粉尘颗粒物覆盖锂离子电池组的空气热管理系统的优化

摘要

在这里，我们提出了自适应模拟退火方法（ASAM），以优化对应于尘土飞扬的颗粒物覆盖的电池热管理系统的近似二次响应面模型（QRSM），并通过调整系统入口的气流速度组合来实现温度回落。

摘要

本研究旨在解决在低能耗目标下，通过分配电池冷却箱入口处的气流速度，解决含尘颗粒物覆盖电池表面导致电池温度升高和性能下降的问题。我们将电池组在指定气流速度和无尘环境中的最高温度作为多尘环境中的预期温度。求解不同进气流速下多尘环境下电池组的最高温度，这是仿真软件构建的分析模型的边界条件。通过最优拉丁超立方体算法（OLHA）随机生成代表不同进气口气流速度组合的阵列，其中在优化软件中设置了高于所需温度的温度对应的速度下限和上限。我们使用优化软件的拟合模块在速度组合和最高温度之间建立近似QRSM。基于ASAM对QRSM进行了优化，最优结果与仿真软件得到的分析结果吻合较好。优化后，中间入口流量由5.5 m/s变为5 m/s，总气流速度降低3%。本文提出了一种同时考虑已建立的电池管理系统的能耗和热性能的优化方法，可以广泛用于以最低的运行成本提高电池组的生命周期。

引言

随着汽车工业的快速发展，传统燃油车消耗了大量的不可再生资源，造成严重的环境污染和能源短缺。最有前途的解决方案之一是电动汽车 （EV） ^的开发^1,2。

用于电动汽车的动力电池可以储存电化学能量，这是替代传统燃油汽车的关键。电动汽车中使用的动力电池包括锂离子电池（LIB）、镍氢电池（NiMH）和双电层电容器（EDLC）³。与其他电池相比，锂离子电池因其高能量密度、高效率和长生命周期等优点，目前被广泛用作电动汽车中的储能单元4,5,6,7。

但是，由于化学反应热和焦耳热，在快速充电和高强度放电时容易积聚大量热量并提高电池温度。LIB的理想工作温度为20-40°C ^8,9。电池组中电池之间的最大温差不应超过 5 °C^10,11<....

研究方案

注：研究技术路线图如 图1所示，其中使用了建模、仿真和优化软件。所需材料显示在 材料表中。

1. 创建 3D 模型

注意：我们使用 Solidworks 创建 3D 模型。

1. 绘制一个 252 mm x 175 mm 的矩形，单击“ 拉伸凸台/底”（Eltrude Boss/Base），然后输入 73。创建一个距外表面 4 mm 的新平面。
2. 绘制一个 131 mm x 16 mm 的矩形，然后单击 “线性草绘图案”。在间距和实例数中分别输入 22 和 6。选择矩形的所有四个边，然后单击 “确定”。输入 180 in angle 并再次运行。此步骤用于模型中心的对称性。
3. 单击“拉伸切割”（Extrude Cut），输入 65，然后单击“确定”（OK）。单击“拉伸凸台/底座”（Extrude Boss/Base） 并输入 65，取消选中“合并结果”（Merge result），然后单击“反向”（Reverse Direction） 和....

讨论

本研究中使用的BTMS是基于空气冷却系统建立的，因为它成本低，结构简单。由于传热能力低，风冷系统的性能低于液冷系统和相变材料冷却系统。然而，液体冷却系统存在制冷剂泄漏的缺点，相变材料冷却系统质量大，能量密度低²⁹。这些冷却系统各有优缺点。因此，可以通过将风冷系统与液体冷却系统或相变材料冷却系统相结合来建立BTMS，以提高冷却性能。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ansys-Workbench	ANSYS	N/A	Multi-purpose finite element method computer design program software.https://www.ansys.com
Isight	Engineous Sogtware	N/A	Comprehensive computer-aided engineering software.https://www.3ds.com
NVIDIA GPU	NVIDIA	N/A	An NVIDIA GPU is needed as some of the software frameworks below will not work otherwise. https://www.nvidia.com
Software
SOLIDWORKS	Dassault Systemes	N/A	SolidWorks provides different design solutions, reduces errors in the design process, and improves product quality www.solidworks.com