Name: Author Spotlight: Optimization of Airflow Velocities in Battery Cooling Systems for Enhanced Thermal Performance and Reduced Energy Consumption
Uploaded: 2023-11-03T14:40:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Optimization of Airflow Velocities in Battery Cooling Systems for Enhanced Thermal Performance and Reduced Energy Consumption at JoVE.com

Sommige analyse- en optimalisatiesoftware wordt ondersteund door Tsinghua University, Konkuk University, Chonnam National University, Mokpo University en Chiba University.

OPMERKING: De roadmap voor onderzoekstechnologie wordt weergegeven in afbeelding 1, waar de modellerings-, simulatie- en optimalisatiesoftware wordt gebruikt. De benodigde materialen worden weergegeven in de Tabel met materialen.
1. Het maken van het 3D-model
OPMERKING: We hebben Solidworks gebruikt om het 3D-model te maken.
<ol><li>Teken een rechthoek van 252 mm x 175 mm, klik op Einddruk/basis extruderen en voer 73 in. ...

Optimizing Battery Heat Management in Dusty Environments

<ol>
	<li>Xia, G., Cao, L., Bi, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+on+battery+thermal+management+in+electric+vehicle+application.">A review on battery thermal management in electric vehicle application.</a> Journal of Power Sources. 367 (1), 90-105 (2017).</li><li>Mahamud, R., Park, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reciprocating+air+flow+for+Li-ion+battery+thermal+management+to+improve+temperature+uniformity.">Reciprocating air flow for Li-ion battery thermal management to improve temperature uniformity.</a> Journal of Power Sources. 196 (13), 5685-5696 (2011).</li><li>Kumar, R., Goel, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+study+on+thermal+management+system+of+lithium-ion+batteries+for+electrical+vehicles:+A+critical+review.">A study on thermal management system of lithium-ion batteries for electrical vehicles: A critical review.</a> Journal of Energy Storage. 71, 108025 (2023).</li><li>Fan, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+study+on+the+thermal+management+performance+of+air+cooling+for+high+energy+density+cylindrical+lithium-ion+batteries.">Experimental study on the thermal management performance of air cooling for high energy density cylindrical lithium-ion batteries.</a> Applied Thermal Engineering. 155, 96-109 (2019).</li><li>Mohammadian, S. K., He, Y. L., Zhang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Internal+cooling+of+a+lithium-ion+battery+using+electrolyte+as+coolant+through+microchannels+embedded+inside+the+electrodes.">Internal cooling of a lithium-ion battery using electrolyte as coolant through microchannels embedded inside the electrodes.</a> Journal of Power Sources. 293, 458-466 (2015).</li><li>Skerlos, S. J., Winebrake, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeting+plug-in+hybrid+electric+vehicle+policies+to+increase+social+benefits.">Targeting plug-in hybrid electric vehicle policies to increase social benefits.</a> Energy Policy. 38 (2), 705-708 (2010).</li><li>Avadikyan, A., Llerena, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+real+options+reasoning+approach+to+hybrid+vehicle+investments.">A real options reasoning approach to hybrid vehicle investments.</a> Technological Forecasting and Social Change. 77 (4), 649-661 (2010).</li><li>Chen, K., Chen, Y., Li, Z., Yuan, F., Wang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+of+the+cell+spacings+of+battery+pack+in+parallel+air-+cooled+battery+thermal+management+system.">Design of the cell spacings of battery pack in parallel air- cooled battery thermal management system.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 127, 393-401 (2018).</li><li>Jiang, Z. Y., Qu, Z. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lithium+-+ion+battery+thermal+management+using+heat+pipe+and+phase+change+material+during+discharge+-+charge+cycle:+A+comprehensive+numerical+study.">Lithium - ion battery thermal management using heat pipe and phase change material during discharge - charge cycle: A comprehensive numerical study.</a> Applied Energy. 242, 378-392 (2019).</li><li>Saw, L. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computational+fluid+dynamic+and+thermal+analysis+of+Lithium-ion+battery+pack+with+air+cooling.">Computational fluid dynamic and thermal analysis of Lithium-ion battery pack with air cooling.</a> Applied energy. 177, 783-792 (2016).</li><li>Park, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+design+of+air+flow+configuration+for+cooling+lithium+-+ion+battery+in+hybrid+electric+vehicles.">A design of air flow configuration for cooling lithium - ion battery in hybrid electric vehicles.</a> Journal of Power Sources. 239 (10), 30-36 (2013).</li><li>Wang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+runaway+caused+fire+and+explosion+of+lithium-ion+battery.">Thermal runaway caused fire and explosion of lithium-ion battery.</a> Journal of power sources. 208, 210-224 (2012).</li><li>Rao, Z., Wang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+power+battery+thermal+energy+management.">A review of power battery thermal energy management.</a> Renewable and Sustainable Energy Reviews. 15 (9), 4554-4571 (2011).</li><li>Chen, K., Wu, W., Yuan, F., Chen, L., Wang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cooling+efficiency+improvement+of+air-cooled+battery+thermal+management+system+through+designing+the+flow+pattern.">Cooling efficiency improvement of air-cooled battery thermal management system through designing the flow pattern.</a> Energy. 167, 781-790 (2019).</li><li>Lan, X., Li, X., Ji, S., Gao, C., He, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+optimization+of+a+novel+reverse+layered+air-cooling+battery+management+system+using+U+and+Z+type+flow+patterns.">Design and optimization of a novel reverse layered air-cooling battery management system using U and Z type flow patterns.</a> International Journal of Energy Research. 46 (10), 14206-14226 (2022).</li><li>Singh, G., Wu, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+different+inlet/outlet+port+configurations+on+the+thermal+management+of+prismatic+Li-ion+batteries.">Effect of different inlet/outlet port configurations on the thermal management of prismatic Li-ion batteries.</a> Journal of Heat Transfer. 144 (11), 112901 (2022).</li><li>Zhang, J., Wu, X., Chen, K., Zhou, D., Song, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+and+numerical+studies+on+an+efficient+transient+heat+transfer+model+for+air-cooled+battery+thermal+management+systems.">Experimental and numerical studies on an efficient transient heat transfer model for air-cooled battery thermal management systems.</a> Journal of Power Sources. 490, 229539 (2021).</li><li>Qian, X., Xuan, D., Zhao, X., Shi, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+dissipation+optimization+of+lithium-ion+battery+pack+based+on+neural+networks.">Heat dissipation optimization of lithium-ion battery pack based on neural networks.