一种动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种面向动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法，涉及热流体拓扑优化相关技术领域。本发明专利技术采用Darcy渗流模型等效描述流体流动行为，并依此建立对流散热模型。与已有基于高保真流体模型的冷却流道拓扑优化方法相比，本发明专利技术所公开方法可显著降低流体仿真和灵敏度分析的复杂度，提高拓扑优化计算效率。与当前动力电池常用的规则流道布局相比，采用本发明专利技术所公开方法设计的二维平面冷却流道散热性能更优，亦可提升动力电池产品开发效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法


[0001]本专利技术涉及热流体拓扑优化设计相关
，尤其涉及一种动力电池水冷流板及其流道拓扑优化设计方法。

技术介绍

[0002]水冷流板广泛应用于大容量、高热流密度新能源动力电池的散热系统。在水冷流板的设计过程中，需要考虑对流散热和流动压力损失等因素。水冷流板主要采用以流道尺寸及位置参数为变量的代理模型优化方法进行设计。该类方法需基于数值仿真及热流体试验构建代理模型，代替较为复杂的原物理模型进行优化求解，一定程度上减小了可行解集的大小，且优化流程较为复杂，难以用于产品的概念设计。冷却流道拓扑优化是热流体仿真驱动的流道设计方法，可充分考虑不同电芯分布，高效设计冷却性能优异的水冷流板。
[0003]针对水冷流板的流道设计问题，中国专利CN 113094944 A公开了一种微流道散热器及相应的拓扑优化设计方法，基于带有温度方程的Naiver
‑
Stokes方程组，建立强制对流物理模型以模拟流体在流道内的流动及对流换热行为，并依此建立参数水平集拓扑优化模型。该设计方法能够设计微流道的细观构型，使散热器的传热效率最大化。但该方法所采用的高保真流体模型计算复杂度高，优化方法整体效率低，优化设计初期易因流道未成形致使仿真不收敛，难以在设计初期快速获得复杂的随形冷却流道。

