熱電性能優化的案例
研究 \\ 超細晶和納米多孔材料的高效熱電制冷性能
微觀結構演變的原理圖、改進的熱電性能、模塊的冷卻性能。A：燒結溫度對樣品組織結構的影響示意圖，B：超細晶和多孔結構對MgAgSb晶格熱導率的降低效果，C：超細晶和多孔結構MgAgSb與其他方式優化MgAgSb材料的熱電優值對比，D：制備的熱電制冷器件與目前最先進制冷器件的最大溫差對比，E：制備的熱電制冷器件與目前最先進制冷器件的最大COP對比。
圖2. 在473 K條件下燒結的樣品微觀結構表征圖。
圖3. 熱性能分析。
圖4. 電輸運性能和優良熱點效率。
END
★ 平臺聲明
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展開 上海大學：熱電材料性能調控方面重要進展！
熱電材料的載流子濃度是其電-熱轉換效率的決定性因素之一。然而，熱電材料的最佳載流子濃度并不是一個定值，而是隨溫度而變化。因此，傳統的摻雜方式并不能實現熱電材料在全工作溫區內的載流子濃度優化。
近年來的研究表明，含有“動態原子”的化合物往往表現出奇異的電熱輸運性能，比如具有類液態Cu子晶格的Cu2Se化合物，以及具有金屬-絕緣體轉變的VO2化合物等。熱電（溫差電）性能由電、熱輸運性能共同決定，因此是研究“動態原子”作用的理想體系。并且在理解“動態原子”作用機理的前提下，有望利用其對熱電性能進行寬溫域優化。
動態原子行為示意圖：（a）低溫下體系由PbSe基體及富Cu第二相構成；（b）隨溫度升高Cu原子逐漸進入晶格間隙形成動態n型摻雜；（c）高溫下晶格間隙中的Cu劇烈振動，極大地降低了材料的熱導率。
最近上海大學材料學院駱軍教授課題小組利用“動態原子”對熱電化合物的電熱輸運性能進行了調控。他們首先設計并構建一個包含基體（PbSe）和第二相的相分離體系，并利用溫度升高過程中第二相的逐漸溶解在基體中引入了間隙原子，從而實現了在全溫區范圍內對載流子濃度的優化（見上圖）。
在該材料體系中，間隙Cu離子表現出“動態”特征，并且可以提供1個電子，實現對基體的n型摻雜。首先，在低溫下，富Cu第二相可視作原位摻雜源，隨著溫度升高，Cu在PbSe中的固溶度逐漸增大，Cu離子不斷從富Cu第二相動態進入到PbSe的晶格間隙，從而載流子濃度隨溫度升高而漸進式增加，實現了寬溫區的載流子濃度優化，因此功率因子顯著增大。其次，Cu的添加在材料中引入晶格缺陷，同時位于晶格間隙的Cu在高溫下劇烈振動導致低頻光學支聲子的出現，從而實現了多尺度聲子散射，因此晶格熱導率顯著降低。
展開 基于Cu12Sb4S13四面體的熱電納米復合材料及其熱電性能增強
盡管CAS具有超低的晶格熱導率，但由于其相對較低的功率因數(S2σ)，其TE性能仍然低于其他高性能TE材料。功率因數依賴于材料結構。因此，通過引入納米級結構可優化電傳輸性能，從而將簡單的制造過程結合到基底中，同時保持低導熱性，能夠進一步實現CAS可調的TE性能。雖然引入納米結構是提高材料熱電性能的有效方法之一，但其在CAS四面體中尚未得到應用。
【成果簡介】
近日，清華大學李敬鋒教授(通訊作者)等采用機械合金化(MA)和放電等離子燒結(SPS)相結合的簡便方法合成了Nb2O5納米顆粒分散的Cu11.5Ni0.5Sb4S13-δ復合材料，并在Nano Energy上發表了題為“Enhanced performance of thermoelectric nanocomposites based onCu12Sb4S13 tetrahedrite”的研究論文。通過重復的MA和SPS工藝得到的細粒納米結構提高了整個溫度范圍內的電導率和功率因數。由于強烈的低中頻聲子散射，均勻分布的Nb2O5納米顆粒和納米孔將晶格熱導率有效降低至0.6 W·m-1·K-1。少量的Nb2O5添加(0.3 vol %)使得723K時ZT值高達1.2，與基底樣品相比增加~50%。上述納米復合材料還具有高平均ZT值、熱電轉換效率和斷裂韌性。
