Dynamic topology optimization of battery packs for eVTOL aircraft under time-dependent loading

电池(电) 拓扑优化 拓扑(电路) 电池组 瓶颈 汽车工程 功率(物理) 计算机科学 工程类 电气工程 有限元法 结构工程 物理 量子力学 嵌入式系统
作者
Jiayao Yan,Mark Sperry,David Kamensky,John T. Hwang
出处
期刊:AIAA AVIATION 2021 FORUM 被引量:1
标识
DOI:10.2514/6.2021-3068
摘要

View Video Presentation: https://doi.org/10.2514/6.2021-3068.vid Electric air taxis are envisioned to enable a new form of aviation in dense, urban locations. One of the feasibility barriers is the limited range due to the much lower energy densities that batteries have compared to fuel. A promising research direction to overcome this bottleneck is the use of multi-functional battery packs that dissipate heat but also carry structural loads. Here, we propose a scalable approach with automated derivative computation to design a battery pack of an eVTOL aircraft considering the power profile in takeoff, which is presumed to be the sizing condition. The problem uses a multi-fidelity submodel consisting of an equivalent circuit model to represent battery cells and a high-fidelity dynamic thermoelastic submodel of the battery pack. First, a steady-state topology optimization problem is solved based on the maximum heat output of the battery cells, computed from the aircraft power profile. Second, a dynamic topology optimization problem is solved based on the transient portion of the transition from liftoff to forward flight. Compared to the steady-state topology optimization, a 9.94% reduction in time-averaged compliance is obtained with the dynamic topology optimization.

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