</a> Applied Thermal Engineering. 162, 114289 (2019).</li><li>Chen, K., Wang, S., Song, M., Chen, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+optimization+of+parallel+air-cooled+battery+thermal+management+system.">Structure optimization of parallel air-cooled battery thermal management system.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 111, 943-952 (2017).</li><li>Liu, Y., Zhang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-adapting+J-type+air-based+battery+thermal+management+system+via+model+predictive+control.">Self-adapting J-type air-based battery thermal management system via model predictive control.</a> Applied Energy. 263, 114640 (2020).</li><li>Baveja, R., Bhattacharya, J., Panchal, S., Fraser, R., Fowler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predicting+temperature+distribution+of+passively+balanced+battery+module+under+realistic+driving+conditions+through+coupled+equivalent+circuit+method+and+lumped+heat+dissipation+method.">Predicting temperature distribution of passively balanced battery module under realistic driving conditions through coupled equivalent circuit method and lumped heat dissipation method.</a> Journal of Energy Storage. 70, 107967 (2023).</li><li>Singh, L. K., Kumar, R., Gupta, A. K., Sharma, A. K., Panchal, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computational+study+on+hybrid+air-PCM+cooling+inside+lithium-ion+battery+packs+with+varying+number+of+cells.">Computational study on hybrid air-PCM cooling inside lithium-ion battery packs with varying number of cells.</a> Journal of Energy Storage. 67, 107649 (2023).</li><li>Fan, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-objective+optimization+design+and+experimental+investigation+for+a+prismatic+lithium-ion+battery+integrated+with+a+multi-stage+Tesla+valve-based+cold+plate.">Multi-objective optimization design and experimental investigation for a prismatic lithium-ion battery integrated with a multi-stage Tesla valve-based cold plate.</a> Processes. 11 (6), 1618 (2023).</li><li>Feng, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+the+Cooling+Performance+of+Symmetric+Battery+Thermal+Management+Systems+at+High+Discharge+Rates.">Optimization of the Cooling Performance of Symmetric Battery Thermal Management Systems at High Discharge Rates.</a> Energy Fuels. 37 (11), 7990-8004 (2023).</li><li>Talele, V., Moral&#305;, U., Patil, M. S., Panchal, S., Mathew, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+battery+preheating+in+critical+subzero+ambient+condition+using+different+preheating+arrangement+and+advance+pyro+linear+thermal+insulation.">Optimal battery preheating in critical subzero ambient condition using different preheating arrangement and advance pyro linear thermal insulation.</a> Thermal Science and Engineering Progress. 42, 101908 (2023).</li><li>Kenny, Q. Y., Li, W., Sudjianto, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Algorithmic+construction+of+optimal+symmetric+Latin+hypercube+designs.">Algorithmic construction of optimal symmetric Latin hypercube designs.</a> Journal of statistical planning and inference. 90 (1), 145-159 (2000).</li><li>Oliveira Jr, H. A., Petraglia, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+optimization+using+dimensional+jumping+and+fuzzy+adaptive+simulated+annealing.">Global optimization using dimensional jumping and fuzzy adaptive simulated annealing.</a> Applied Soft Computing. 11 (6), 4175-4182 (2011).</li><li>Ingber, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Very+fast+simulated+re-annealing.">Very fast simulated re-annealing.</a> Mathematical and computer modelling. 12 (8), 967-973 (1989).</li><li>Yu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+study+on+transient+thermal+characteristics+of+stagger-arranged+lithium-ion+battery+pack+with+air+cooling+strategy.">Experimental study on transient thermal characteristics of stagger-arranged lithium-ion battery pack with air cooling strategy.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 143, 118576 (2019).</li><li>Li, W., Xiao, M., Peng, X., Garg, A., Gao, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+surrogate+thermal+modeling+and+parametric+optimization+of+battery+pack+with+air+cooling+for+EVs.">A surrogate thermal modeling and parametric optimization of battery pack with air cooling for EVs.</a> Applied Thermal Engineering. 147, 90-100 (2019).</li><li>Chen, K., Zhang, Z., Wu, B., Song, M., Wu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+air-cooled+system+with+a+control+strategy+for+efficient+battery+thermal+management.">An air-cooled system with a control strategy for efficient battery thermal management.</a> Applied Thermal Engineering. 236, 121578 (2023).</li><li>Zhao, L., Li, W., Wang, G., Cheng, W., Chen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+thermal+management+system+for+lithium-ion+battery+modules+combining+direct+liquid-cooling+with+forced+air-cooling.">A novel thermal management system for lithium-ion battery modules combining direct liquid-cooling with forced air-cooling.</a> Applied Thermal Engineering. 232, 120992 (2023).</li><li>Oyewola, O. M., Awonusi, A. A., Ismail, O. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+optimization+of+Air-Cooled+Li-ion+battery+thermal+management+system+with+Step-like+divergence+plenum+for+electric+vehicles.">Design optimization of Air-Cooled Li-ion battery thermal management system with Step-like divergence plenum for electric vehicles.</a> Alexandria Engineering Journal. 71, 631-644 (2023).</li><li>Chen, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+of+parallel+air-cooled+battery+thermal+management+system+through+numerical+study.">Design of parallel air-cooled battery thermal management system through numerical study.</a> Energies. 10 (10), 1677 (2017).</li><li>Lyu, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+structure+optimization+method+for+forced+air-cooling+system+based+on+the+simplified+multi-physics+model.">A new structure optimization method for forced air-cooling system based on the simplified multi-physics model.</a> Applied Thermal Engineering. 198, 117455 (2021).</li><li>Zhang, W. C., Liang, Z. C., Ling, G. Z., Huang, L. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+phase+change+material+dosage+on+the+heat+dissipation+performance+of+the+battery+thermal+management+system.">Influence of phase change material dosage on the heat dissipation performance of the battery thermal management system.</a> Journal of Energy Storage. 41, 102849 (2021).</li><li>Li, M. L., Zang, M. Y., Li, C. Y., Dai, H. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+structure+of+air+cooling+heat+dissipation+for+Li-ion+batteries.">Optimization of structure of air cooling heat dissipation for Li-ion batteries.</a> Battery Bimonthly. 50 (3), 1001 (2020).</li></ol>

