粉塵粒子状物質に覆われたリチウムイオン電池パックの空気熱管理システムの最適化

要約

ここでは、粉塵に覆われた粒子状物質に覆われたバッテリー熱管理システムに対応した近似二次応答曲面モデル(QRSM)を最適化し、システム入口の気流速度の組み合わせを調整することで温度低下を実現する適応型シミュレーテッドアニーリング法(ASAM)を紹介します。

要約

本研究は、電池冷却ボックスの入口に気流速度を割り当てることで、セル表面を覆う塵埃粒子状物質によるセル温度上昇や性能低下の問題を解決し、低エネルギー消費を目指します。指定された気流速度とほこりのない環境でのバッテリーパックの最高温度を、ほこりの多い環境での予想温度として取ります。粉塵の多い環境におけるバッテリーパックの最高温度は、シミュレーションソフトウェアで構築された解析モデルの境界条件である、異なる吸気流速度で解かれます。吸気口のさまざまな気流速度の組み合わせを表す配列は、最適ラテンハイパーキューブアルゴリズム(OLHA)によってランダムに生成され、目的の温度を超える温度に対応する速度の下限と上限が最適化ソフトウェアで設定されます。最適化ソフトウェアのフィッティングモジュールを使用して、速度の組み合わせと最高温度の間のおおよそのQRSMを確立します。QRSMはASAMに基づいて最適化されており、最適な結果はシミュレーションソフトウェアで得られた解析結果とよく一致しています。最適化後、中央入口の流量を5.5 m/sから5 m/sに変更し、総気流速度を3%低下させます。ここでのプロトコルは、確立されたバッテリー管理システムのエネルギー消費と熱性能を同時に考慮した最適化方法を提示し、最小限の運用コストでバッテリーパックのライフサイクルを改善するために広く使用できます。

概要

自動車産業の急速な発展に伴い、従来の燃料車は再生不可能な資源を大量に消費し、深刻な環境汚染とエネルギー不足を引き起こしています。最も有望な解決策の1つは、電気自動車(EV)^{の開発です1,2}。

EVに使用される動力用バッテリーは、従来の燃料車に取って代わる鍵となる電気化学エネルギーを蓄えることができます。EVに使われる動力電池には、リチウムイオン電池(LIB)、ニッケル水素電池(NiMH)、電気二重層キャパシタ(EDLC)^※3などがあります。リチウムイオン電池は、他の電池と比較して、エネルギー密度が高く、効率が高く、ライフサイクルが長いなどの利点があるため、現在、EVのエネルギー貯蔵ユニットとして広く使用されています^4,5,6,7。

ただし、化学反応熱とジュール熱により、急速充電や高強度放電中に大量の熱が蓄積し、バッテリー温度が上昇しやすくなります。LIBの理想的な動作温度は20〜40°

プロトコル

注:研究技術ロードマップを 図1に示し、モデリング、シミュレーション、および最適化ソフトウェアを使用しています。必要な材料は材料 表に示されています。

1. 3Dモデルの作成

注:3Dモデルの作成にはSolidworksを使用しました。

1. 252 mm x 175 mm の長方形を描画し、 ボス/ベースを押し出し(Extrude Boss/Base)をクリックして 73 と入力します。外面から 4 mm の位置に新しい平面を作成します。
2. 131 mm x 16 mm の長方形を描画し、[ 直線スケッチ パターン]をクリックします。間隔とインスタンス数にそれぞれ 22 と 6 を入力します。長方形の 4 辺をすべて選択し、「 OK」をクリックします。角度に180を入力して、もう一度実行します。このステップは、モデルの中心を対称にするためのものです。
3. 「押し出しカット」(Extrude Cut) をクリックし、65 と入力して「OK」をクリックします。Extrude Boss/Baseをクリックして65と入力し、

ディスカッション

本研究で用いたBTMSは、低コストで構造がシンプルな空冷方式をベースとして確立したものである。熱伝達能力が低いため、空冷システムの性能は、液体冷却システムや相変化材料冷却システムの性能よりも低くなります。しかし、液冷システムには冷媒漏れという欠点があり、相変化材料冷却システムは質量が大きく、エネルギー密度が低い²⁹。これらの冷却システムには?.......

資料

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