Aportaciones a la mejora de los sistemas de refrigeración de los convertidores de potencia del vehículo eléctrico

Resumen

Hoy en día, el VE es la opción mejor posicionada para sustituir masivamente a los automóviles tradicionales en el mercado a medio y largo plazo. Sin embargo, y a pesar de las previsiones tan optimistas, son aún muchos los factores que impiden alcanzar su despliegue; el stock de VE mundial actual corresponde solo al 0,2% del número total de vehículos de pasajeros en circulación.En lo que a los factores estrictamente tecnológicos se refiere, la tecnología del VE ha de mejorar su eficiencia. La densidad de potencia exigida en los módulos inversores en el VE es elevada y por ello es necesaria una refrigeración eficiente que permita disipar el máximo calor. En esta tesis, se dará solución a este problema, desarrollando para ello nuevas estrategias de gestión térmica y tecnologías de refrigeración avanzadas que permitan a la electrónica de potencia estar más cerca de cumplir los objetivos fijados.En consecuencia, inicialmente, se realizará una revisión exhaustiva del estado del arte, las tecnologías actuales y las tendencias futuras de las técnicas de refrigeración que harán posible la próxima generación de VEs y se analizarán los aspectos de diseño del encapsulado del módulo de potencia, para mejorar, así, la conductividad térmica, disminuir la resistencia térmica y aumentar la corriente máxima admisible.Posteriormente, se desarrollará una plataforma experimental para un sistema de refrigeración líquida basado en un ciclo de compresión a vapor y diseñado a partir de elementos convencionales ya existentes en el sistema de aire acondicionado (AC) de un VE (condensador, compresor, válvula de expansión), y se ampliará el conocimiento de la aplicación eficiente de la refrigeración por cambio de fase. En la actualidad, la investigación en sistemas de refrigeración por cambio de fase se centra en la caracterización experimental y predicción teórica del coeficiente de transferencia de calor, la caída de presión y el flujo de calor crítico (CHF, Critical Heat Fluxe). Sin embargo existe poca información sobre cómo aplicar la refrigeración por cambio de fase de manera eficiente en la gestión térmica práctica de un módulo de electrónica de potencia.Finalmente, se presentará un modelo de simulación FEM (Finite Element Method) simplificado para un módulo inversor de electrónica de potencia que permitirá analizar de manera rápida, el comportamiento térmico en función de las propiedades y parámetros térmicos de los distintos materiales que componen el módulo y de la tecnología de refrigeración empleada. No obstante, un modelo de simulación que describe totalmente el proceso de ebullición (el cambio de fase cuando el fluido circula a través del cold plate, la formación de burbujas, etc.) no resulta muy útil. El alto grado de especialización requerido por parte del usuario, la gran carga computacional resultante de acoplar distintas físicas en un mismo modelo de simulación y los grandes tiempos de ejecución son los principales inconvenientes. Por esta razón, en el modelo realizado en esta tesis, se simplificará la complejidad de la física asociada al fenómeno de cambio de fase insertando como condición de contorno un coeficiente de transferencia de calor uniforme obtenido experimentalmente.(