Het BTMS dat in deze studie is gebruikt, is vastgesteld op basis van het luchtkoelsysteem vanwege de lage kosten en de eenvoud van de structuur. Vanwege de lage warmteoverdrachtscapaciteit zijn de prestaties van het luchtkoelsysteem lager dan die van het vloeistofkoelsysteem en het koelsysteem met faseveranderingsmateriaal. Het vloeistofkoelsysteem heeft echter het nadeel van koelmiddellekkage en het koelsysteem van faseveranderingsmateriaal heeft een hoge massa en een lage energiedichtheid29. Dez...

Met de snelle ontwikkeling van de auto-industrie verbruiken traditionele brandstofvoertuigen veel niet-hernieuwbare hulpbronnen, wat resulteert in ernstige milieuvervuiling en energietekort. Een van de meest veelbelovende oplossingen is de ontwikkeling van elektrische voertuigen (EV's)1,2.
De stroombatterijen die voor EV's worden gebruikt, kunnen elektrochemische energie opslaan, wat de sleutel is tot het vervangen van traditionele brandstofvoertuigen. Stroombatterijen die in EV's worden gebruikt, zijn onder meer lithium-ionbatterijen (LIB), nikkel-metaalhydridebatterijen (NiMH) en elektrische dubbellaagse condensatoren (EDLC)3. In vergelijking met de andere batterijen worden lithium-ionbatterijen momenteel veel gebruikt als energieopslageenheden in EV's vanwege hun voordelen zoals hoge energiedichtheid, hoog rendement en lange levenscyclus 4,5,6,7.
Door chemische reactiewarmte en Joule-warmte is het echter gemakkelijk om een grote hoeveelheid warmte te accumuleren en de batterijtemperatuur te verhogen tijdens snel opladen en ontladen met hoge intensiteit. De ideale bedrijfstemperatuur van LIB is 20-40 °C 8,9. Het maximale temperatuurverschil tussen de batterijen in een batterijstring mag niet groter zijn dan 5 °C10,11. Anders kan dit leiden tot een reeks risico's, zoals temperatuuronbalans tussen de batterijen, versnelde veroudering, zelfs oververhitting, brand, explosie, enzovoort12. Daarom is het kritieke probleem dat moet worden opgelost het ontwerpen en optimaliseren van een efficiënt thermisch beheersysteem voor batterijen (BTMS) dat de temperatuur en het temperatuurverschil van het batterijpakket binnen een smal niveau kan regelen.
Typische BTMS zijn luchtkoeling, waterkoeling en materiaalkoeling met faseverandering13. Van deze koelmethoden wordt het type luchtkoeling veel gebruikt vanwege de lage kosten en de eenvoud van de structuur14. Door de beperkte specifieke warmtecapaciteit van lucht zijn hoge temperaturen en grote temperatuurverschillen gemakkelijk op te treden tussen batterijcellen in luchtgekoelde systemen. Om de koelprestaties van luchtgekoeld BTMS te verbeteren, is het noodzakelijk om een efficiënt systeem te ontwerpen 15,16,17. Qian et al.18 verzamelden de maximale temperatuur en het temperatuurverschil van het batterijpakket om het bijbehorende Bayesiaanse neurale netwerkmodel te trainen, dat wordt gebruikt om de celafstanden van het luchtgekoelde batterijpakket te optimaliseren. Chen et al.19 rapporteerden met behulp van de Newton-methode en het stroomweerstandsnetwerkmodel voor optimalisatie van de breedtes van het inlaatdivergentieplenum en het uitlaatconvergentieplenum in het Z-type parallelle luchtgekoelde systeem. De resultaten toonden een vermindering van 45% in het temperatuurverschil van het systeem. Liu et al.20 bemonsterden vijf groepen van de koelkanalen in het J-BTMS en verkregen de beste combinatie van celafstanden door het ensemble-surrogaatgebaseerde optimalisatie-algoritme. Baveja et al.21 modelleerden een passief gebalanceerde batterijmodule en de studie beschreef de effecten van thermische voorspelling op passieve balancering op moduleniveau en vice versa. Singh et al.22 onderzochten een thermisch beheersysteem voor batterijen (BTMS) dat gebruik maakte van ingekapseld faseveranderingsmateriaal samen met geforceerde convectieve luchtkoeling, ontworpen met behulp van de gekoppelde elektrochemisch-thermische modellering. Fan et al.23 stelden een vloeistofkoelplaat voor met een meertraps Tesla-klepconfiguratie om een veiliger temperatuurbereik te bieden voor een prismatische lithium-ionbatterij met een hoge herkenning in microfluïdische toepassingen. Feng et al. 24 gebruikten de variatiecoëfficiëntmethode om de schema's met verschillende inlaatstroomsnelheden en batterijspelingen te evalueren. Talele et al.25 introduceerden wandversterkte pyro-bekleding thermische isolatie om potentieel gegenereerde verwarming op te slaan op basis van een optimale plaatsing van verwarmingsfilms.
