Articolo metodologico

Ottimizzazione di un sistema di gestione del calore ad aria per pacchi batteria agli ioni di litio ricoperti di particolato polveroso

DOI:

10.3791/65892

⸱

3 novembre 2023

 ,  ,  ,  , 
1College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Qui, presentiamo il metodo di ricottura simulata adattiva (ASAM) per ottimizzare un modello approssimativo di superficie di risposta quadratica (QRSM) corrispondente a un sistema di gestione del calore della batteria coperto di particolato polveroso e soddisfare i cali di temperatura regolando la combinazione di velocità del flusso d'aria degli ingressi del sistema.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo studio mira a risolvere il problema dell'aumento della temperatura della cella e del declino delle prestazioni causato dal particolato polveroso che copre la superficie della cella attraverso l'allocazione delle velocità del flusso d'aria agli ingressi della scatola di raffreddamento della batteria con l'obiettivo di un basso consumo energetico. Prendiamo la temperatura massima del pacco batteria a una velocità del flusso d'aria specificata e in un ambiente privo di polvere come temperatura prevista in un ambiente polveroso. La temperatura massima del pacco batterie in un ambiente polveroso viene risolta a diverse velocità del flusso d'aria in ingresso, che sono le condizioni al contorno del modello di analisi costruito nel software di simulazione. Gli array che rappresentano le diverse combinazioni di velocità del flusso d'aria degli ingressi sono generati in modo casuale attraverso l'algoritmo dell'ipercubo latino ottimale (OLHA), in cui i limiti inferiore e superiore delle velocità corrispondenti alle temperature superiori alla temperatura desiderata sono impostati nel software di ottimizzazione. Stabiliamo un QRSM approssimativo tra la combinazione di velocità e la temperatura massima utilizzando il modulo di fitting del software di ottimizzazione. Il QRSM è ottimizzato in base all'ASAM, e il risultato ottimale è in buon accordo con il risultato dell'analisi ottenuto dal software di simulazione. Dopo l'ottimizzazione, la portata dell'ingresso centrale viene modificata da 5,5 m/s a 5 m/s e la velocità totale del flusso d'aria viene ridotta del 3%. Il protocollo qui presenta un metodo di ottimizzazione che considera contemporaneamente il consumo energetico e le prestazioni termiche del sistema di gestione della batteria che è stato stabilito, e può essere ampiamente utilizzato per migliorare il ciclo di vita del pacco batteria con costi operativi minimi.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Con il rapido sviluppo dell'industria automobilistica, i veicoli a carburante tradizionale consumano molte risorse non rinnovabili, con conseguente grave inquinamento ambientale e carenza di energia. Una delle soluzioni più promettenti è lo sviluppo di veicoli elettrici (EV)1,2.

Le batterie di alimentazione utilizzate per i veicoli elettrici possono immagazzinare energia elettrochimica, che è la chiave per sostituire i veicoli a carburante tradizionali. Le batterie di alimentazione utilizzate nei veicoli elettrici includono batterie agli ioni di litio (LIB), batterie al nichel-metallo idruro (NiMH) e condensatori elettrici a doppio strato (EDLC)3. Rispetto alle altre batterie, le batterie agli ioni di litio sono attualmente ampiamente utilizzate come unità di accumulo di energia nei veicoli elettrici grazie ai loro vantaggi come l'elevata densità energetica, l'alta efficienza e il lungo ciclo di vita 4,5,6,7.

Tuttavia, a causa del calore di reazione chimica e del calore Joule, è facile accumulare una grande quantità di calore e aumentare la temperatura della batteria durante la ricarica rapida e la scarica ad alta intensità. La temperatura di esercizio ideale di LIB è 20-40 °C 8,9. La differenza massima di temperatura tra le batterie in una stringa di batterie non deve superare i 5 °C10,11. In caso contrario, potrebbe portare a una serie di rischi come lo squilibrio di temperatura tra le batterie, l'invecchiamento accelerato, persino il surriscaldamento, l'incendio, l'esplosione e così via12. Pertanto, la criticità da risolvere è la progettazione e l'ottimizzazione di un efficiente sistema di gestione termica della batteria (BTMS) in grado di controllare la temperatura e la differenza di temperatura del pacco batteria all'interno di uno stretto.

