一种超高效均温板设计方法技术

本发明专利技术提供一种超高效均温板设计方法，使用新颖的迭代拓扑优化方法，并结合有限元模拟来设计一种热均匀均温板，首先进行初始化参数设置，对电池进行建模，接下来进行电池的温度数据采集以及边界条件的设置，对于电池表面温度探针进行设置以后，达到最优生成位置生成散热片，对于散热片位置进行确定以后进行网格剖分有限元的仿真，最后由温差值的结果确定输出散热片的几何结构模型和各项温度参数。本发明专利技术不仅可以应用于高倍率放电下的电池还能够广泛应用于芯片、电机、电池等多种高功率密度领域。本发明专利技术所生成的均温板均温性能优异，可满足瞬态场和稳态场的均温要求，并且具备高度可加工性。加工性。加工性。

【技术实现步骤摘要】
一种超高效均温板设计方法


[0001]本专利技术属于传热领域，具体涉及一种超高效均温板设计方法。

技术介绍

[0002]均温板作为一种新型的两相流散热技术，具有导热性高、均温性好、热流方向可逆等优点，克服了传统热管接触面积小、热阻大、热流密度不均匀等问题，已经成为解决未来电子工业中高热流密度电子器件散热有效途径之一。近年来，电子元件越来越呈现出微型化和高功耗的发展趋势，如何解决电子元件因高发热量而导致性能下降的问题引起了人们的广泛关注。为了更好的解决发热源本体的温度不一致问题，均温板得到了比较广泛的应用，均温板设计是可在电子电路、芯片、储能系统等领域广泛应用的通用技术，通常实现的作用是保证设备表面的温度均匀性，使其不出现较高的温度过热点以及保证器件不因温度不均导致老化速度加快的问题。
[0003]目前，均温板已经应用在一些高性能商用和军用电子器件上，随着加工技术的发展，均温板朝着越来越薄的方向发展。现有均温技术多是基于散热技术，常常在保证较好散热效果的基础上实现均温，并且不考虑时间尺度的影响。传统散热结构一般通过设计人员的工程实践经验和传热学基本知识完成，但是这种方法只能实现一般的可参数化的结构设计，并且无法适用于复杂边界条件的传热结构设计，因此工程上发展了密度法、均匀化方法、水平集法、相场法等，通过算法结合有限元仿真的方式来优化拓扑结构设计，最终可实现多种目标优化，这一方式具备高度设计前瞻性，对于传热拓扑优化具有较好指导意义。电子设备的高性能、高可靠、高精度以及小体积、轻量化的发展要求使其集成度、功率以及热流密度越来越高，有效解决散热问题是保证其性能的前提。目前，常用的散热方式有自然散热、风冷散热、液冷散热、热管散热等，但是这些算法目前尚未在均温板设计领域出现。因此本专利技术即为了解决这一问题。
[0004]锂离子电池(LIBs)作为最新兴的技术之一应运而生，在便携式电子设备、电动汽车和储能系统等领域发挥着重要作用。由于快速充放电、长运行时间等应用场景的需求，锂离子电池LIBs不断向更大体积、更大容量、更高能量密度和功率密度方向发展，这导致了一个新的但未被充分认识的高温差问题。均温板作为高效的传热设备，被广泛地应用在高功率LED发光二极管、废热回收、太阳能集热器、电池热管理等，由于均温板满足轻量化、高性能、高可靠性的要求，且能在零重力环境中运行，未来有望广泛应用到空间电子设备的冷却中。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决如何利用现有算法设计均温板时收敛速度较慢的问题，提出一种超高效均温板设计方法。在一些特定的发热源当中，发出大量的热量会对于某些器件带来十分不好的效果，甚至会造成器件的损坏，或是在某些热量的实验中极大的影响实验结果，例如，在电池进行高倍率放电过程当中，导致电池的整体表现出温度不均的现
象，进而导致不同位置发出的热量也不尽相同。该设计策略的提出，可以有效的对于发热源进行均温处理，可以更好地实现器件的保护，或是提高电池在一些工况下的放电性能，对于电池性能的提升产生了极大的促进作用。
[0006]本专利技术的采用的技术方案如下：
[0007]一种超高效均温板设计方法，具体包括如下步骤：
[0008](1)初始化参数的处理：对参数进行初始化，并建立电池的物理模型；所述物理模型作为有限元仿真的输入；所述参数包括电池的材料和放电特性；所述物理模型作为有限元仿真的输入条件；
[0009](2)加载温度数据以及设置热源，反映电池表面温度分布：在电池表面设置两个温度探头，分别用于测试最高温度和最低温度，计算出所述最高温度和最低温度的温差；