Wanneer men luchtkoelend BTMS gebruikt, worden metaalstofdeeltjes, minerale stofdeeltjes, stofdeeltjes van bouwmaterialen en andere deeltjes in de externe omgeving door de blazer in het luchtkoelende BTMS gebracht, waardoor het oppervlak van de batterijen bedekt kan raken met DPM. Als er geen warmteafvoerplan is, kan dit ongelukken veroorzaken door de te hoge batterijtemperatuur. Na simulatie nemen we de maximale temperatuur van het batterijpakket in een gespecificeerde luchtstroomsnelheid en stofvrije omgeving als de verwachte temperatuur in een stoffige omgeving. Ten eerste verwijst C-rate naar de huidige waarde die nodig is wanneer de batterij zijn nominale capaciteit binnen de gespecificeerde tijd vrijgeeft, wat gelijk is aan een veelvoud van de nominale capaciteit van de batterij in de gegevenswaarde. In dit artikel maakt de simulatie gebruik van 2C-ontlading. De nominale capaciteit is 10 Ah en de nominale spanning is 3,2 V. Lithiumijzerfosfaat (LiFePO4) wordt gebruikt als het positieve elektrodemateriaal en koolstof wordt gebruikt als het negatieve elektrodemateriaal. De elektrolyt bevat elektrolytlithiumzout, een zeer zuiver organisch oplosmiddel, noodzakelijke additieven en andere grondstoffen. De willekeurige array die de verschillende snelheidscombinaties bij de inlaten vertegenwoordigt, werd bepaald door middel van de OLHA, en een 2e orde-functie tussen de maximale temperatuur van het batterijpakket en de inlaatstroomsnelheidscombinatie werd ingesteld op voorwaarde dat de nauwkeurigheid van de curve-fitting werd gecontroleerd. Latijnse hyperkubus (LH) ontwerpen zijn toegepast in veel computerexperimenten sinds ze werden voorgesteld door McKay et al.26. Een LH wordt gegeven door een N x p-matrix L, waarbij elke kolom van L bestaat uit een permutatie van de gehele getallen 1 tot N. In dit artikel wordt de optimale Latijnse hyperkubusbemonsteringsmethode gebruikt om de rekenlast te verminderen. De methode maakt gebruik van gestratificeerde bemonstering om ervoor te zorgen dat de bemonsteringspunten alle inwendige bemonsteringsorganen kunnen bestrijken.
In de volgende stap werd de combinatie van de inlaatstroomsnelheid geoptimaliseerd om de maximale temperatuur van het batterijpakket in een stoffige omgeving te verlagen op basis van de ASAM op voorwaarde dat tegelijkertijd rekening wordt gehouden met het energieverbruik. Het adaptieve gesimuleerde gloeialgoritme is uitgebreid ontwikkeld en wordt veel gebruikt in veel optimalisatieproblemen27,28. Dit algoritme kan voorkomen dat het verstrikt raakt in een lokaal optimum door de slechtste oplossing met een zekere waarschijnlijkheid te accepteren. Het globale optimum wordt bereikt door het definiëren van de acceptatiekans en temperatuur; De rekensnelheid kan ook worden aangepast met behulp van deze twee parameters. Ten slotte werd voor het controleren van de nauwkeurigheid van de optimalisatie het optimale resultaat vergeleken met het analyseresultaat verkregen uit de simulatiesoftware.
In dit artikel wordt een optimalisatiemethode voor het inlaatdebiet van de accubak voorgesteld voor het accupakket waarvan de temperatuur stijgt als gevolg van stofkap. Het doel is om bij een laag energieverbruik de maximumtemperatuur van de met stof bedekte accu te verlagen tot onder de maximumtemperatuur van de niet-stoffige accu.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ansys-Workbench</td>
			<td>ANSYS</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Multi-purpose finite element method computer design program software.https://www.ansys.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isight</td>
			<td>Engineous Sogtware</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Comprehensive computer-aided engineering software.https://www.3ds.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NVIDIA GPU</td>
			<td>NVIDIA</td>
			<td>N/A</td>
			<td>An NVIDIA GPU is needed as some of the software frameworks below will not work otherwise. https://www.nvidia.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SOLIDWORKS</td>
			<td>Dassault Systemes</td>
			<td>N/A</td>
			<td>SolidWorks provides different design solutions, reduces errors in the design process, and improves product quality 
			www.solidworks.com</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optimization of an air-based heat management system for dusty particulate matter-covered lithium-ion battery packs