I BTMS tipici includono il raffreddamento ad aria, il raffreddamento ad acqua e il raffreddamento dei materiali a cambiamento di fase13. Tra questi metodi di raffreddamento, il tipo di raffreddamento ad aria è ampiamente utilizzato per il suo basso costo e la semplicità della struttura14. A causa della limitata capacità termica specifica dell'aria, è facile che si verifichino alte temperature e grandi differenze di temperatura tra le celle della batteria nei sistemi raffreddati ad aria. Al fine di migliorare le prestazioni di raffreddamento del BTMS raffreddato ad aria, è necessario progettare un sistema efficiente 15,16,17. Qian et al.18 hanno raccolto la temperatura massima del pacco batteria e la differenza di temperatura per addestrare il corrispondente modello di rete neurale bayesiana, che viene utilizzato per ottimizzare le distanze tra le celle del pacco batteria raffreddato ad aria della serie. Chen et al.19 hanno riferito utilizzando il metodo Newton e il modello di rete di resistenza al flusso per l'ottimizzazione delle larghezze del plenum di divergenza in ingresso e del plenum di convergenza in uscita nel sistema parallelo di tipo Z raffreddato ad aria. I risultati hanno mostrato una riduzione del 45% della differenza di temperatura del sistema. Liu et al.20 hanno campionato cinque gruppi di condotti di raffreddamento nel J-BTMS e hanno ottenuto la migliore combinazione di spaziature cellulari mediante l'algoritmo di ottimizzazione basato su surrogati di ensemble. Baveja et al.21 hanno modellato un modulo batteria bilanciato passivamente e lo studio ha descritto gli effetti della previsione termica sul bilanciamento passivo a livello di modulo e viceversa. Singh et al.22 hanno studiato un sistema di gestione termica della batteria (BTMS) che utilizzava materiale a cambiamento di fase incapsulato insieme al raffreddamento forzato dell'aria convettiva progettato utilizzando la modellazione elettrochimica-termica accoppiata. Fan et al.23 hanno proposto una piastra di raffreddamento a liquido comprendente una configurazione di valvole di Tesla multistadio per fornire un intervallo di temperatura più sicuro per una batteria agli ioni di litio di tipo prismatico con un elevato riconoscimento nelle applicazioni microfluidiche. Feng et al. 24 hanno utilizzato il metodo del coefficiente di variazione per valutare gli schemi con diverse portate in ingresso e distanze della batteria. Talele et al.25 hanno introdotto l'isolamento termico del rivestimento pirotecnico potenziato dalle pareti per immagazzinare il potenziale calore generato in base al posizionamento ottimale delle pellicole riscaldanti.

Quando si utilizza il BTMS di raffreddamento ad aria, le particelle di polvere metallica, le particelle di polvere minerale, le particelle di polvere dei materiali da costruzione e altre particelle nell'ambiente esterno verranno portate nel BTMS di raffreddamento ad aria dal ventilatore, il che può causare la copertura della superficie delle batterie con DPM. Se non esiste un piano di dissipazione del calore, potrebbero verificarsi incidenti a causa della temperatura della batteria eccessivamente elevata. Dopo la simulazione, prendiamo la temperatura massima del pacco batteria in una velocità del flusso d'aria specificata e in un ambiente privo di polvere come temperatura prevista in un ambiente polveroso. Innanzitutto, la velocità C si riferisce al valore di corrente richiesto quando la batteria rilascia la sua capacità nominale entro il tempo specificato, che è uguale a un multiplo della capacità nominale della batteria nel valore dei dati. In questo documento, la simulazione utilizza la velocità di scarica 2C. La capacità nominale è di 10 Ah e la tensione nominale è di 3,2 V. Il litio ferro fosfato (LiFePO4) viene utilizzato come materiale dell'elettrodo positivo e il carbonio viene utilizzato come materiale dell'elettrodo negativo. L'elettrolita contiene sale di litio elettrolitico, un solvente organico ad alta purezza, additivi necessari e altre materie prime. L'array casuale che rappresenta le diverse combinazioni di velocità agli ingressi è stato determinato attraverso l'OLHA ed è stata impostata una funzione del 2° ordine tra la temperatura massima del pacco batteria e la combinazione di velocità del flusso in ingresso a condizione di verificare l'accuratezza del raccordo della curva. I disegni di ipercubi latini (LH) sono stati applicati in molti esperimenti al computer da quando sono stati proposti da McKay et al.26. Un LH è dato da una matrice N x p L, dove ogni colonna di L è costituita da una permutazione degli interi da 1 a N. In questo articolo, il metodo di campionamento ottimale dell'ipercubo latino viene utilizzato per ridurre il carico computazionale. Il metodo utilizza il campionamento stratificato per garantire che i punti di campionamento possano coprire tutti gli interni del campionamento.

