Devclopment of a battery thermal management unit (BTMU) for electric vehicles

Abstract

Introducción En este proyecto industrial mecánico, se recoge la información necesaria para el desarrollo y futura producción de una unidad de mantenimiento térmico de baterías para coches eléctricos. La razón por la que se ha realizado este proyecto es para suplir la necesidad actual de mejorar el rendimiento de vehículos impulsados por una betería eléctrica, concentrándose específicamente en vehículos pesados. El rendimiento de la batería es óptimo cuando esta se encuentra dentro de un rango, por lo que el equipo tendrá una doble función climatizadora, la de enfriar y calentar dependiendo de las características tanto externas como de funcionamiento. El objetivo final es crear un producto competitivo que con sus ventas genere ingresos para Sanz Clima, empresa colaboradora en el desarrollo de este Trabajo de Fin de Máster. Definición del proyecto La unidad climatizadora para vehículos de baterías eléctricas debe contener la temperatura de la batería entre quince y veinticinco grados centígrados para que el rendimiento de esta sea óptimo. Además, el cliente medio exige unos requerimientos de capacidad térmica, flujo y de tamaño, que marcarán los límites mínimos del producto. Al ir equipado en un vehículo eléctrico, su fuente de energía será también la batería de este. El presente proyecto consta de varios documentos de cálculos y diseños a ejecutar para la producción de la unidad. Entre otros están los cálculos de ciclo de refrigeración, lista de materiales del producto, y el código de programación para su funcionamiento. Características generales Las características del proyecto que se van a desarrollar en este documento deben cumplir con los requerimientos del cliente. Este producto utilizará como fuente de energía la propia batería del vehículo o una secundaria de menos voltaje. El dispositivo tendrá dos circuitos. Uno cerrado, que es el circuito de refrigeración (Rankine), que tanto para enfriar como calentar la batería eléctrica el gas refrigerante circulará en el mismo sentido. Y luego un circuito de agua, con la que se climatizará la batería, que tiene cuatro válvulas para variar el flujo del agua dependiendo de si queremos bajar o subir la temperatura de la batería. Estas válvulas y otros componentes electrónicos se coordinarán a través de un microcontrolador. Uno de los aspectos de innovación es la elección del gas propano (R290) como refrigerante, ya que sus propiedades hacen que cumpla tanto con las características termodinámicas como con las obligaciones medioambientales de la actualidad. Metodología y desarrollo La primera tarea del proyecto fue buscar la normativa actual sobre gases refrigerantes y normas de atmosferas explosivas para el uso de propano en este equipo, ya que en Europa todavía no está permitido de momento, pero la tendencia actual es que en el futuro los climatizadores que actúan como una bomba de calor usen el propano como refrigerante. Tras indagar se han realizado los cálculos termodinámicos para conocer las características que se deben cumplir y así elegir los componentes necesarios concorde a las mismas. La segunda parte ha sido el diseño del prototipo, empezando por el mecánico. Se han seleccionado varios componentes, como los intercambiadores de calor o el evaporador, después se ha elegido la colocación de los componentes, el tamaño de las chapas de metal que serán el esqueleto del producto. Después se hace una leve mención a los componentes eléctricos de unidad climatizadora para baterías eléctricas, y por último se ha diseñado un código para la implementación electrónica. La tercera parte es el estudio de producción y de coste del material, donde se analiza cuánto cuesta el producir una unidad, para luego ponerle un precio de venta con el que obtener un margen de beneficio. En línea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible, hay un documento en el que se habla de los beneficios para el medio ambiente que este proyecto incluye en su desarrollo. Cálculos y resultados Se han realizado cálculos teóricos para el ciclo de refrigeración que confirman la posibilidad de lograr un producto competitivo, y faltaría una confirmación experimental para ver si realmente este producto es viable, ya que a pesar de ser un trabajo de diseño por razones de normativa y tiempo el producto no ha podido ser probado antes de finalizar este documento. Además, uno de los impedimentos para producir una unidad climatizadora de baterías eléctricas con propano actualmente es la inexistencia de un compresor cerrado con el tamaño y precio que concuerde con los requerimientos de este proyecto. Para los cálculos se ha utilizado la herramienta CoolPack, y para el diseño mecánico el programa Solid Edge, con el que se han dibujado varios planos y se ha sacado la lista de materiales. La gran mayoría de información y recursos utilizados para este trabajo son propiedad de Sanz Clima Dreiha.

Introduction In this industrial mechanical project, the information necessary for the development and future production of a battery thermal maintenance unit for electric cars is collected. The reason for this project is to address the current need to improve the performance of vehicles powered by an electric battery, with a specific focus on heavy duty vehicles. The performance of the battery is optimal when the battery is within a range, so the equipment will have a dual function of cooling and heating depending on both external and operating characteristics. The final objective is to create a competitive product whose sales will generate income for Sanz Clima, a collaborating company in the development of this Master's thesis. Definition of the Project The air conditioning unit for electric battery vehicles must contain the temperature of the battery between fifteen and twenty-five degrees centigrade for optimum performance. In addition, the average customer's thermal capacity, flow and size requirements will set the minimum limits for the product. As it is equipped in an electric vehicle, its energy source will also be the vehicle's battery. This project consists of several calculation and design documents to be executed to produce the unit. Among others are the refrigeration cycle calculations, product bill of materials, and the programming code for its operation. General characteristics The characteristics of the project to be developed in this document must meet the customer's requirements. This product shall use the vehicle's own battery or a secondary battery of lower voltage as a power source. The device will have two circuits. A closed one, which is the cooling circuit (Rankine), that both for cooling and heating the electric battery the refrigerant gas will circulate in the same direction. And then a water circuit, with which the battery will be heated, which has four valves to vary the flow of water depending on whether we want to lower or raise the temperature of the battery. These valves and other electronic components will be coordinated via a microcontroller. One of the innovative aspects is the choice of propane gas (R290) as the refrigerant, as its properties mean that it meets both thermodynamic characteristics and current environmental obligations. Methodology and development The first task of the project was to search for the current regulations on refrigerant gases and explosive atmosphere standards for the use of propane in this equipment, as in Europe it is not yet allowed at the moment, but the current trend is that in the future air conditioners acting as a heat pump will use propane as a refrigerant. After some research, thermodynamic calculations were carried out to determine the characteristics that must be fulfilled and to choose the necessary components accordingly. The second part was the design of the prototype, starting with the mechanical design. Several components were selected, such as the heat exchangers or the evaporator, then the placement of the components and the size of the metal sheets that will be the skeleton of the product were chosen. Then a brief mention is made of the electrical components of the air conditioning unit for electric batteries, and finally a code has been designed for the electronic implementation. The third part is the study of production and cost of the material, where we analyse how much it costs to produce a unit, in order to then set a selling price with which to obtain a profit margin. In line with the Sustainable Development Goals, there is a document that talks about the benefits for the environment that this project includes in its development. Calculations and results Theoretical calculations have been made for the refrigeration cycle that confirm the possibility of achieving a competitive product, and an experimental confirmation would be needed to see if this product is really viable, since despite being a design work, for regulatory and time reasons, the product could not be tested before finalising this document. In addition, one of the impediments to producing an electric battery air conditioning unit with propane at present is the non-existence of a closed compressor with the size and price that matches the requirements of this project. For the calculations, the CoolPack tool was used, and for the mechanical design, the Solid Edge program was used, with which several drawings were made, and the bill of materials were extracted. Most of the information and resources used for this work are the property of Sanz Clima Dreiha.