[发明专利]一种对于电池液冷板的拓扑优化设计方法

说明书

本发明公开了一种对于电池液冷板的拓扑优化设计方法，包括以下步骤：确定拓扑优化参数和冷却液物理参数；根据控制方程，确定目标函数和热边界条件；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特性参数进行插值，建立冷却通道拓扑优化数学模型；更新设计变量；构建三维液冷板模型，组建电池组模型；模拟电池组整个放电过程温度的变化情况；判断电池放电过程中最高温度和压降是否符合允许的范围。此种液冷板设计优化方法具有更大的设计自由度，换热性能良好；能够有效降低电池的温度，同时拓扑优化结构更加合理，可造性高；有效突破传统电池液冷板的限制，在探索设计新型液冷板和改善电池放电温度方面都有重要的意义。

技术领域

本发明属于电池热管理领域，特别涉及一种对于电池液冷板的拓扑优化设计方法。

背景技术

动力电池，作为电动汽车的重要动力来源和核心组成部件，是制约其发展、决定其性能的关键环节。除自身材料外，电池的各项性能与其使用条件密切相关，其中温度会直接影响电池内部电化学反应，动力电池的容量、充放电效率以及使用寿命都会因温度的不同而发生改变。因此，对动力电池进行热管理，使电池温度维持在最佳工作区间，可以有效避免电池功率不足和热安全问题。目前，电池系统最常见的冷却方式是通过液冷板液体冷却。

传统的液冷板设计，是通过对液冷板流道尺寸和形状优化来达到更好的换热效果。而且传统设计中多以经验为主，存在设计周期长、随机性大等缺点，将拓扑优化方法应用于流道结构设计，可以提高设计自由度，通过热源位置，灵活布置流道，可以提高换热效率，结合增材制造技术，可以快速实现工程应用。目前用于液冷板设计领域中的拓扑优化方法是变密度法，以最大换热为目标，建立热-流多物理场拓扑优化数学模型，得到合适的流道结构。变密度法通常利用有限元方法来求解，但是这种求解方式通常会出现棋盘格式、网格依赖性和灰度单元等数值不稳定现象，这些不稳定现象会导致优化过程提前终止或结果不可行。为消除灰度单元数值不稳定现象，现有的方法是投影方法。为消除棋盘格式和网格依赖性等数值不稳定现象，现有的方法是基于SIMP的密度过滤。基于SIMP的密度过滤的缺点是受惩罚因子的取值大小影响很大，当惩罚因子取值太小时，会造成过多的灰度单元，导致优化结果不收敛；当惩罚因子取值较大时，又会造成优化陷入局部最优解，导致部分单元在优化迭代初期就被删除掉，优化结果不准确。

发明内容

本发明提供一种对于电池液冷板的拓扑优化设计方法，通过基于改进的SIMP密度过滤方法使惩罚因子对得到的拓扑结构影响减小甚至消除，当惩罚因子较小时，灰度单元有所减小，不管惩罚因子如何增大，改进模型的表达式总能控制材料属性导数值为零的单元数量，使大量单元在迭代前期被保留下来，进入优化的下一步，提供更多优化的可能性，减少了结构细节，得到的模型更加光滑，有利于制造，另外基于改进的SIMP密度过滤还可以提高收敛速度。使用移动渐近线法(MMA)优化迭代算法更新设计变量，相比于常用的序列二次规划法具有更好的收敛性。本发明有效增加了优化结果的稳定性、收敛性和精确性。

为解决本发明目的，本发明提供的一种对于电池液冷板的拓扑优化设计方法，按以下步骤实现：

(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。

其中，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(包括中线和对角线布置)。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。

(2)根据控制方程，确定目标函数和热边界边界条件。

其中，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。