Nella fase successiva, la combinazione di velocità del flusso in ingresso è stata ottimizzata per ridurre la temperatura massima del pacco batteria in un ambiente polveroso in base all'ASAM a condizione di considerare contemporaneamente il consumo di energia. L'algoritmo di ricottura simulata adattiva è stato ampiamente sviluppato e ampiamente utilizzato in molti problemi di ottimizzazione27,28. Questo algoritmo può evitare di rimanere intrappolato in un ottimo locale accettando la soluzione peggiore con una certa probabilità. L'ottimo globale si ottiene definendo la probabilità di accettazione e la temperatura; La velocità di calcolo può essere regolata anche utilizzando questi due parametri. Infine, per verificare l'accuratezza dell'ottimizzazione, il risultato ottimale è stato confrontato con il risultato dell'analisi ottenuto dal software di simulazione.

In questo documento, viene proposto un metodo di ottimizzazione per la portata in ingresso della scatola della batteria per il pacco batteria la cui temperatura aumenta a causa della copertura antipolvere. Lo scopo è quello di ridurre la temperatura massima del pacco batteria coperto di polvere al di sotto della temperatura massima del pacco batteria non coperto di polvere in caso di basso consumo energetico.

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Protocollo

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NOTA: la roadmap della tecnologia di ricerca è illustrata nella Figura 1, in cui vengono utilizzati i software di modellazione, simulazione e ottimizzazione. I materiali necessari sono riportati nella Tabella dei Materiali.

1. Creazione del modello 3D

NOTA: Per creare il modello 3D è stato utilizzato Solidworks.

