Diseño del sistema de refrigeración para un vehículo Formula Student’s de la categoría eléctrica

Abstract

Este trabajo se desarrolla desde el Departamento de Refrigeración del ISC, equipo de Formula Student para el desarrollo de un coche eléctrico. Se parte de un punto de diseño de falta de datos empíricos sobre los sistemas de refrigeración. Se desconocen tanto el calor a disipar como el rendimiento real de los sistemas de anteriores ediciones del vehículo. El trabajo se centra por tanto en el desarrollo de herramientas analíticas de predicción para la refrigeración líquida del motor e inversor y la refrigeración por aire de las baterías. En ultima instancia, se emplean ambas herramientas para dimensionar los sistemas de refrigeración del monoplaza actual del equipo.

Se plantea un modelo analítico para predecir el comportamiento de los radiadores a emplear. A partir de los datos dimensionales del radiador y de las condiciones de contorno, el objetivo es determinar las temperaturas del líquido refrigerante una vez alcanzado el régimen térmico permanente. Los cálculos consideran varias interpretaciones de la geometría. Desde un punto de vista computacional, el modelo sigue un proceso de cálculo iterativo para eliminar el error inferido por la evaluación de las propiedades de los líquidos de trabajo. Además, el modelo permite emplear variables vectoriales, facilitando los estudios de sensibilidad del sistema.

El segundo modelo analítico se centra en la refrigeración por aire de las baterías. Se pretende predecir las temperaturas que desarrolla durante la prueba de Endurance de competición. El intercambio de calor se modela según las condiciones de contorno y el calor generado en su interior. Se plantea además un cálculo de la pérdida de carga, para determinar el caudal de aire según la curva P-Q de los ventiladores a usar.

Por último, se dimensionan los sistemas de refrigeración empleando las herramientas desarrolladas. Esto consiste en determinar el modelo especifico de radiador a emplear en la refrigeración líquida del motor-inversor. También se especifica la configuración concreta de ventiladores a montar en la batería. En ambos casos, debido a la falta de datos, se estima el calor a disipar de forma aproximada. Ambos diseños se ejecutan en el coche del equipo (IFS-05).

Tanto los modelos como los diseños están pendientes de corroborar mediante datos empíricos. Sin embargo, el hecho de que el equipo haya completado la prueba de Endurance sirve como prueba cualitativa de que ambos, modelo y diseño, son válidos.

This project is developed by the Cooling Systems Department of the ISC FS Racing Team, Formula Student’s team for the development of an electric race car. The starting point of the project is characterized by the lack of empirical data about the cooling systems. Both the heat to be evacuated and the performance of previous cooling systems in the car are not quantified. Therefore, efforts are focused on developing the analytical tools necessary to predict the performance of radiators as well as the thermal behavior of the battery packs. These two tools are then used to dimension the cooling systems of the actual vehicle of the team.

An analytical model is developed to predict the behavior of the radiators to use. The objective is to predict the static temperatures of the coolant (distilled water), based on the dimensions of the radiator and its environment conditions. The calculations consider different geometrical interpretations at the same time. From a computational point of view, the analytical model follows an iterative process and is capable of computing with vector-type variables. This helps in performing sensitivity analysis.

The second analytical model has been developed for the air-cooled batteries. The objective is to predict the temperatures developed during the 22km Endurance event in competition. The heat exchange is modelled based on environment conditions and on the internal heat generation. A pressure drop calculation is considered to determine air flow based on the P-Q curve of the fans in place. The amount of heat generated by each of the sources in the car is stimated. This aproximation is used on both of the developed analitical models to dimension the cooling systems of the motor-inverter and the battery. An specific fan configuration and radiator model are selected and mounted on the IFS-05 car of the team (2022-23 season).

The results obtained through the analytical models are still to be compared with empirical data of the real systems. However, the fact that the car completed the Endurance event, during this year's competitions, is proof that the presented work is valid.