优化用于含尘颗粒物覆盖的锂离子电池组的空气基热管理系统

本研究旨在通过在低能耗目标下调节电池冷却箱底部的气流速度，解决因灰尘颗粒物覆盖电池表面而导致的电池温度升高及性能下降问题。已建立一种同时考虑电池管理系统能耗与热性能的优化方法，该方法可广泛用于以最低运行成本提升电池组的使用寿命。

开始流体流动分析时，从工具箱和分析系统中将流体流动拖动到项目原理图区域。然后按住鼠标左键选中 airFEM 网格、batteryFEM 网格和 dpmFEM 网格流体流动，并将它们移至流体流动设置中。右键单击流体流动，然后选择“设置”，再选择“更新”以进入设置窗口。

验证有限元模型的有效性，并检查网格是否存在负体积。现在进入粘性模型和辐射模型的设置界面，分别选择k-epsilon模型和离散坐标模型。将编号电池区域的流体类型更改为固体类型。

然后在固体窗口中，双击每个电池区域，将DPM材料更改为电池材料。接着，选择源项选项，勾选高亮显示的源项，通过在能量源数量中输入数值并选择恒定类型来输入源值，从而添加能量源。将编号的DPM区域的流体类型更改为固体类型。

接下来，将所有重命名的表面类型进行转换，包括气相区域的内表面、电池区域和DPM区域的所有侧面，从默认的壁面（wall）转换为界面（interface）。为生成网格界面，单击网格界面并进入创建和编辑网格界面窗口。将空腔表面与除电池区域的上侧面和DPM区域的下侧面之外的所有侧面进行匹配。

将它们分别命名为界面1至界面11。然后对齐电池区域的上侧与DPM区域的下侧，将这些界面分别命名为界面12至界面22。

为将外边界表面设置为壁面热边界条件，在混合热条件下将传热系数设为 5。随后将材料从默认的铝更改为先前自定义的电池箱材料。在速度入口窗口中，将所有入口的气流速度设置为 5 米/秒。

然后在压力出口窗口中将出口的表压设置为零。接下来，将计算域的初始状态设置为300开尔文，并选择“最佳标准初始化”作为溶液初始化类型。将迭代次数设置为2,000，然后点击计算以开始仿真。

进入CFD后处理窗口，双击流体流动，然后双击结果。接着从工具箱中双击等高线图标。在位置选择器中，选择电池的所有侧面，并将显示量从压力切换为温度。

然后点击应用以生成电池的温度等值线图。点击文件，再选择导出以选定变量的温度，然后点击位置下拉按钮以选择电池区域。点击确定，随后点击保存按钮以退出。

在不同入口风速下，电池组的温度变化表明，随着入口流速的增加，电池组的最高温度降低。在不同环境下对电池组温度分布和第二块电池温度分布的比较显示，由于粉尘颗粒物（DPM）的导热系数较低，在多尘条件下电池温度升高。首先打开一个空白电子表格，在第一列创建一个表格，并将行命名为 inlet1、inlet2 和 inlet3。

将文件保存为 sample.xlsx。运行优化软件，将电子表格图标拖动到任务一的单箭头上。然后双击电子表格图标，打开组件编辑器 Excel 窗口。

单击浏览按钮以导入 sample.xlsx。然后单击添加此映射，将 inlet1、inlet2 和 inlet3 分别映射为参数 A1、A2 和 A3。单击确定返回初始窗口，将 DOE 图标拖动到任务一中，并双击以打开组件编辑器 DOE 窗口。

选择最优拉丁超立方。在常规窗口中，将点数设置为15。切换到因子窗口，为A1、A2和A3设置上限为5.5，下限为5。转到设计矩阵窗口，点击生成，以生成不同入口速度的随机采样点。

关闭优化软件。将速度数组的预测变量 x1、x2 和 x3 与温度数组的预测变量 y 合并，形成一个新的表格，将该表格保存为 sample.txt 并导入以拟合响应面模型。

重新运行优化软件，将近似图标拖动到任务一的单箭头上。双击任务一图标，弹出组件编辑器近似窗口，选择响应面模型。导航至数据文件窗口并导入样本。

包含预测变量的txt文件。切换到参数窗口，点击扫描，以在数据文件窗口中打开参数，在该窗口中将x1、x2和x3的预测变量定义为输入，y为输出。接下来，进入技术选项窗口，选择多项式阶数为二次。

切换到误差分析选项窗口，在误差分析方法中选择交叉验证。然后切换到查看数据窗口，点击“立即初始化”以获得二次线性回归方程的系数。点击误差分析按钮，打开近似误差分析窗口。

检查各项错误是否符合每种错误类型的可接受标准。关闭近似组件窗口。将优化图标拖入任务一，然后双击以打开组件编辑器优化窗口。

然后在优化方法中选择自适应、模拟和跪姿。切换到变量窗口，将上限设置为 5.5，下限设置为 5。切换到目标窗口，选择 Y 参数，然后关闭组件编辑器的优化窗口。

最后点击运行优化按钮，并等待优化结果。我们的方差分析表明，二阶多项式响应面近似模型具有良好的拟合精度。通过优化得到的最高温度为 309.39 kelvin，对应特定的入口空气流速。

优化后的气流速度使得最高温度降低至309.39开尔文，相较于初始情况有所下降，且优化情况下的气流速度总和小于未优化情况。然而，随着气流速度的降低，最高温度并未升高。此外，优化后的流线分布变得更宽。

因子x1对温度的影响最大，而因子x2和x3的影响相似。