  1. Disegnate un rettangolo di 252 mm x 175 mm, fate clic su Estrusione estrusione/base (Extrude Boss/Base) e immettete 73. Create un nuovo piano a 4 mm dalla superficie esterna.
  2. Disegnare un rettangolo di 131 mm x 16 mm e fare clic su Serie di schizzo lineare. Immettere 22 e 6 rispettivamente nella spaziatura e nel numero di istanze. Selezionate tutti e quattro i lati del rettangolo e fate clic su OK. Immettere 180 in angolo ed eseguirlo di nuovo. Questo passo serve per la simmetria al centro del modello.
  3. Fate clic su Estrusione taglio (Extrude Cut), immettete 65 e fate clic su OK. Fate clic su Estrusione estrusione/base (Extrude Boss/Base ) e immettete 65, deselezionate Risultato unione (Merge result), quindi fate clic su Direzione inversa (Reverse Direction ) e su OK.
    NOTA: quando il risultato dell'unione è deselezionato, l'entità allungata diventa un'entità separata. Ci sono 23 parti in totale, tra cui 11 batterie, 11 particolato polveroso e 1 dominio dell'aria.
  4. Disegna un rettangolo di 16 mm x 1 mm. Ripetere i passaggi 1.2 e 1.3.
  5. Disegnare un rettangolo di 63 mm x 15 mm, fare clic sul bordo superiore del rettangolo e su Schema schizzo lineare. Immettere 21, 3 e 270 e fare clic su OK. Fare clic su Dividi linea e sulla faccia del cubo, quindi fare clic su OK.
  6. Disegna un rettangolo di 63 mm x 15 mm. Fare clic su Dividi linea e sulla faccia del cubo, quindi fare clic su OK.
  7. Fare clic su File e salvarlo come file X_T.
    NOTA: La dimensione specificata:scatola L: 73 mm; Scatola W:252 mm; Hscatola:175 mm; Lb, Ld:65 mm; Lb, Lp:10 mm; Hb:131 mm; Hd:1 mm; Li:63 mm; Li:15 mm; d1, d2:5 mm, d3:6 mm è mostrato nella Figura 2.
  8. Trascinare il componente mesh facendo clic su Casella degli strumenti > Sistemi di componenti > Mesh nell'area schematica del progetto. Importare il file X_T salvato in precedenza facendo clic su Geometria.
  9. Accedere alla finestra del modellatore di progetto mesh e il modello del pacco batteria, che include 23 parti come corpi indipendenti, viene nuovamente visualizzato facendo clic su Genera.
  10. Selezionare tutte le 23 parti della batteria in modo che siano una nuova parte denominata come parte della batteria, tutte le particelle polverose di 23 parti come parte della polvere e la cavità dell'aria come parte dell'aria, nel contorno dell'albero per comodità di nascondere e denominare gli oggetti in seguito.
  11. Innanzitutto, fai clic con il pulsante destro del mouse su BatteryPart e DustPart e seleziona Nascondi parte in modo che il pop-up mostri solo la parte aerea.
  12. Spostare il mouse sulla barra degli strumenti di selezione per selezionare Filtro di selezione: Corpi, fare clic con il pulsante destro del mouse sul modello di cavità d'aria nella zona grafica per selezionare Selezione con nome e rinominare il modello di cavità d'aria nella zona di visualizzazione dei dettagli come dominio dell'aria.
  13. Passa al filtro di selezione: facce, fare clic con il pulsante destro del mouse e rinominare la superficie che è stata divisa in tre parti, dal basso verso l'alto, come ingresso1, ingresso2 e ingresso3, la superficie separata a destra di queste tre facce è denominata uscita, la superficie esterna rimanente è denominata rispettivamente esternoBordo.
  14. Passare dalla modalità di selezione alla casella di selezione, fare clic sull'asse Y per ottenere la vista adatta del modello di cavità d'aria per facilitare la selezione della casella, rinominare e numerare tutte le superfici interne da Superficie cavità1 a Superficie cavità11 utilizzando la selezione parallelepipedo.
  15. Per visualizzare solo batteryPart, fare clic con il pulsante destro del mouse su airPart e selezionare Nascondi parte. Fare clic con il pulsante destro del mouse su batteryPart e selezionare Mostra parte dal menu di scelta rapida a comparsa.
  16. Spostare il mouse sulla barra degli strumenti di selezione per selezionare Filtro di selezione: Corpi, impostare la modalità di selezione su Selezione singola, fare clic con il pulsante destro del mouse su ciascun modello di batteria nell'area grafica per selezionare la selezione con nome, rinominare e numerare gli 11 modelli di batteria nell'area di visualizzazione dei dettagli rispettivamente da batteryDomain1 a batteryDomain11.
  17. Inoltre, ogni modello di batteria ha sei lati, quindi passare a Filtro di selezione: Facce, fare clic con il pulsante destro del mouse su ciascun lato dei domini di batteria numerati per selezionare Selezione con nome e rinominarli in base all'orientamento del lato batteria. Ad esempio, rinominare sei lati del batteryDomain1 numerato come batteryDomain1_Upper, batteryDomain1_Lower, batteryDomain1_Left, batteryDomain1_Right, batteryDomain1_Front e batteryDomain1_Back.
  18. Per visualizzare solo dustPart, fare clic con il pulsante destro del mouse su batteryPart e selezionare Nascondi parte. Fare clic con il pulsante destro del mouse su dustPart e selezionare Mostra parte dal menu di scelta rapida a comparsa.
  19. Spostare il mouse sulla barra degli strumenti di selezione per selezionare il filtro di selezione: Corpi, fare clic con il pulsante destro del mouse su ciascun modello di particolato polveroso nell'area Grafica per selezionare Selezione con nome, rinominare e numerare gli 11 modelli di particolato polveroso nell'area di visualizzazione dei dettagli rispettivamente come dpmDomain1 e dpmDomain11.
  20. Inoltre, ogni modello di particolato polveroso ha sei lati; quindi passare al Filtro di selezione: Facce, fare clic con il pulsante destro del mouse su ciascun lato dei dpmDomains numerati per selezionare Selezione con nome e rinominarli in base all'orientamento del lato del particolato polveroso. Ad esempio, rinominare sei lati di dpmDomain1 numerato come dpmDomain1_Upper, dpmDomain1_Lower, dpmDomain1_Left, dpmDomain1_Right, dpmDomain1_Front e dpmDomain1_Back.
  21. Mostra tutti i corpi e torna di nuovo alla finestra iniziale.

