धूल भरे कण पदार्थ-कवर लिथियम-आयन बैटरी पैक के लिए एक वायु-आधारित गर्मी प्रबंधन प्रणाली का अनुकूलन
Summary
यहां, हम एक धूल भरे कण पदार्थ से ढके बैटरी गर्मी प्रबंधन प्रणाली के अनुरूप अनुमानित द्विघात प्रतिक्रिया सतह मॉडल (क्यूआरएसएम) को अनुकूलित करने के लिए अनुकूली सिम्युलेटेड एनीलिंग विधि (एएसएएम) प्रस्तुत करते हैं और सिस्टम इनलेट्स के एयरफ्लो वेग संयोजन को समायोजित करके तापमान की बूंदों को पूरा करते हैं।
Abstract
इस अध्ययन का उद्देश्य कम ऊर्जा खपत के लक्ष्य के तहत बैटरी कूलिंग बॉक्स के इनलेट्स पर एयरफ्लो वेगों के आवंटन के माध्यम से सेल की सतह को कवर करने वाले धूल भरे कण पदार्थ के कारण सेल तापमान वृद्धि और प्रदर्शन में गिरावट की समस्या को हल करना है। हम बैटरी पैक का अधिकतम तापमान एक निर्दिष्ट एयरफ्लो वेग और धूल रहित वातावरण में धूल भरे वातावरण में अपेक्षित तापमान के रूप में लेते हैं। धूल भरे वातावरण में बैटरी पैक का अधिकतम तापमान विभिन्न इनलेट एयरफ्लो वेगों पर हल किया जाता है, जो सिमुलेशन सॉफ्टवेयर में निर्मित विश्लेषण मॉडल की सीमा स्थितियां हैं। इनलेट्स के विभिन्न एयरफ्लो वेग संयोजनों का प्रतिनिधित्व करने वाले सरणियों को इष्टतम लैटिन हाइपरक्यूब एल्गोरिथ्म (ओएलएचए) के माध्यम से बेतरतीब ढंग से उत्पन्न किया जाता है, जहां वांछित तापमान से ऊपर के तापमान के अनुरूप वेगों की निचली और ऊपरी सीमाएं अनुकूलन सॉफ्टवेयर में निर्धारित की जाती हैं। हम अनुकूलन सॉफ्टवेयर के फिटिंग मॉड्यूल का उपयोग करके वेग संयोजन और अधिकतम तापमान के बीच एक अनुमानित क्यूआरएसएम स्थापित करते हैं। क्यूआरएसएम एएसएएम के आधार पर अनुकूलित है, और इष्टतम परिणाम सिमुलेशन सॉफ्टवेयर द्वारा प्राप्त विश्लेषण परिणाम के साथ अच्छे समझौते में है। अनुकूलन के बाद, मध्य इनलेट की प्रवाह दर 5.5 m/s से 5 m/s में बदल जाती है, और कुल वायु प्रवाह वेग 3% कम हो जाता है। यहां प्रोटोकॉल एक अनुकूलन विधि प्रस्तुत करता है जो एक साथ ऊर्जा की खपत और बैटरी प्रबंधन प्रणाली के थर्मल प्रदर्शन पर विचार करता है जिसे स्थापित किया गया है, और इसका व्यापक रूप से न्यूनतम परिचालन लागत के साथ बैटरी पैक के जीवन चक्र में सुधार करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।
Introduction
ऑटोमोबाइल उद्योग के तेजी से विकास के साथ, पारंपरिक ईंधन वाहन बहुत सारे गैर-नवीकरणीय संसाधनों का उपभोग करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप गंभीर पर्यावरण प्रदूषण और ऊर्जा की कमी होती है। सबसे आशाजनक समाधानों में से एक इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवीएस)1,2का विकास है।
ईवीएस के लिए उपयोग की जाने वाली पावर बैटरी विद्युत रासायनिक ऊर्जा को स्टोर कर सकती है, जो पारंपरिक ईंधन वाहनों को बदलने की कुंजी है। ईवी में उपयोग की जाने वाली पावर बैटरी में लिथियम-आयन बैटरी (एलआईबी), निकल-धातु हाइड्राइड बैटरी (एनआईएमएच), और इलेक्ट्रिक डबल-लेयर कैपेसिटर (ईडीएलसी)3 शामिल हैं। अन्य बैटरियों की तुलना में, लिथियम-आयन बैटरी वर्तमान में ईवीएस में ऊर्जा भंडारण इकाइयों के रूप में व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं, जैसे कि उच्च ऊर्जा घनत्व, उच्च दक्षता और लंबे जीवन चक्र 4,5,6,7 जैसे फायदे के कारण।