[0010](3)通过有限元仿真找出散热片的最佳位置：利用有限元进行网格剖分，将所述均温板的设计域划分为长1cm、宽1cm、高0.2cm的单元；根据步骤(2)中获得的电池不同区域的最高温度和最低温度，将最高温度的位置作为散热片的最佳位置，在该最佳位置生成散热片以降低最高温度后，利用网格剖分有限元仿真进行迭代计算最高温度与最低温度之差；当所述温度之差小于5℃时，迭代停止；当未达到温差条件时，则继续进行迭代拓扑优化；
[0011](4)根据步骤(3)在电池表面设置散热片，并对最优的散热片位置的生成进行验证，对于不同区域的温度进行分析，观察温度差，从而获得所述超高效均温板。
[0012]进一步地，所述步骤(3)中通过在电池高温区堆叠冷却板形成散热片来降低最高温度；其包括如下步骤：
[0013](1)当通过有限元分析找到高温区时，在高温区上方放置一个预设厚度为H1的冷却板形成最高的散热，所述最高的散热是指电池最高温度与最低温度之差小于5℃；
[0014](2)循环进行有限元分析并重新发现新的高温区；当出现重复的高温区时，该区上方均已经设有冷却板，那么在该冷却板上方再设置新的冷却板。
[0015]进一步地，温度高的区域设置更多的冷却板以进行更好的散热。
[0016]有益效果：
[0017]1、本专利技术提供的一种超高效均温板设计方法将算法与有限元仿真有机结合，可以快速迭代生成最优均温结构；
[0018]2、本专利技术提供的一种超高效均温板设计，最终生成的结构具有较高可加工性；
[0019]3、本专利技术提供的一种超高效均温板设计方法，使用的是按需生成均温结构策略，因此可充分满足轻量化设计目标。
[0020]综上所述，本专利技术使用一种新颖的迭代拓扑优化方法结合有限元模拟来设计一种新型的热均匀冷却板。在具体的实例应用当中，使用相同重量的材料，在40℃放电下温差降低达23％，相同温差下重量减轻达80％。本专利技术的方法适用于不同场景，可有效降低温差，指导复杂热源下的结构设计。通过本专利技术可以完成所需均温板的设计，可以在瞬态场和稳态场进行使用，并且达到均温要求，在产品的加工方面也具有一定的可实施性。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的高效均温板设计方法流程图；
[0022]图2为本专利技术的均温板成型示意图；
[0023]图3为本专利技术的成型的均温板剖面示意图。
具体实施方式
[0024]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明，本专利技术的具体实施例中，提出了一种新颖的进化拓扑优化方法，该方法基于合理的数学推导从无到有创建均温板，拓扑优化的理论是通过在电池高温区堆叠冷却板来降低最高温度。结果通过有限元模拟测试，达到了良好的热均匀性。
[0025]显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0026]在本专利技术的描述中，需要说明的是，所应用的范围包括但不限于芯片、储能、电子器件等方面，本专利技术具有广阔的应用前景；本方法所应用的热源可为单一均匀热源、多种均匀热源、单一不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高效均温板设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)初始化参数的处理：对参数进行初始化，并建立电池的物理模型；所述物理模型作为有限元仿真的输入；所述参数包括电池的材料和放电特性；所述物理模型作为有限元仿真的输入条件；(2)加载温度数据以及设置热源，反映电池表面温度分布：在电池表面设置两个温度探头，分别用于测试最高温度和最低温度；(3)通过有限元仿真找出散热片的最佳位置：利用有限元进行网格剖分，将所述均温板的设计域划分为长1cm、宽1cm、高0.2cm的单元；根据步骤(2)中获得的电池不同区域的最高温度和最低温度，将最高温度的位置作为散热片的最佳位置，在该最佳位置生成散热片以降低最高温度后，利用网格剖分有限元仿真进行迭代计算最高温度与最低温度之温差；当所述温差小于5℃时，迭代停止；当未达到温...

【专利技术属性】
技术研发人员：高迎慧，刘泽慧，杨斌，陈洪涛，严萍，孙鹞鸿，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：