2. Generare il modello mesh

NOTA: La mesh agli elementi finiti è una fase molto importante nell'analisi di simulazione numerica agli elementi finiti, che influisce direttamente sull'accuratezza dei risultati dell'analisi numerica successiva. Le entità rinominate vengono quindi sottoposte a mesh.

  1. Per creare una mesh del dominio air, del dominio della batteria e del dominio dpm in modo indipendente, trascinare nuovamente due componenti Mesh da Toolbox > Component Systems > Mesh nella zona schematica del progetto e rinominarli rispettivamente come airFEM, batteryFEM e dpmFEM. Tenere premuto airFEM > Geometry con il tasto sinistro del mouse e trascinarlo su batteryFEM > Geometry.
  2. Quindi, tieni premuto batteryFEM > Geometry con il pulsante sinistro del mouse e trascinalo su dpmFEM > Geometry. Fare clic con il pulsante destro del mouse sulle linee tra i tre componenti mesh e selezionare Elimina per dissociarle l'una dall'altra.
  3. Fare doppio clic sulla mesh di airFEM, accedere alla finestra di meshing, fare clic con il pulsante destro del mouse su batteryPart e dustPart per selezionare Sopprimi corpo e modificare la preferenza fisica da meccanica a CFD. Generare il modello del dominio aereo FEM tramite il dimensionamento della faccia di 2 mm e il dimensionamento del corpo di 4 mm facendo clic su Aggiorna e tornando alla finestra iniziale.
  4. Fare doppio clic su batteryFEM Mesh, accedere alla finestra meshing, fare clic con il pulsante destro del mouse su airPart e dustPart per selezionare Sopprimi corpo e modificare la preferenza fisica da Meccanica a CFD. Generare il modello di dominio della batteria FEM tramite il dimensionamento del corpo di 2 mm facendo clic su Aggiorna e tornare alla finestra iniziale.
  5. Fare doppio clic sulla mesh di dpmFEM, accedere alla finestra di meshing, fare clic con il pulsante destro del mouse su airPart e batteryPart per selezionare Sopprimi corpo e modificare la preferenza fisica da Mechanical a CFD. Generare il modello di dominio dpm FEM tramite il dimensionamento del corpo di 2 mm facendo clic su Aggiorna, quindi tornare alla finestra iniziale.
    NOTA: La Figura 3A mostra la griglia del dominio dell'aria, la Figura 3B mostra la griglia del dominio della batteria e la Figura 3C mostra la griglia del dominio dpm.
  6. Impostare la dimensione minima della griglia dell'aria su 4 mm e la dimensione minima della batteria e della griglia del particolato polveroso su 2 mm. Assicurarsi che la griglia sia indipendente dalla soluzione, modificare la dimensione minima della cella della griglia ed eseguire uno studio di sensibilità della griglia.
    NOTA: Come mostrato nella Figura 4, con l'aumento del numero di griglie da 519343 a 1053849, le variazioni massime di temperatura della batteria sono inferiori a 0,6 K. Considerando la capacità di calcolo e l'accuratezza, la seguente analisi si basa sul modello di griglia con griglie 931189.