हालांकि, रासायनिक प्रतिक्रिया गर्मी और जूल गर्मी के कारण, बड़ी मात्रा में गर्मी जमा करना और तेजी से चार्जिंग और उच्च तीव्रता वाले निर्वहन के दौरान बैटरी का तापमान बढ़ाना आसान है। एलआईबी का आदर्श ऑपरेटिंग तापमान 20-40 डिग्री सेल्सियस 8,9 है। बैटरी स्ट्रिंग में बैटरी के बीच अधिकतम तापमान अंतर 5 डिग्री सेल्सियस10,11 से अधिक नहीं होना चाहिए। अन्यथा, यह बैटरी के बीच तापमान असंतुलन, त्वरित उम्र बढ़ने, यहां तक कि अति ताप, आग, विस्फोट, और इतने पर12 जैसे जोखिमों की एक श्रृंखला को जन्म दे सकता है। इसलिए, हल किया जाने वाला महत्वपूर्ण मुद्दा एक कुशल बैटरी थर्मल प्रबंधन प्रणाली (बीटीएमएस) को डिजाइन और अनुकूलित करना है जो एक संकीर्ण के भीतर बैटरी पैक के तापमान और तापमान अंतर को नियंत्रित कर सकता है।
विशिष्ट BTMS एयर कूलिंग, वाटर कूलिंग, और चरण परिवर्तन सामग्री शीतलन13 शामिल हैं. इन शीतलन विधियों के बीच, वायु शीतलन प्रकार व्यापक रूप से इसकी कम लागत और संरचना14 की सादगी के कारण उपयोग किया जाता है। हवा की सीमित विशिष्ट ताप क्षमता के कारण, एयर-कूल्ड सिस्टम में बैटरी कोशिकाओं के बीच उच्च तापमान और बड़े तापमान अंतर होना आसान है। एयर-कूल्ड बीटीएमएस के शीतलन प्रदर्शन में सुधार करने के लिए, एक कुशल प्रणाली 15,16,17 को डिजाइन करना आवश्यक है। Qian et al.18 ने संबंधित बायेसियन तंत्रिका नेटवर्क मॉडल को प्रशिक्षित करने के लिए बैटरी पैक के अधिकतम तापमान और तापमान अंतर को एकत्र किया, जिसका उपयोग श्रृंखला एयर-कूल्ड बैटरी पैक के सेल स्पेसिंग को अनुकूलित करने के लिए किया जाता है। चेन एट अल.19 ने इनलेट डाइवर्जेंस प्लेनम की चौड़ाई के अनुकूलन के लिए न्यूटन विधि और प्रवाह प्रतिरोध नेटवर्क मॉडल का उपयोग करने की सूचना दी और जेड-टाइप समानांतर एयर-कूल्ड सिस्टम में आउटलेट अभिसरण प्लेनम। परिणामों ने सिस्टम के तापमान अंतर में 45% की कमी दिखाई। लियू एट अल .20 ने जे-बीटीएमएस में शीतलन नलिकाओं के पांच समूहों का नमूना लिया और पहनावा सरोगेट-आधारित अनुकूलन एल्गोरिथ्म द्वारा सेल स्पेसिंग का सबसे अच्छा संयोजन प्राप्त किया। Baveja et al.21 ने एक निष्क्रिय संतुलित बैटरी मॉड्यूल का मॉडल तैयार किया, और अध्ययन ने मॉड्यूल-स्तरीय निष्क्रिय संतुलन और इसके विपरीत थर्मल भविष्यवाणी के प्रभावों का वर्णन किया। सिंह एट अल 22 ने एक बैटरी थर्मल मैनेजमेंट सिस्टम (बीटीएमएस) की जांच की, जिसमें युग्मित इलेक्ट्रोकेमिकल-थर्मल मॉडलिंग का उपयोग करके डिज़ाइन किए गए मजबूर संवहनी वायु शीतलन के साथ समझाया चरण परिवर्तन सामग्री का उपयोग किया गया था। फैन एट अल 23 ने एक तरल शीतलन प्लेट का प्रस्ताव रखा जिसमें माइक्रोफ्लुइडिक अनुप्रयोगों में उच्च मान्यता के साथ एक प्रिज्मीय-प्रकार लिथियम-आयन बैटरी के लिए एक सुरक्षित तापमान रेंज प्रदान करने के लिए एक बहु-चरण टेस्ला वाल्व कॉन्फ़िगरेशन शामिल है। फेंग एट अल 24 ने विभिन्न इनलेट प्रवाह दरों और बैटरी मंजूरी के साथ योजनाओं का मूल्यांकन करने के लिए भिन्नता विधि के गुणांक का उपयोग किया। Talele et al.25 ने हीटिंग फिल्मों के इष्टतम प्लेसमेंट के आधार पर संभावित उत्पन्न हीटिंग को स्टोर करने के लिए दीवार-वर्धित पायरो अस्तर थर्मल इन्सुलेशन की शुरुआत की।
जब कोई एयर-कूलिंग बीटीएमएस का उपयोग करता है, तो धातु धूल के कण, खनिज धूल के कण, निर्माण सामग्री धूल के कण और बाहरी वातावरण में अन्य कणों को ब्लोअर द्वारा एयर-कूलिंग बीटीएमएस में लाया जाएगा, जिससे बैटरी की सतह को डीपीएम के साथ कवर किया जा सकता है। यदि कोई गर्मी लंपटता योजना नहीं है, तो यह अत्यधिक उच्च बैटरी तापमान के कारण दुर्घटनाओं का कारण बन सकता है। सिमुलेशन के बाद, हम एक निर्दिष्ट एयरफ्लो वेग और धूल रहित वातावरण में बैटरी पैक का अधिकतम तापमान धूल भरे वातावरण में