Diseño avanzado del sistema de evacuación de gases de las baterías en un vehículo eVTOL

Abstract

[ES] Un eVTOL es un vehículo eléctrico de despegue vertical. Con el desarrollo de nuevas tecnologías en los campos de las baterías y los materiales se ha vuelto factible producir estos vehículos en masa de una manera relativamente sencilla. Tanto es así que en la actualidad hay varios proyectos en los que se plantea usar estos vehículos como taxis aéreos. Dada la naturaleza de estas propuestas, uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta en estos proyectos es la seguridad de los ocupantes a bordo. Durante un evento térmico en una celda de una batería de tecnología ion-litio, una gran cantidad de gases tóxicos y corrosivos son generados en los electrodos de la celda afectada. De esta manera, empieza una reacción en cadena que hace aumentar la presión y la temperatura dentro de esta celda. Si la presión aumenta demasiado, se produce un escape controlado de estos gases hacia el exterior para evitar la explosión de la celda y la propagación de este evento térmico hacia otras celdas aledañas que esta explosión podría acarrear, incendios, etc. El objetivo de este trabajo de fin de grado es presentar una metodología de diseño de un sistema de escape adecuado que sea capaz de conducir de manera eficaz los gases emanados durante uno de estos eventos hacia el exterior del vehículo eVTOL, procurando mantener las concentraciones de las especies gaseosas presentes en niveles seguros en todo momento. Para ello, se desarrolla un modelo matemático que intente predecir el funcionamiento de este sistema a la vez que evaluar su idoneidad. Posteriormente se plantea un procedimiento para validar los resultados obtenidos por el modelo a través de una simulación CFD. Por ultimo, se presentan algunas pautas a seguir en el proceso de mejora del diseño a partir de los datos obtenidos.

[EN] EVTOLs (Electric Vertical Take-off and Landing vehicles) are an emerging trend in the future of transportation, which has been enabled by the astounding advancements made in material science and battery design fields in the current era. These improvements in human technology have made the large-scale production of this kind of vehicles viable. One of the projected uses for these vehicles is mass transportation for congested cities as so called aerotaxis, but this raises some concerns regarding the safety of said vehicles. During a thermal event in a lithium-ion battery cell the generation of heat raises quickly and uncontrollably, which leads to the generation of gases and more heat due to exothermic reactions happening in the cells’ electrodes. When the pressure has raised enough, said gasses are let out of the cell in a controlled fashion to prevent a full thermal runaway, which can rapidly lead to fires and/or explosions in the vehicle’s battery bay. This work’s main objective consists in the elaboration of a design methodology of an exhaust system that can evacuate these thermal runaway byproducts outside the vehicle in a safe manner. To allow the initial evaluation and requirements of such a system a semi-analytic model is presented which can throw some initial guesses around the validity of an initial design or a subsequent one. Then, a procedure for a more exhaustive and time-consuming CFD validation on the case is presented in detail. Lastly, some key decision aspects on the design choices are presented in terms of the observed results from the validation phase.