3. Analisi di simulazione

  1. Trascinare Fluid Flow da Toolbox > Analysis Systems > Fluid Flow nell'area dello schema del progetto. Tieni premuto airFEM > Mesh, quindi batteryFEM > Mesh e dpmFEM > Mesh con il pulsante sinistro del mouse e trascinali su Fluid Flow > Setup. Fare clic con il pulsante destro del mouse su Flusso fluido > Impostazione e selezionare Aggiorna per accedere alla finestra impostata.
  2. Verificare la validità del modello FEM e verificare se la mesh ha un volume negativo. Il software suggerisce automaticamente il volume del modello e un valore ragionevole del modello è positivo. In caso di problemi con le impostazioni della griglia divisa o del modello, verrà visualizzato un messaggio di errore.
  3. Attivare l'equazione dell'energia nei modelli di trasferimento del calore. Accedere all'interfaccia di impostazione del modello viscoso e del modello di radiazione e selezionare il modello K-epsilon e il modello di ordinate discrete.
    NOTA: Come mostrato nella Figura 5, confrontando quattro modelli viscosi, i risultati di calcolo del modello Spalart-Allmaras sono molto diversi da quelli di altri modelli. I risultati del modello K-epsilon standard sono simili a quelli di altri modelli K-epsilon. Il modello K-epsilon standard con maggiore stabilità ed economia è ampiamente utilizzato; l'analisi che segue si basa sul modello K-epsilon standard.
  4. Impostare i nuovi materiali con attributi diversi per il materiale dell'aria, il materiale della batteria, il materiale dpm e il materiale della scatola della batteria in base alla Tabella 1.
    NOTA: All'interno del pacco batteria sono presenti tre diversi materiali fisici: l'aria come fluido e il resto come solido. Quindi, imposta il materiale.
    1. Modificare il tipo di fluido dei domini di batteria numerati in Tipo solido e modificare il materiale dpm in Materiale batteria nella finestra Solido facendo doppio clic su ciascun dominio batteria. Successivamente, scegliere la voce Termini di origine e fare clic sui termini di origine evidenziati per aggiungere una fonte di energia assegnando il numero nel numero di fonti di energia e selezionando Tipo costante per inserire il valore di 209993 w/m3.
    2. Modificare il tipo di fluido dei domini dpm numerati in Tipo solido .
  5. Successivamente, impostare l'interfaccia per il calcolo della simulazione di diversi domini in base alla portata e al coefficiente di scambio termico dell'impostazione effettiva, come descritto di seguito.
    1. Convertire il tipo di tutte le superfici rinominate, incluse le superfici interne del dominio air e tutti i lati dei domini della batteria, nonché i domini dpm dalla parete di default all'interfaccia. Una volta completati correttamente i passaggi precedenti, le interfacce mesh verranno generate immediatamente.
    2. Fare clic su Interfacce mesh e accedere alla finestra Crea/Modifica interfacce mesh . Far combaciare le superfici della cavità su tutti i lati tranne i lati superiori dei domini della batteria e i lati inferiori del dpm domian. Successivamente, assegna loro un nome e un numero rispettivamente da interface1 a interface11. Quindi, le 11 interfacce mesh possono essere create tra i domini air e battery domians e dpm.
    3. Far corrispondere i lati superiori dei domini della batteria e i lati inferiori dei domini dpm. Successivamente, assegna loro un nome e un numero rispettivamente da interface12 a interface22. Quindi, vengono create le 11 interfacce mesh tra i domini della batteria e i domini dpm.
    4. Assegnare la superficie del bordo esterno come condizione termica al contorno della parete impostando il coefficiente di scambio termico su 5 nella condizione termica mista e modificando il materiale dall'alluminio predefinito al materiale della scatola della batteria precedentemente definito automaticamente.
    5. Impostare la velocità del flusso d'aria di tutti gli ingressi su 5 m/s nella finestra di ingresso della velocità e la pressione relativa dell'uscita su zero nella finestra di uscita della pressione.