技术实现思路

[0004]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的是如何高效设计水冷流板冷却流道的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法，该方法包括以下步骤：
[0006]步骤1：确定设计空间、边界条件及优化参数初始化；
[0007]步骤2：搭建热流体有限元仿真模型；
[0008]步骤3：构建流体单元参数化表征模型；
[0009]步骤4：拓扑优化建模；
[0010]步骤5：设计响应求解；
[0011]步骤6：灵敏度分析；
[0012]步骤7：优化求解；
[0013]步骤8：收敛判断；
[0014]步骤9：优化结果后处理。
[0015]进一步，所述步骤1具体为：根据动力电池水冷流板外形尺寸，确定流道设计空间，将待设计结构离散为多个有限单元；根据电芯布局位置及发热功率，确定热流密度及其作用位置，设定热边界条件；设置设计变量x，用于表示材料为固体或流体。
[0016]进一步，所述步骤2具体为：采用线性Darcy渗流模型预测水冷流板的压力场与速
度场，基于所获得的速度场，建立适用于动力电池水冷流板的对流散热结构模型，基于该模型，求解对流散热结构的温度场。
[0017]进一步，所述步骤3具体为：基于实体各向同性材料插值格式(SIMP)，分别建立单元渗透矩阵κ、等效热传导矩阵k、密度ρ、比热c
p
的插值模型。
[0018]进一步，所述步骤4具体为：以最小化给定区域的平均温度值为优化目标，以单元密度为设计变量，考虑流体体积、进出口压降、最小尺寸约束，建立动力电池水冷流板拓扑优化模型。
[0019]进一步，所述步骤5具体为：基于当前优化迭代步下单元密度信息，求解压力场、速度场、温度场，计算给定区域内的平均温度值、流体体积约束值g1、压降约束值g2、最小特征尺寸约束值g3。
[0020]进一步，所述步骤6具体为：求解每一优化迭代步下目标函数及各约束函数对设计变量x的灵敏度值。
[0021]进一步，所述步骤7具体为：利用移动渐近线算法(MMA)求解优化模型，更新设计变量x。
[0022]进一步，所述步骤8具体为：如果目标函数及约束函数变化率在连续5个迭代步内低于0.5％，则认为优化求解收敛；若优化不满足收敛条件，则重复步骤5～8。
[0023]进一步，所述步骤9具体为：基于二分法，将优化结果转化为无灰度单元的清晰流道结构。
[0024]本专利技术具有以下技术效果：
[0025](1)本专利技术采用Darcy渗流模型等效描述流体流动行为，可显著降低流体仿真和灵敏度分析的复杂度，提高拓扑优化计算效率；
[0026](2)与当前动力电池常用的规则流道布局相比，采用本专利技术所公开方法设计的二维平面冷却流道散热性能更优，亦可提升动力电池产品开发效率。
[0027]以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。
附图说明
[0028]图1是本专利技术提供的动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法的流程示意图；
[0029]图2是本专利技术实施例的动力电池水冷流板的设计空间及热流载荷分布的示意图；
[0030]图3是图2中的动力电池水冷流板的最终流道拓扑构型示意图。
具体实施方式
[0031]以下参考说明书附图介绍本专利技术的多个优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本专利技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0032]在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本专利技术并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
[0033]图1所示为本专利技术的一实施例的流程图，按照上述流程，执行本专利技术实施例，如下
所述：
[0034]步骤1：建立如图2所示动力电池水冷流板的设计空间(黑色区域上方布置有电芯，代表热流载荷的作用区)，设计域高H＝500mm，宽L＝1000mm，其他尺寸L1＝50mm，L2＝100mm，L3＝100mm，H1＝50mm，H2＝100mm，H3＝50mm，采用400
×
200个四结点有限单元离散该设计域；采用“双入口
‑
双出口”的流通方式，流体以v
in
＝0.5m/s的速度从左侧区域Γ1流入，从右侧区域Γ2流出，该区域在优化过程中压力定义为0Pa；电芯区设置为体积热源q＝2
×
107W/m3；冷却流体为水，其物性参数为：渗透率κ
f
＝2.5
×
10
‑5m2，导热系数k
f
＝0.6W/(m
·
K)，密度ρ
f
＝1000kg/m3，比热容c
f
＝0.46
×
103J/(kg
·
K)；固体材料为钢，其物理属性为渗透率κ
s
＝2.5
×
10
‑
11
m2，导热系数k
s
＝44W/(m
·
K)，密度ρ
s
＝7.8
×
103kg/m3，比热容c
s
＝4.2
×
103J/(kg
·
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：确定设计空间、边界条件及优化参数初始化；步骤2：搭建热流体有限元仿真模型；步骤3：构建流体单元参数化表征模型；步骤4：拓扑优化建模；步骤5：设计响应求解；步骤6：灵敏度分析；步骤7：优化求解；步骤8：收敛判断；步骤9：优化结果后处理。2.如权利要求1所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法，其特征在于，所述步骤1具体为：根据动力电池水冷流板外形尺寸，确定流道设计空间，将待设计结构离散为多个有限单元；根据电芯布局位置及发热功率，确定热流密度及其作用位置，设定热边界条件；设置设计变量x，用于表示材料为固体或流体。3.如权利要求2所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为：采用线性Darcy渗流模型预测水冷流板的压力场与速度场，基于所获得的速度场，建立适用于动力电池水冷流板的对流散热结构模型，基于该模型，求解对流散热结构的温度场。4.如权利要求3所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法，其特征在于，所述步骤3具体为：基于实体各向同性材料插值格式(SIMP)，分别建立单元渗透矩阵κ、等效热传导矩阵k、密度ρ、比热c
p
的插值模型。5.如权利要求4所述动力电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：周明东，耿达，魏创，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：