【圖文簡介】
圖1 CNAS-0.3NPs復合材料與其他熱電材料的性能比較
CNAS-0.3NPs復合材料與其他熱電材料的性能比較。
展開 基于扁平熱管的電池熱管理系統耦合模型與熱電性能分析
最后，該團隊研究了不同FHP結構參數（包括均熱板厚度、FHP總厚度、FHP總長度）對電池熱電特性的影響機制。結果表明，FHP蒸汽腔厚度或FHP總厚度的減小不僅會增加蒸汽熱阻，同時也加劇了FHP傳熱能力的不均勻分布，使電池的熱性能惡化。FHP總長度的變化會導致FHP總傳熱熱阻的變化，影響電池的整體性能。相關研究成果以“A coupled model and thermo-electrical performance analysis for flat heat pipe-based battery thermal management system”為題發表于《Applied Thermal Engineering》。
展開 
中科院金屬所Nature Materials：高性能柔性層狀結構的熱電材料
與傳統的脆性和剛性熱電器件相比，柔性電子器件具有一些無可替代的優點。要獲得熱源表面和任意形狀之間的緊密接觸，良好的柔性是必不可少的；無支撐薄膜熱電材料由于可以容易地轉移到任何襯底上，通過減少熱能損失而顯著提高效率，通常是獲得最優器件配置的首選材料。
無機硫屬化合物（如Bi2Te3）是一種傳統的熱電材料，其可在寬的運行溫度下實現最優異的性能，但這種材料的脆性和剛性限制了它們在柔性熱電領域的應用。聚合物熱電材料雖然具有柔性好、重量輕以及易加工等優點，但由于其熱穩定性差、效率低以及接觸電阻高等缺點，因此嚴重阻礙其在熱電材料中的應用。碳納米管（CNTs）具有獨特的電、熱性能和優異的柔韌性，理論預測和實驗都表明CNTs是一種極具前景的柔性熱電材料。由于CNTs基復合材料中的碳納米管分布不均、弱的界面相互作用、雜質較多以及結構混亂等缺點，因而這種材料的熱電性能遠低于最新的無機硫屬化合物。因此，設計和制備具有優異綜合性能的柔性熱電材料仍然是一個巨大的挑戰。
【成果簡介】
近日，中科院金屬所邰凱平研究員、劉暢研究員和中科院近代物理所高寧研究員（共同通訊作者）等人合作利用磁控濺射技術在CNT支架上組裝層狀結構的Bi2Te3用于制造柔性熱電器件。該材料的功率因數在室溫下為~1600 μWm-1K-2，而在溫度為473 K時下降為1100 μWm-1K-2。其平面晶格熱導率為0.26±0.03 Wm-1K-1，室溫下最高的熱電品質因數可達0.89，這種性能主要來源于一種強的聲子散射效應。Bi2Te3-SWCNT材料優異的柔性與熱電性能主要來源于晶體取向、界面和納米孔結構，該研究結果為設計和制備高性能柔性熱電材料提供了新的思路。
展開 南科大《Science》：具有高熱電性能的高熵穩定硫屬化合物
，但廣泛應用的瓶頸是熱電材料的性能。
.: 載流子調諧/聲子工程協同效應助力材料高熱電性能
圖3 CuxBST材料的熱電性能提升機理分析
a) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的塞貝克系數；
b) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的功率因子；
c) 室溫下CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的Pisarenko點圖；
d) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的變形電位。
圖4 CuxBST材料的熱電性能
a) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的總熱導；
b) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料雙極熱導和晶格熱導的總和；
c) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的ZT值；
d) CuxBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料在室溫和523K之間的平均ZT值。
【小結】
綜上所述，作者通過MS和SPS工藝制備了改性CuxBST材料，并對其增強熱電性能進行了研究。通過改變摻雜Cu的量，變形電位逐漸降低，載流子濃度逐漸增加，電荷傳輸隨之得到改善。此外，作者通過雙極抑制和點缺陷散射實現了熱傳輸調制。與傳統熔融方法得到樣品相比，MS處理的樣品由于晶界散射的增加而表現出PF和低導熱率的顯著改善。結果，在溫度范圍為室溫至450K的MS Cu0.02BST的平均ZT值比原始MS BST高46%，在400K時達到1.34的最大ZT值。該研究提供了一種簡便的方法，不僅可以增加最大ZT值，還可以增加平均ZT值，非常有利于中溫熱電應用。
展開 . : 受體調控增強D-A共聚物的n型導電性及熱電性能
上述結果表明，適當的供體調控可以提高D-A共聚物的n摻雜效率、電導率和熱電性能。
【圖文簡介】
圖1 聚合物分子結構及基本性質表征
a) 聚合物PDPH、PDPF和n-摻雜物N-DMBI的分子結構；
b) PDPH和PDPF的DFT優化幾何構型；
c) 煅燒后PDPH和PDPF薄膜的歸一化紫外-可見吸收譜；
d) PDPH和PDPF重復單元扭轉自由度的松弛勢能。
圖2 熱電性能表征
a) 不同N-DMBI質量比下材料的電導率；
b) 不同N-DMBI質量比下材料的Seebeck系數；
c) 不同N-DMBI質量比下材料的PFs (圓圈示意正Seebeck系數)。
展開 結構優化在車身剛度性能優化中的應用
車身性能開發金字塔的最底層是消費者最易感知的性能，即操穩性能，而操穩性能直接相關的就是車身的整體剛度性能。（車身扭轉剛度、區域剛度是和車身操穩性能相關的，因此車身扭轉剛度的性能目標應該滿足操穩性能要求，也應該由操穩性能需求來定義。）
通常更高的車身剛度性能對于操穩、NVH、耐久性能是有益的，那是不是說為了提升上述相關性能可以過度提高剛度性能呢？當然不是，剛度性能提升是要滿足結構最優化設計原則，即通過結構優化設計來提升材料有效利用率，而不是靠粗暴地堆疊材料來提升剛度性能。在提升剛度性能時還要考慮輕量化要求，只有通過結構優化設計才能夠在滿足剛度性能要求時，同時滿足動力經濟性的要求。
結構優化包括拓撲優化、形狀優化等方法在優化車身性能中具有非常重要的作用。拓撲優化可以合理優化材料分布，識別車身結構薄弱點。形狀優化進一步優化零部件結構形狀提升材料效率。
以上包括本田、雷諾、沃爾沃、標志、尼桑、寶馬、雷克薩斯、斯柯達、歐寶等車型開發過程中拓撲優化在結構性能優化中的案例。
實際案例：
拓撲優化：
針對車身后端包括C、D柱、dog leg區域進行拓撲優化分析，識別結構弱區域。根據拓撲優化結果進行結構優化設計：
原方案：
方案1：重新設計C環結構
方案2：增加bulk head
這里就不在贅述其他方案，根據拓撲結果可以識別的方案一般包括增加加強件、增加Bulk head、增加焊點、修改形狀特征、結構形狀優化等。通過以上方案驗證，可以提升扭轉剛度性能12%左右，同時減重0.8Kg。驗證扭轉模態性能提升2.3Hz。
展開 優化小型家電的齒輪性能
推薦材料選擇
Stanyl? 是業內性能卓越的一種聚酰胺（尼龍）46，能適用于低溫和高溫的復雜應用工況。它提供了優異的摩擦學性能，擁有比聚鄰苯二甲酰胺 (PPA) 和其他高溫尼龍高出 50% 的耐磨性，并且能在干燥、平滑的環境下保持相同的性能。這些優異的性能主要取決于其特殊的分子結構，使得其結晶率高達 70%。
