[发明专利]一种对于电池液冷板的拓扑优化设计方法

权利要求书

1.一种对于电池液冷板的拓扑优化设计方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)选定设计域，确定液冷板拓扑优化参数和冷却液物性参数，建立二维液冷板模型；

(2)根据控制方程，确定目标函数和热边界边界条件；

(3)利用改进的SIMP材料插值方法对多孔介质的逆渗透率和材料的物理属性参数进行插值，建立冷却通道拓扑优化数学模型；

(4)采用移动渐近线法优化迭代算法更新设计变量，进行密度过滤，并使用双曲正切投影来消除灰度单元，输出收敛后的拓扑优化结果；

(5)根据优化结构，构建三维液冷板模型，结合电芯模型，组建电池组模型；

(6)设置电池发热量和液冷板入口冷却液参数，用仿真软件模拟电池组整个放电过程温度的变化情况；

(7)判断电池在放电过程中最高温度和压降是否符合允许的范围，若符合则液冷板设计成功，若不符合，则需要修改拓扑优化参数，重复步骤(1)到步骤(7)直到符合要求。

2.根据权利要求1所述的一种对于电池液冷板的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤(1)中，设计域是指液冷板二维基本尺寸，液冷板二维尺寸包括整体长宽以及出入口的尺寸大小、出入口的位置。液冷板的拓扑优化参数包括入口冷却液的压力p_in、温度T_in、速度u_in和热源的发热量Q，冷却液物理参数包括导热系数k_f、密度ρ、定压热熔C_p和动力粘性μ。

3.根据权利要求1所述的一种对于电池液冷板的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述控制方程选自连续性方程、动量方程和传热控制方程中的一个或几个；所述目标函数选自最大换热量、在入口和出口充分发展流动的条件下压降的最小值双目标函数；所述热流边界条件选自流体域体积分数限制、冷却液入口量限制以及与环境绝热限制中的一个或几个。

4.根据权利要求1所述的一种对于电池液冷板的拓扑优化设计方法，其特征在于，目标函数为：

假设热量由电池独立产生，寻求最优散热性能可转化为求解最大化换热问题，热源形式设置为温度相关热源，使电池内定温热源的换热量最大：

maxQ＝∫_Ω(1-γ)θ(T_Q-T)dΩ

式中，Q是换热量，γ是设计变量即相对密度，θ是与温差相关的热源产热系数，T_Q是假定热源温度，T是某点处的温度值，Ω为设计域；

另一方面，为了同时实现较小的总压降即保证较低的流体流动能耗，流体目标可选用总压降作为优化目标，表示为：

式中，p是流体压力，Φ是总压降，Γ_in、Γ_out分别是进出口处的边界条件，u是液冷板进口流速，n是边界外法向量，Γ是边界条件；

在入口和出口冷却液充分流动的条件下，总压降等于流体总势能，进一步使用定义流体体积内的总势能来表示为：

通过归一化处理，将两个目标线性组合为多目标优化问题的目标函数，表示如下：

J＝-w₁J′_th+w₂J′_f，w₁+w₂＝1

式中，J_f是总势能，是梯度算子，α(γ)是连续逆渗透率函数，μ是动力粘度，上标T表示转置，w₁、w₂是权重系数，J_th是生热量，J_th，min是最小生热量，J_th，max是最大生热量，J′_th是生热量的无量纲化，J′_f是是势能的无量纲化，J_f，min是最小势能，J_f，max是最大势能，J是目标函数。