  6. Successivamente, impostare lo stato del dominio di calcolo al momento iniziale, ad esempio la temperatura iniziale di 300 K, che influirà sul processo di calcolo della convergenza.
    1. Impostare il tipo di inizializzazione della soluzione come inizializzazione standard prima dell'inizializzazione.
    2. Impostare il numero di iterazioni su 2000.
    3. Fare clic su Calcola per simulare. Tornare alla finestra iniziale fino al termine della simulazione.
  7. La parte precedente completa il calcolo della simulazione della temperatura e della velocità dell'aria all'interno del pacco batteria e quindi visualizza il risultato della simulazione in Risultato. Eseguire i seguenti passaggi nei risultati visualizzati.
    1. Fare doppio clic su Fluid Flow > Results per accedere alla finestra CFD post, quindi fare clic sull'icona di Contour nella casella degli strumenti.
    2. Selezionare Tutti i lati delle batterie nel selettore di posizione e modificare la pressione in temperatura. Quindi fare clic su Applica per generare il contorno della temperatura delle batterie.
    3. Fare clic su File > Esporta per selezionare la temperatura delle variabili selezionate. Fare clic sul pulsante a discesa delle posizioni per visualizzare la finestra di selezione delle posizioni in cui devono essere selezionati tutti i domini della batteria. Fare clic su OK e sul pulsante Salva per uscire.
      NOTA: Un foglio di calcolo i cui dati corrispondono alle temperature dei nodi mesh di tutte le batterie verrà salvato automaticamente quando si fa clic sul pulsante di salvataggio.
    4. Apri il foglio di calcolo per trovare il valore massimo, che indica la temperatura massima delle batterie in un ambiente polveroso a 5 m/s da tutte le prese d'aria.
    5. Acquisire la temperatura massima delle batterie allo stato di polvere libera come temperatura prevista e confrontarla con la temperatura massima allo stato di polvere; Il risultato mostra l'intera temperatura in aumento.
      NOTA: Per acquisire la temperatura massima delle batterie in un ambiente privo di polvere, è necessario ripristinare il nuovo modello di pacco batteria mostrato nella Figura 6 e ripetere tutti i passaggi 1.1-3.4.3.
    6. Per abbassare la temperatura massima all'interno del pacco batteria, impostare le velocità del flusso d'aria agli ingressi da 5 m/s a 6 m/s, aumentare del 5% e calcolare le corrispondenti temperature massime delle batterie coperte di polvere.
      NOTA: L'analisi della sensibilità dei parametri di velocità del flusso d'aria deve essere eseguita con largo anticipo prima di modificare i valori dei parametri. Come mostrato nella Figura 7 e nella Tabella 2, abbiamo mantenuto lo stesso flusso totale per ciascuno dei sette gruppi di diverse combinazioni di velocità del flusso d'aria in ingresso. C'è ancora un'evidente variazione della temperatura massima a causa della differenza nell'allocazione della velocità del flusso d'aria. In altre parole, c'è in qualche modo una forte correlazione tra la combinazione di velocità del flusso d'aria e la temperatura massima. Pertanto, tali parametri di velocità possono essere utilizzati come variabili di progetto.
    7. Tracciare la curva temperatura-velocità come mostrato nella Figura 8, dove la linea rossa indica che la curva caratteristica della temperatura diminuisce con l'aumento della velocità del flusso d'aria e la linea blu rappresenta la temperatura prevista.
    8. Mantenere un aumento della velocità del flusso d'aria del 10%. Quando l'incremento di velocità è superiore al 10%, la temperatura massima è già inferiore alla temperatura prevista, ma questo non soddisfa lo scopo di un basso consumo energetico. Per la portata d'aria rimanente, ridurre la temperatura massima del pacco batterie alla temperatura prevista attraverso l'ottimizzazione, raggiungendo così l'obiettivo di un basso consumo energetico.