अपेक्षित तापमान के रूप में लेते हैं। सबसे पहले, सी-रेट वर्तमान मूल्य को संदर्भित करता है जब बैटरी निर्दिष्ट समय के भीतर अपनी रेटेड क्षमता जारी करती है, जो डेटा मान में बैटरी की रेटेड क्षमता के गुणक के बराबर होती है। इस पत्र में, सिमुलेशन 2 सी दर निर्वहन का उपयोग करता है। रेटेड क्षमता 10 आह है, और नाममात्र वोल्टेज 3.2 वी है। लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO4) का उपयोग सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में किया जाता है, और कार्बन का उपयोग नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में किया जाता है। इलेक्ट्रोलाइट में इलेक्ट्रोलाइट लिथियम नमक, एक उच्च शुद्धता कार्बनिक विलायक, आवश्यक योजक और अन्य कच्चे माल होते हैं। इनलेट्स पर विभिन्न वेग संयोजनों का प्रतिनिधित्व करने वाली यादृच्छिक सरणी OLHA के माध्यम से निर्धारित की गई थी, और बैटरी पैक के अधिकतम तापमान और इनलेट प्रवाह वेग संयोजन के बीच एक 2nd ऑर्डर फ़ंक्शन वक्र फिटिंग की सटीकता की जांच करने की स्थिति के तहत स्थापित किया गया था। लैटिन हाइपरक्यूब (एलएच) डिजाइन कई कंप्यूटर प्रयोगों में लागू किए गए हैं क्योंकि वे मैके एट अल.26द्वारा प्रस्तावित किए गए थे। एक LH एक N x p-मैट्रिक्स L द्वारा दिया जाता है, जहाँ L के प्रत्येक स्तंभ में पूर्णांक 1 से N का क्रमपरिवर्तन होता है। इस पत्र में, कम्प्यूटेशनल बोझ को कम करने के लिए इष्टतम लैटिन हाइपरक्यूब नमूनाकरण विधि का उपयोग किया जाता है। विधि यह सुनिश्चित करने के लिए स्तरीकृत नमूनाकरण का उपयोग करती है कि नमूना बिंदु सभी नमूना आंतरिक को कवर कर सकते हैं।
निम्नलिखित चरण में, इनलेट प्रवाह वेग संयोजन को एक साथ ऊर्जा खपत पर विचार करने की शर्त के तहत एएसएएम के आधार पर धूल भरे वातावरण में बैटरी पैक के अधिकतम तापमान को कम करने के लिए अनुकूलित किया गया था। अनुकूली नकली annealing एल्गोरिथ्म बड़े पैमाने पर विकसित किया गया है और व्यापक रूप से कई अनुकूलन समस्याओं27,28 में इस्तेमाल किया. यह एल्गोरिथ्म एक निश्चित संभावना के साथ सबसे खराब समाधान को स्वीकार करके स्थानीय इष्टतम में फंसने से बच सकता है। स्वीकृति संभावना और तापमान को परिभाषित करके वैश्विक इष्टतम प्राप्त किया जाता है; गणना की गति को इन दो मापदंडों का उपयोग करके भी समायोजित किया जा सकता है। अंत में, अनुकूलन की सटीकता की जांच के लिए, इष्टतम परिणाम की तुलना सिमुलेशन सॉफ्टवेयर से प्राप्त विश्लेषण परिणाम से की गई थी।
इस पत्र में, बैटरी पैक के लिए बैटरी बॉक्स की इनलेट प्रवाह दर के लिए एक अनुकूलन विधि प्रस्तावित है जिसका तापमान धूल कवर के कारण बढ़ जाता है। इसका उद्देश्य कम ऊर्जा खपत के मामले में धूल से ढके बैटरी पैक के अधिकतम तापमान को गैर-धूल से ढके बैटरी पैक के अधिकतम तापमान से कम करना है।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस अध्ययन में उपयोग किए गए बीटीएमएस को इसकी कम लागत और संरचना की सादगी के कारण एयर-कूलिंग सिस्टम के आधार पर स्थापित किया गया था। कम गर्मी हस्तांतरण क्षमता के कारण, एयर-कूलिंग सिस्टम का प्रदर्शन तरल शीतल…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
कुछ विश्लेषण और अनुकूलन सॉफ्टवेयर सिंघुआ विश्वविद्यालय, कोंकुक विश्वविद्यालय, चोनम राष्ट्रीय विश्वविद्यालय, मोकपो विश्वविद्यालय और चिबा विश्वविद्यालय द्वारा समर्थित हैं।
Materials
| 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 |
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