Deze studie heeft tot doel het probleem van de stijging van de celtemperatuur en de prestatiedaling veroorzaakt door stoffige deeltjes die het oppervlak van de cel bedekken, op te lossen door de toewijzing van luchtstroomsnelheden aan de inlaten van de koelbox van de batterij met als doel een laag energieverbruik. We nemen de maximale temperatuur van het batterijpakket bij een gespecificeerde luchtstroomsnelheid en stofvrije omgeving als de verwachte temperatuur in een stoffige omgeving. De maximale temperatuur van het batterijpakket in een stoffige omgeving wordt opgelost bij verschillende inlaatluchtstroomsnelheden, die de randvoorwaarden zijn van het analysemodel dat in de simulatiesoftware is geconstrueerd. De arrays die de verschillende luchtstroomsnelheidscombinaties van inlaten vertegenwoordigen, worden willekeurig gegenereerd via het optimale Latijnse hyperkubusalgoritme (OLHA), waarbij de onder- en bovengrenzen van snelheden die overeenkomen met de temperaturen boven de gewenste temperatuur worden ingesteld in de optimalisatiesoftware. Met behulp van de aanpasmodule van de optimalisatiesoftware stellen we een geschatte QRSM vast tussen de snelheidscombinatie en de maximale temperatuur. De QRSM is geoptimaliseerd op basis van de ASAM, en het optimale resultaat is in goede overeenstemming met het analyseresultaat dat door de simulatiesoftware wordt verkregen. Na optimalisatie wordt het debiet van de middelste inlaat gewijzigd van 5,5 m/s naar 5 m/s en wordt de totale luchtstroomsnelheid met 3% verlaagd. Het protocol presenteert hier een optimalisatiemethode die tegelijkertijd rekening houdt met het energieverbruik en de thermische prestaties van het batterijbeheersysteem dat is opgezet, en het kan op grote schaal worden gebruikt om de levenscyclus van het batterijpakket te verbeteren met minimale bedrijfskosten.

