Resumen
La reducción de las emisiones de $CO_2$ en el planeta es el desafío más importante al que se enfrenta el hombre durante el siglo XXI. Sin duda, parte de este problema se debe al impacto de las actividades antropogénicas que implican principalmente el uso de combustibles fósiles. Por este motivo, las instituciones internacionales y europeas más importantes están impulsando con fuerza el uso de tecnologías alternativas a las tradicionales basadas en la combustión de combustibles fósiles. En particular, la electrificación del transporte es uno de los elementos clave para acompañar este cambio en la sociedad.
En este contexto, el desarrollo y estudio de sistemas de almacenamiento de energía es fundamental. Durante los últimos 20 años, la mejora de las baterías de iones de litio ha sido constante y cada vez se han introducido en el mercado baterías de mayor rendimiento que se utilizan en diferentes aplicaciones. No obstante, las baterías constituyen la parte más crítica de cualquier sistema de propulsión eléctrico. Los problemas de gestión térmica, autonomía y densidad energética son de fundamental importancia. Para resolver estos aspectos críticos, es necesario desarrollar modelos que predigan con precisión el comportamiento electrotérmico de las baterías.
Por ello, esta tesis doctoral introduce en la literatura actual un aporte decisivo en cuanto al modelado de baterías de iones de litio, a través del desarrollo de modelos 0D/1D y semiempíricos. Se proponen modelos eléctricos de circuitos equivalentes para la predicción del comportamiento eléctrico y modelos agrupados para el cálculo del estado térmico de las celdas de la batería. Finalmente, se proponen modelos empíricos para la descripción del envejecimiento cíclico y calendario. Se expone la metodología para la caracterización experimental y validación de modelos.
Este trabajo introduce varias novedades en la literatura actual. En cuanto a los modelos eléctricos, se introduce un modelo de circuito equivalente generalizado para la química LFP. Este modelo, que requiere únicamente como información la capacidad nominal proporcionada por la hoja de datos, se basa en la determinación de un único parámetro, definido como el coeficiente característico de la química, para describir el comportamiento eléctrico de la celda. Esto introduce una gran ventaja en términos de reducción del tiempo de caracterización experimental, simplificación de modelos y reducción de tiempos de cálculo.
En cuanto a la refrigeración de baterías, este trabajo contribuye fundamentalmente al modelado de sistemas de gestión térmica que utilizan placas de refrigeración y refrigeración por inmersión. Esta tesis conduce a una mejor comprensión general de las ventajas y desventajas de los sistemas de refrigeración analizados. Además, se presentan análisis y valoraciones cuantitativas energéticas y térmicas entre las diferentes tecnologías empleadas disponibles en el mercado. Entre estos estudios se propone la evaluación de diferentes fluidos dieléctricos (enfriamiento por inmersión). Por otro lado, se estudia el impacto de diferentes combinaciones de nanopartículas y materiales de cambio de fase nanoencapsulados (placas de enfriamiento).
Finalmente, en cuanto a los modelos de envejecimiento, esta tesis doctoral contribuye en lo que respecta al desarrollo de modelos semiempíricos. Estos modelos, al no requerir la resolución de sistemas de ecuaciones diferenciales ni el conocimiento de los fenómenos químicos internos de la celda, son mucho más fáciles de calibrar y menos exigentes computacionalmente. Los modelos desarrollados requieren la calibración de unos pocos parámetros y permiten implementar modelos de predicción del estado de salud de las células, sometidas a envejecimiento tanto cíclico como calendario.
