A model Based Desing of a Thermal Management System for a High Power Lithium-Ion Battery Pack.
Palabras clave : 
Thermal modeling.
Thermal management system.
Lithium-ion battery pack.
Transpor application.
Fecha de publicación: 
2014
Fecha de la defensa: 
12-dic-2014
Editorial : 
Servicio de Publicaciones. Universidad de Navarra
Cita: 
NIETO,N. ""A model Based Desing of a Thermal Management System for a High Power Lithium-Ion Battery Pack"".Blanco Barro, F.C. y Ramos, J.C.Tesis doctoral. Universidad de Navarra.
Resumen
In the present thesis an improved design methodology is proposed for TMSs (Thermal Management Systems) for high power lithium-ion battery packs used in traction applications. The methodology involves the development of different mathematical models for heat generation, transmission, and dissipation and their coupling and integration in the battery pack design methodology in order to improve overall safety and performance. The sequence of steps to be followed according to the proposed methodology are described throughout the chapters of this thesis. Thermal issues associated with battery packs are identified and solved. In order to do this, first an in-depth characterization of three different lithiumion cells is performed in order to better understand their thermal behavior. The characterization tests include battery electric and calorimetric experiments, which provide the information required for the development of a heat generation model. Battery models that integrate the heat generation model are then developed using the finite volume method, and they provide the basis for the thermal management system´s design. Various model approaches that shorten simulation times in order to perform simulations in a wide range of operating conditions within a reasonable computational time are analyzed. Results from the simulations are used to obtain information, evaluate designs, and provide solutions for battery thermal issues, such as the proper temperature control of the cells that made up the battery pack. The validity of the different assumptions made for the development of the thermal CFD (Computational Fluid Dynamics) models is proved by means of heat transfer and fluid flow experiments on a battery module prototype. Once validated, the CFD models are used to check the suitability of the proposed thermal management system design for a real traction application, which proves the effectiveness of a thermal management system design process based on numerical modeling. Although in the present work the steps of the method used to systematically design and evaluate TMSs for battery systems are applied to a particular case of liquid cooling, the steps are also likely to be of use to battery designers who have to deal with different types of cooling arrangements and applications.
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.

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