Stanyl? 的高結晶性和大量氫鍵分子成就了它極佳的耐摩擦磨損性和極好的、甚至高過玻璃化溫度的機械性能。它還為注射成型工藝提供了比多數聚酰胺都好的高流動性特質。此外，Stanyl? 成功的模制過程不需要借助特殊模具、溫度、鋼鐵或是其他高溫尼龍聚合物所需的特殊輔助工具。
Stanyl? 的高耐力性、耐用性和優異的摩擦磨耗性能，讓它成為了生產齒輪和其他對空間及耐用性有要求之小型家電部件的極佳選擇。
和一些競品，如聚甲醛（POM）相比，Stanyl? 表現出了更好的靜力強度、疲勞強度、更好的耐磨損以及耐蠕變性能。與競品 PPA 材料相比，用 Stanyl? 生產和設計的塑料齒輪，在不影響產品性能的基礎上，可減少 30% 的原料使用。另外對于低溫齒輪應用，它還表現出長久的耐用性，其承受的極限扭矩等級遠超 PPA 材料。如圖 2 所示，在保證性能的同時，使用 Stanyl? PA46材料，齒輪的厚度可以從使用 PPA 材料的 10mm 降低至 7mm，并減重約 30%。
展開 電動汽車電池包箱體保溫性能研究與優化
首先考慮下箱體材料的不同，鋼材的導熱系數為36?54W/(m·k)，鋁合金的導熱系數為160W/(m·k)，鋁合金比鋼材的導熱性能強，與仿真結果相反，因此材料導熱性能不是影響本文電池包隔熱保溫性能的主要原因。
其次考慮下箱體結構的不同，剛制與鋁制電池包下箱體截面圖如下圖所示。鋼制電池包下箱體底板為單層高強鋼板，其厚度為0.8mm，鋁制電池包下箱體底板為多層中空結構，其厚度為15mm。中空結構內存在空氣，空氣的導熱系數約為0.0267W/(m·k)遠小于鋼材和鋁合金的導熱系數，所以即使鋁合金的導熱性能比鋼材的高，但是由于中空結構中的空氣使得鋁合金下箱體整體的導熱性能比鋼制電池包的導熱性能低。因此電池包下箱體結構是影響本文電池包隔熱保溫性能的主要原因。
3.4 箱體隔熱保溫方案優化
3.4.1 鋼制電池包方案優化
根據仿真的結果，目前鋼制電池包的保溫性能無法滿足冬季工況設計要求，需要對其進行優化。
方法一：通過增加海綿橡膠的厚度來提升電池包下箱體的保溫性能。保持上蓋保溫材料厚度不變，將下箱體保溫材料的厚度由原來的5mm增加到15mm并使用Taitherm軟件進行仿真分析，根據結果計算出4小時內電芯的平均溫度變化率為2.58℃/h，仍然無法滿足設計要求。由于電池包內空間限制無法繼續增加保溫材料的厚度。
方法二：選用保溫性能更高的材料。綜合考慮保溫性能與生產成本選取泡沫石棉為下箱體的保溫保溫材料，材料厚度的選擇通過使用Taitherm算進對模型多步迭代計算，最后得出當泡沫石棉厚度為15mm時，4小時內電芯的平均溫度變化率為1.92℃/h，電池包保溫性能滿足設計要求。
展開 
某型電動汽車路噪性能優化
原方案及優化方案車內噪聲仿真對比數據，如圖 10所示，在100Hz以內優化方案相對于原方案車內噪 聲有明顯降低，幅值降低可達8B。確定實施此方案并 進行樣件制作，后續需進行實車效果驗證。
3．5 方案總結確定
同時采用后縱臂軸套剛度變更及增加 電池支 架 2套方案并進行實車效果驗證 ，驗證結果 ，如 ll 所示 ，設計車與合資車處于同一水平。
從圖9和圖10的數據對比可知，仿真數據和實測 數據比較接近，總體誤差在6%以內，說明試驗汽車達 到了仿真的效果，達到了TVC穩定性控制的預期效 果，唯一不足之處是TVC觸發時，電機在正反向驅動 導致整車有一定的抖動，使乘坐舒適性不是很好，因此 在后期有必要對扭矩進行平滑處理來降低扭矩對整車 抖動的影響。
4 結論
1)整車仿真模型的利用可以有效降低開發成本并縮短開發周期。隨著仿真精度的提高，仿真工具將會車輛開發及優化過程中得到更多的應用。