With the rapid development of the automobile industry, traditional fuel vehicles consume a lot of non-renewable resources, resulting in serious environmental pollution and energy shortage. One of the most promising solutions is the development of electric vehicles (EVs)1,2.
The power batteries used for EVs can store electrochemical energy, which is the key to replacing traditional fuel vehicles. Power batteries used in EVs include lithium-ion battery (LIB), nickel-metal hydride battery (NiMH), and electric double-layer capacitor (EDLC)3. Compared to the other batteries, lithium-ion batteries are currently widely used as energy storage units in EVs owing to their advantages such as high energy density, high efficiency, and long life cycle4,5,6,7.
However, due to chemical reaction heat and Joule heat, it is easy to accumulate a large amount of heat and increase the battery temperature during rapid charging and high-intensity discharging. The ideal operating temperature of LIB is 20-40 &#176;C8,9. The maximum temperature difference between the batteries in a battery string should not exceed 5 &#176;C10,11. Otherwise, it may lead to a series of risks such as temperature imbalance between the batteries, accelerated aging, even overheating, fire, explosion, and so on12. Therefore, the critical issue to be resolved is designing and optimizing an efficient battery thermal management system (BTMS) that can control the temperature and temperature difference of the battery pack within a narrow.
Typical BTMS include air cooling, water cooling, and phase change material cooling13. Among these cooling methods, the air cooling type is widely used because of its low cost and simplicity of the structure14. Due to the limited specific heat capacity of air, high temperature and large temperature differences are easy to occur between battery cells in air-cooled systems. In order to improve the cooling performance of air-cooled BTMS, it is necessary to design an efficient system15,16,17. Qian et al.18 collected the battery pack&#39;s maximum temperature and temperature difference to train the corresponding Bayesian neural network model, which is used to optimize cell spacings of the series air-cooled battery pack. Chen et al.19 reported using the Newton method and the flow resistance network model for optimization of the widths of the inlet divergence plenum and the outlet convergence plenum in the Z-type parallel air-cooled system. The results showed a 45% reduction in the temperature difference of the system. Liu et al.20 sampled five groups of the cooling ducts in the J-BTMS and obtained the best combination of cell spacings by the ensemble surrogate-based optimization algorithm. Baveja et al.21 modeled a passively balanced battery module, and the study described the effects of thermal prediction on module-level passive balancing and vice versa. Singh et al.22 investigated a battery thermal management system (BTMS) that used encapsulated phase change material along with forced convective air cooling designed using the coupled electrochemical-thermal modeling. Fan et al.23 proposed a liquid cooling plate comprising a multi-stage Tesla valve configuration to provide a safer temperature range for a prismatic-type lithium-ion battery with high recognition in microfluidic applications. Feng et al. 24 used the coefficient of variation method to evaluate the schemes with different inlet flow rates and battery clearances. Talele et al.25 introduced wall-enhanced pyro lining thermal insulation to store potential generated heating based on optimal placement of heating films.
When one uses air-cooling BTMS, metal dust particles, mineral dust particles, building materials dust particles, and other particles in the external environment will be brought into the air-cooling BTMS by the blower, which can cause the surface of the batteries to be covered with DPM. If there is no heat dissipation plan, it may cause accidents due to the excessively high battery temperature. After simulation, we take the maximum temperature of the battery pack in a specified airflow velocity and dust-free environment as the expected temperature in a dusty environment. First, C-rate refers to the current value required when the battery releases its rated capacity within the specified time, which is equal to a multiple of the battery&#39;s rated capacity in the data value. In this paper, the simulation uses 2C rate discharge. The rated capacity is 10 Ah, and the nominal voltage is 3.2 V. Lithium iron phosphate (LiFePO4) is used as the positive electrode material, and carbon is used as the negative electrode material. The electrolyte has electrolyte lithium salt, a high-purity organic solvent, necessary additives, and other raw materials. The random array representing the different velocity combinations at the inlets was determined through the OLHA, and a 2nd order function between the maximum temperature of the battery pack and the inlet flow velocity combination was set up under the condition of checking the accuracy of the curve fitting. Latin hypercube (LH) designs have been applied in many computer experiments since they were proposed by McKay et al.26. An LH is given by an N x p-matrix L, where each column of L consists of a permutation of the integers 1 to N. In this paper, the optimal Latin hypercube sampling method is used to reduce the computational burden. The method uses stratified sampling to ensure that the sampling points can cover all the sampling internals.
In the following step, the inlet flow velocity combination was optimized to decrease the maximum temperature of the battery pack in a dusty environment based on the ASAM under the condition of considering energy consumption simultaneously. The adaptive simulated annealing algorithm has been extensively developed and widely used in many optimization problems27,28. This algorithm can avoid getting trapped in a local optimum by accepting the worst solution with a certain probability. The global optimum is achieved by defining the acceptance probability and temperature; the calculation speed can also be adjusted by using these two parameters. Finally, for checking the accuracy of the optimization, the optimal result was compared with the analysis result obtained from the simulation software.
In this paper, an optimization method for the inlet flow rate of the battery box is proposed for the battery pack whose temperature rises due to dust cover. The purpose is to reduce the maximum temperature of the dust-covered battery pack to below the maximum temperature of the non-dust-covered battery pack in the case of low energy consumption.