4. Campionamento ottimale dell'ipercubo latino e modellazione della superficie di risposta

NOTA: Per le portate trattenute di 5 m/s-5,5 m/s, i campioni vengono selezionati per costruire diverse combinazioni di portate all'interno di questo intervallo di portata. Le combinazioni di velocità vengono simulate per ottenere la temperatura massima. Costruisci la funzione della velocità e della temperatura massima.

  1. Apri un nuovo foglio di calcolo vuoto per creare una tabella le cui righe nella prima colonna sono denominate inlet1, inlet2 e inlet3 e salva il file come sampling.xlsx.
  2. Esegui il software di ottimizzazione e trascina l'icona del foglio di calcolo sulla freccia singola dell'attività 1. Quindi, fai doppio clic sull'icona Foglio di calcolo per visualizzare la finestra Editor componenti-Excel.
  3. Importare il sampling.xlsx facendo clic sul pulsante Sfoglia e mappare inlet1, inlet2 e inlet3 su A1, A2 e A3 come parametri facendo clic sul pulsante Aggiungi questo mapping. Fare clic sul pulsante OK per tornare alla finestra iniziale.
  4. Trascinare l'icona DOE in Task1 e fare doppio clic su di essa per visualizzare la finestra Component Editor-DOE. Selezionare l'ipercubo latino OptimOKal e impostare il numero di punti su 15 nella finestra Generale.
  5. Passare alla finestra Fattori e impostare 5.5 come limite superiore e 5 come limite inferiore per A1, A2 e A3.
  6. Passare alla finestra Matrice di disegno e fare clic su Genera per generare i punti di campionamento casuali corrispondenti alle diverse velocità di ingresso. Arrestare il software di ottimizzazione.
  7. Riprendere gli array di combinazioni di velocità dei punti di campionamento casuali per calcolare e ripetere i passaggi 3.5.5-3.7.5 per ottenere l'array di temperature corrispondente composto dalle temperature massime delle batterie.
  8. Combinare le variabili predittive x1, x2 e x3 delle matrici di combinazioni di velocità e y delle matrici di temperatura per formare una nuova tabella di variabili, come mostrato nella Tabella 3, e salvarla come file sample.txt. Importare il file per adattarlo a un modello di superficie di risposta.
  9. Eseguire nuovamente il software di ottimizzazione e trascinare l'icona Approssimazione sulla freccia singola di Task1. Fare doppio clic sull'icona Task1 per visualizzare la finestra di approssimazione dell'editor dei componenti per selezionare il modello di superficie di risposta.
  10. Passare alla finestra File di dati e importare il file sample.txt contenente le variabili di previsione.
  11. Passare alla finestra Parametri e fare clic su Scansione per aprire i parametri nella finestra del file di dati in cui le variabili predittive di x1, x2 e x3 sono definite come input e y come output.
  12. Passare alla finestra Opzioni tecnica e selezionare il quadratico in ordine polinomiale. Passare alla finestra Opzioni di analisi degli errori e selezionare la convalida incrociata nel metodo di analisi degli errori.
  13. Passare alla finestra Visualizza dati e fare clic su Inizializza ora per ottenere i coefficienti dell'equazione di regressione lineare quadratica.
  14. Fare clic sul pulsante Analisi errori per visualizzare la finestra di analisi degli errori di approssimazione per verificare se gli errori possono soddisfare gli standard accettabili per ciascun tipo di errore. Chiudere la finestra del componente di approssimazione. Se l'errore arbitrario non è in grado di soddisfare gli standard accettabili corrispondenti, aggiungere altri punti di campionamento per partecipare all'adattamento del modello.

5. Modello di adattamento approssimato basato su algoritmo di ricottura simulato adattivo

NOTA: Successivamente, vengono utilizzati software e algoritmo per trovare il valore ottimale del modello approssimato

  1. Trascinare l'icona Ottimizzazione in Task1 e fare doppio clic su di essa per visualizzare la finestra di ottimizzazione dell'editor dei componenti. Selezionare l'ASA (Adaptive Simulated Annealing) nella tecnica di ottimizzazione.
  2. Passare alla finestra Variabili per impostare 5,5 come limite superiore e 5 come limite inferiore.
  3. Passare alla finestra Obiettivi e selezionare il parametro Y prima di chiudere la finestra di ottimizzazione dell'editor dei componenti.
  4. Fare clic sul pulsante Esegui ottimizzazione e attendere il risultato dell'ottimizzazione.

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Risultati

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Seguendo il protocollo, le prime tre parti sono le più importanti, che includono la modellazione, il meshing e la simulazione, il tutto al fine di ottenere la temperatura massima del pacco batteria. Quindi, la velocità del flusso d'aria viene regolata mediante campionamento e, infine, la combinazione di portata ottimale viene ottenuta mediante ottimizzazione.

La Figura 9 mostra il confronto della di...

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Discussione

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Il BTMS utilizzato in questo studio è stato stabilito sulla base del sistema di raffreddamento ad aria grazie al suo basso costo e alla semplicità della struttura. A causa della bassa capacità di trasferimento del calore, le prestazioni del sistema di raffreddamento ad aria sono inferiori a quelle del sistema di raffreddamento a liquido e del sistema di raffreddamento del materiale a cambiamento di fase. Tuttavia, il sistema di raffreddamento a liquido presenta lo svantaggio di perdite di refrigerante e il sistema di raf...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Alcuni software di analisi e ottimizzazione sono supportati dalla Tsinghua University, dalla Konkuk University, dalla Chonnam National University, dalla Mokpo University e dalla Chiba University.

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Materiali

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NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Ansys-WorkbenchANSYSN/Aprogrammi di progettazione informatica con metodo multiuso agli elementi finiti.https://www.ansys.com
IsightEngineous SogtwareN/ASoftware completo di ingegneria assistita da computer.https://www.3ds.com
NVIDIA GPUNVIDIAN/AÈ necessaria una GPU NVIDIA poiché alcuni dei framework software seguenti non funzioneranno altrimenti. Software
https://www.nvidia.com SOLIDWORKSDassault SystèmesN/ASolidWorks offre diverse soluzioni di progettazione, riduce gli errori nel processo di progettazione e migliora la qualità del prodotto
www.solidworks.com
Software per

Riferimenti

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