Análisis térmico del sistema de refrigeración de un módulo de baterías mediante CFD

Abstract

RESUMEN: El rumbo tomado por industria del automóvil, para afrontar la actual situación climática y social, es la electrificación de los medios de transporte mediante el uso de motores eléctricos y baterías; sin embargo, el uso de batería genera complicaciones en el desarrollo tecnológico, la gestión térmica y su posterior reciclaje. El problema de la gestión térmica es producido por la pérdida de capacidad cuando alcanzan una temperatura fuera del intervalo óptimo, pudiendo existir riesgo de explosión en temperaturas extremas. Por ese motivo, el desarrollo de un sistema de refrigeración de las baterías es fundamental para el correcto funcionamiento de estas. En el presente trabajo de fin de grado tiene como objetivo analizar la transferencia de calor entre el sistema de refrigeración y un módulo de baterías de un vehículo eléctrico, mediante programas de CFD (ANSYS Fluent). En primer lugar, se realiza una introducción acerca al mundo de las baterías y su sistema de refrigeración. Además, se explican una serie de conceptos teóricos sobre la transferencia de calor y la dinámica de fluidos, necesarios para el desarrollo del proyecto. También, se presentará brevemente la dinámica de fluidos computacional (CFD). A continuación, se propone un módulo de baterías de ion-litio formado por 56 celdas y un sistema de refrigeración líquida indirecta. Más adelante, se establecen unas hipótesis y condiciones de trabajo, que se tomarán de referencia durante las simulaciones. Por último, se estudian los resultados obteniendo conclusiones prácticas, que permiten determinar parámetros y condiciones sobre el módulo de baterías.

ABSTRACT: The route taken by the automobile industry to deal with the current climatic and societal context, is the electrification of the means of transport through the use of electric motors and batteries; however, the use of batteries creates complications in respect of technological development, heat/ temperature regulation and subsequent recycling. The problem with temperature regulation is due to the loss of capacity when a temperature outside the optimum range is reached, causing a potential risk of explosion at extreme temperatures. For this reason, the development of a battery cooling system is essential for the correct operation of the batteries. The objective of this final degree thesis is to analyse the heat transfer between the cooling system and a battery module of an electric vehicle, using CFD programs (ANSYS Fluent). Firstly, an introduction to the world of batteries and their cooling system is provided. In addition, an explanation of a range of theoretical concepts about heat transfer and fluid dynamics, which are necessary for the development of the project is given. Furthermore, a brief overview of computational fluid dynamics (CFD) is presented. The thesis develops to propose a lithium-ion battery module consisting of 56 cells and an indirect liquid cooling system. Several hypotheses and working conditions are then suggested, which will be used as a reference point during simulated exercises. Finally, the results are evaluated, resulting in practical conclusions that serve as defining parameters and conditions concerning the battery module.