Author Spotlight: Optimization of Airflow Velocities in Battery Cooling Systems for Enhanced Thermal Performance and Reduced Energy Consumption 

Optimalisatie van een op lucht gebaseerd warmtebeheersysteem voor met stoffige deeltjes bedekte lithium-ionbatterijpakketten

Volgens het protocol zijn de eerste drie onderdelen de belangrijkste, waaronder modellering, meshing en simulatie, allemaal om de maximale temperatuur van het batterijpakket te krijgen. Vervolgens wordt de luchtstroomsnelheid aangepast door middel van bemonstering en ten slotte wordt de optimale combinatie van stroomsnelheden verkregen door optimalisatie.
Figuur 9 toont de vergelijking van de temper...

Watch this Scientific Journal Video about Optimization of Airflow Velocities in Battery Cooling Systems for Enhanced Thermal Performance and Reduced Energy Consumption at JoVE.com

Hier presenteren we de adaptieve gesimuleerde gloeimethode (ASAM) om een benaderend kwadratisch responsoppervlaktemodel (QRSM) te optimaliseren dat overeenkomt met een stoffig, met deeltjes bedekt batterijwarmtebeheersysteem en om de temperatuurdalingen te compenseren door de combinatie van luchtstroomsnelheden van systeeminlaten aan te passen.

This study aims to solve the problem of the cell temperature rise and performance decline caused by dusty particulate matter covering the surface of the ...

