímo souvisejícím s tématem své disertační práce.

Zúčastnil se konferencí EFM v Liberci, AATMC 2023 v Mnichově, TFEC 2023 v Marylandu, FFHMT 2023 v Ottawě, Enbio 2024 v Lednici, ICFFTS 2024 v Lisabonu a v roce 2025 plánuje účast v Jižní Koreji.

Ing. Hvožďa je rovněž velmi aktivní v přípravě, podávání a získávání projektů:
• 2024–2027 – Udržitelný a efektivní tepelný management baterií pomocí planárních koextrudovaných polymerních výměníků tepla (TAČR TREND),
• 2025–2026 – Nová generace polymerních tepelných výměníků pro tepelný management cylindrických baterií (TAČR SIGMA).

Na FCH VUT vyučoval několik semestrů předmět Matlab a aktivně se zapojuje do pořádání různých akcí, např. dnů otevřených dveří, Noci vědců apod.

Disertační práce se zabývá systémem tepelného řízení baterií a zaměřuje se především na problematiku vlastních výměníků tepla, nikoliv na detailní modelování dějů uvnitř baterií.

Práce obsahuje čtyři stěžejní témata, z nichž minimálně dvě považuji za originální a jedinečná:

Dostupná literatura zpravidla předpokládá, že tepelnou vodivost cylindrické baterie lze zjednodušit na ortotropní v polárních souřadnicích. Jiřího článek však ukazuje, že je poměrně triviální uvažovat skutečnou spirální strukturu ve výpočtech. V poslední části disertační práce je rozvedena myšlenka tzv. kompenzační fólie, která má za úkol zrovnoměrnit teplotní pole v rámci jedné baterie nebo mezi více bateriemi. Při kapalinovém chlazení totiž pracovní kapalina nejprve ochlazuje první baterii a postupně se ohřívá. Proto je žádoucí postupně zvětšovat efektivní součinitel přestupu tepla. Vytvoření náhradního modelu teplotní odezvy série několika baterií vybíjených konstantním elektrickým proudem a konstantním objemovým průtokem tepelným výměníkem. Predikce maximální teploty baterie v bateriovém packu s kapalinovým chlazením pomocí dvou „lokálních“ CFD výpočtů – jednoho pro nulový průtok a druhého pro velmi vysoký průtok chladicí kapaliny.

Za zmínku stojí rovněž skutečnost, že práce využívá komerční software ANSYS Fluent, včetně nástrojů pro přípravu geometrie a výpočtové sítě. Kromě standardně dostupných numerických modelů byla hojně využita Uživatelsky Definovaná Funkce (UDF), což vyžaduje hlubší porozumění matematicko-fyzikálním problémům a alespoň základní znalosti programování v jazyce C. Například transportní rovnice pro uživatelsky definovaný skalár musela být použita namísto běžné rovnice energie, aby bylo možné zadat difuzivitu jako obecný tenzor. V souvislosti s tím se rovněž nabízí otázka, jakým způsobem definovat okrajovou podmínku třetího druhu, kterou UDS standardně nepodporuje.

Cíle disertační práce, upřesněné během státní doktorské zkoušky, doktorand splnil. Prokázal schopnost samostatně a komplexně řešit odbornou problematiku, přičemž dosažené výsledky odpovídají stanoveným cílům. Práce je původní, originální a vykazuje minimální překryv s jinými studiemi na obdobné téma.

Na závěr konstatuji, že Ing. Jiří Hvožďa splnil všechny požadavky kladené na absolventy doktorského studia a doporučuji, aby mu byla umožněna obhajoba disertační práce.

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Petra Dančová, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 194,66 kB

Reviewer’s report
Prof. Mayken Espinoza-Andaluz, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 283,04 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová