A model based desing of a thermal management system for a high power lithium-ion battery pack

Resumen

En la presente tesis se propone una metodología mejorada de diseño para los Sistemas de Gestión Térmica de packs de baterías de ión-litio de alta potencia que se utilizan en aplicaciones de transporte. La metodología implica el desarrollo de diferentes modelos matemáticos para la generación de calor, su transmisión y su disipación, así como su acoplamiento e integración en la metodología de diseño del pack de baterías con el fin de mejorar su seguridad y rendimiento. A lo largo de la tesis se describen los pasos a seguir según la metodología propuesta. Se identifican y resuelven cuestiones térmicas asociadas con las baterías. Para ello, se lleva a cabo en primer lugar una caracterización detallada de tres tipos de celdas de ión-litio, que permite obtener un mayor conocimiento sobre su comportamiento térmico. Los test de caracterización incluyen ensayos eléctricos y calorimétricos con las baterías que proporcionan la información necesaria para desarrollar el modelo de generación de calor. A continuación, mediante el método de los volúmenes finitos, se desarrollan modelos de baterías que integran el modelo de generación de calor, sirviendo así de base para el diseño del Sistema de Gestión Térmica. Se analizan varias simplificaciones de los modelos que permiten disminuir el tiempo de simulación y realizar simulaciones en un amplio rango de condiciones de operación con un tiempo computacional razonable. Los resultados de las simulaciones se utilizan para obtener información, para evaluar diseños y para proporcionar soluciones a cuestiones térmicas asociadas con las baterías como un control adecuado de la temperatura de las celdas que constituyen el pack de baterías. Se demuestra la validez de los diferentes supuestos considerados para el desarrollo de los modelos térmicos en CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) mediante ensayos de transferencia de calor y flujo de fluidos en un prototipo de un módulo de baterías. Una vez validados, los modelos CFD se utilizan para comprobar la idoneidad del diseño del Sistema de Gestión Térmica propuesto para una aplicación de tracción real. De esta forma se verifica la efectividad de un proceso de diseño basado en modelado. Aunque en la presente tesis los pasos a seguir para evaluar y diseñar de forma sistemática los Sistemas de Gestión Térmica de packs de baterías se aplican a un caso particular con refrigeración líquida, los pasos podrían resultar de gran utilidad para diseñadores de packs de baterías que deben lidiar con diferentes tipos de sistemas de refrigeración así como diferentes aplicaciones.