2)路噪性能屬于整性能，只進行單一零部件優化無法達成優化目標。
3)低頻噪聲問題需著重關注橡膠件的隔振性能及大面積鈑金件的剛度。
作者：劉偉 韓騰飛 楊少鵬 詹定海 耿鵬飛
作者單位：長城汽車股份有限公司
來源：汽車工程師
文章來源：汽車nvh云講堂
展開 【技術帖】軸流風機的氣動性能優化
軸流式風機通常用在流量要求較高而壓力要求較低的場合，由此軸流風機的氣動性能成為評判其性能優劣的重要指標。
本文即將展示的是某軸流風機的氣動性能優化的全流程介紹。通過對軸流風機的葉片和風道進行調整優化以提高其流量與效率。
01
優化前準備工作：
為了方便對葉片進行調整，建立葉輪的全參數化模型，并將葉片分為六個控制截面來調整參數變化。之后設定參數變化規律或給定算法，在優化軟件中會自動生成不同模型并啟動CFD軟件進行仿真計算。
021
優化目標：PQ性能與效率
模型優化過程中，主要分為風道及葉片的調整，調整內容如下：
031
優化過程：
首先我們在軟件當中建立全參數化的模型，然后優化軟件設置中的參數以及參數變化范圍，接下來與CFD軟件進行耦合，最后進行全自動的性能優化。其中對于優化參數部分，主要是對扇葉進行優化：有葉片的翼形、弦長、三個方向的角度以及葉片數量，除此之外本次對風道也進行了一定程度的優化。
展開 工業用大型發動機的性能優化
在一般實際模擬計算中，首先校合模型使計算結果與實驗值相一致，然后您可以進行模擬計算預測實際工作狀況，根據計算結果，利用統計學工具和一些評估方法得到影響性能參數的變量和這些變量對性能參數相關性系數等modeFRONTIER擁有各種最先進的響應面創建方法，和數據統計工具來解決此類日益復雜的問題。本案例，內燃機的weibe燃燒條件（3個可變變量）作為設計變量，性能參數（1個）作為優化目標，此處只設一個目標是為了加快尋優速度。采用MOGA算法，MOGA作為探索優化算法的一種，可調節其參數逐步縮小搜索范圍以最快的速度求得最優解。
展開 Python性能分析與優化PDF文檔下載
全面掌握Python代碼性能分析和優化方法，消除性能瓶頸，迅速改善程序性能！
對于Python程序員來說，僅僅知道如何寫代碼是不夠的，還要能夠充分利用關鍵代碼的處理能力。本書將討論如何對Python代碼進行性能分析，找出性能瓶頸，并通過不同的性能優化技術消除瓶頸。
本書從基本的概念開始，循序漸進地介紹高級的優化主題。首先介紹了Python的主流性能分析器，以及用于幫助理解性能分析結果的可視化工具。然后介紹了通用的性能優化方法和專門針對Python的性能優化方法，帶你瀏覽該語言的主要結構，讓你只需做一點改變，即可迅速改善代碼的性能。最后介紹了一些專門用于數據處理的程序庫，教你如何正確地使用它們以獲得最佳性能。
如果你是一名Python開發者，想優化Python代碼的性能，或是想進一步提升編程能力，那么本書非常適合你閱讀。
通過閱讀本書，你將能夠：
掌握逐步優化代碼的方法，學會使用不同的性能分析工具
理解性能分析器的概念，學會如何觀察輸出結果
利用性能分析工具解釋可視化的性能輸出結果，改善腳本的性能
用Cython快速創建Python與C語言混合的應用程序
利用PyPy改善Python代碼的性能
通過Numba、Parakeet和pandas優化數據處理代碼
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目錄
第 1 章 性能分析基礎 閱讀
第 2 章 性能分析器
第 3 章 可視化——利用GUI理解性能分析數據
第 4 章 優化每一個細節
第 5 章 多線程與多進程
第 6 章 常用的優化方法
第 7 章 用Numba、Parakeet和pandas實現極速數據處理
第 8 章 付諸實踐
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