Deze studie heeft tot doel het probleem van de stijging van de celtemperatuur en de prestatiedaling op te lossen die wordt veroorzaakt door de stoffige deeltjes die het oppervlak van de cel bedekken door de toewijzing van luchtstroomsnelheden aan de onderkant van de koelbox van de batterij met als doel een laag energieverbruik. Er is een optimalisatiemethode vastgesteld die tegelijkertijd rekening houdt met het energieverbruik en de thermische prestaties van het batterijbeheersysteem. En het kan op grote schaal worden gebruikt om de levensduur van het batterijpakket te verbeteren met minimale bedrijfskosten.

optimization-an-air-based-heat-management-system-for-dusty

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Electrical Engineering

Engineering

Unit 1

Optimization of An Air-Based Heat Management System for Dusty Particulate Matter-Covered Lithium-Ion Battery Packs

Transient Stability and System Controls

SCIENTISTS IN ACTION

This study aims to solve the problem of the cell temperature rise and performance decline caused by dusty particulate matter covering the surface of the cell through the allocation of airflow velocities at the inlets of the battery cooling box under the goal of low energy consumption. We take the maximum temperature of the battery pack at a specified airflow velocity and dust-free environment as the expected temperature in a dusty environment. The maximum temperature of the battery pack in a dusty environment is solved at different inlet airflow velocities, which are the boundary conditions of the analysis model constructed in the simulation software. The arrays representing the different airflow velocity combinations of inlets are generated randomly through the optimal Latin hypercube algorithm (OLHA), where the lower and upper limits of velocities corresponding to the temperatures above the desired temperature are set in the optimization software. We establish an approximate QRSM between the velocity combination and the maximum temperature using the fitting module of the optimization software. The QRSM is optimized based on the ASAM, and the optimal result is in good agreement with the analysis result obtained by the simulation software. After optimization, the flow rate of the middle inlet is changed from 5.5 m/s to 5 m/s, and the total airflow velocity is decreased by 3%. The protocol here presents an optimization method simultaneously considering energy consumption and thermal performance of the battery management system that has been established, and it can be widely used to improve the life cycle of the battery pack with minimum operating cost.

Here, we present the adaptive simulated annealing method (ASAM) to optimize an approximate quadratic response surface model (QRSM) corresponding to a dusty particulate matter-covered battery heat management system and fulfill the temperature drops back by adjusting the airflow velocities combination of system inlets.

Simulation Analysis for Evaluating Temperature and Airflow Dynamics in Battery Packs 

To begin the fluid flow analysis, drag Fluid Flow from the toolbox and Analysis Systems into the project schematic zone. Then hold airFEM mesh, batteryFEM mesh, and dpmFEM mesh fluid flow with the left mouse button and move them to fluid flow setup. Right click on Fluid Flow, then set up and select Update to enter the Setup window.Confirm the validity of the FEM model and check if the mesh has a negative volume. Now, enter the setting interface of the Viscous model and the Radiation model and select the K-epsilon model and the Discrete Ordinates model respectively. Change the fluid type of the numbered battery domains to the solid type.Then on the Solid window, double click each battery domain to change the DPM material to the battery material. Subsequently, choose the source terms item and check the highlighted source terms to add an energy source by assigning the number and the number of energy sources and selecting constant type to input the source value. Change the fluid type of numbered DPM domains to solid type.Next, convert the type of all renamed surfaces, including the inner surfaces of the air domain, all sides of the battery domains, and DPM domains from the default wall to the interface. To generate mesh interfaces, click the Mesh Interfaces and enter the Create and Edit Mesh Interfaces Window. Match the cavity surfaces to all sides, except the upper sides of the battery domains and the lower sides of the DPM domains.Name and number them as interface1 to interface11 respectively. Then match the upper sides of the battery domains and the lower sides of the DPM domains. Name and number them as interface12 to interface22 respectively.To assign the outer border surface as the wall thermal boundary, set the heat transfer coefficient as five in the mixed thermal condition. Then change the material from default aluminum to the previously self-defined battery box material. In the Velocity Inlet window, set airflow velocities of all inlets to five meters per second.Then set the gauge pressure of the outlet to zero in the Pressure Outlet window. Next, set the state of the computing domain with an initial temperature of 300 kelvin and solution initialization type, best standard initialization. Set the number of iterations to 2000 and click Calculate to begin the simulation.To enter the CFD Post window, double click Fluid Flow followed by Results. Then from the toolbox, double click the icon of contour. In the location selector, choose all sides of the batteries and switch from pressure to temperature.Then click Apply to generate the temperature contour of the batteries. Click File, then Export. To select the temperature of the selected variables, then click the dropdown button of the locations to select the battery domains.Click OK followed by the Save button to quit. Battery pack temperature variation at different inlet airflow velocities demonstrated that the maximum battery pack temperature decreases with the increase of inlet airflow velocity. The comparison of the battery pack temperature distribution and the second battery temperature distribution in different environments showed that the temperature of the battery increases under dusty conditions due to the low thermal conductivity of DPM.