引言：業(yè)軟件行業(yè)不斷看到智能產(chǎn)品出現(xiàn)，近期我們觀察到世界范圍內(nèi)創(chuàng)成式軟件領(lǐng)域玩家不斷增多。Diabatix是一家比利時(shí)的軟件公司，專注于基于創(chuàng)成算法進(jìn)行智能的熱設(shè)計(jì)及熱分析。基于拓?fù)鋬?yōu)化、創(chuàng)成設(shè)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)等最前沿的技術(shù)，Diabatix的產(chǎn)品可以使毫無仿真經(jīng)驗(yàn)的工程師從零開始快速、自動(dòng)的創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)、熱效率、工藝最優(yōu)化的熱設(shè)計(jì)方案。

Diabatix的產(chǎn)品ColdStream基于云端分時(shí)收費(fèi)模式，用戶以訂閱軟件Saas使用賬號+按需算力付費(fèi)的模式使用，這樣的產(chǎn)品能夠?yàn)閲鴥?nèi)熱設(shè)計(jì)方向提供熱效率突破創(chuàng)新的助力么？Saas軟件模式適合國內(nèi)的用戶習(xí)慣么？

導(dǎo)讀：電池冷電池板的設(shè)計(jì)正變得越來越具有挑戰(zhàn)性。幸運(yùn)的是，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入了這一專業(yè)領(lǐng)域。本文闡述了電池冷板拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)，并通過多個(gè)實(shí)例和比較，說明了該方法的附加價(jià)值。

雖然電動(dòng)汽車公司一直尋求更有效的替代方案來設(shè)計(jì)電池冷卻系統(tǒng)，但是傳統(tǒng)的冷板設(shè)計(jì)仍被廣泛用于為電動(dòng)汽車的電池提供冷卻，人工的參與和試錯(cuò)在工程設(shè)計(jì)過程中仍然占主導(dǎo)地位。借助拓?fù)鋬?yōu)化的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)使這一設(shè)計(jì)過程更加順暢。

介紹

電動(dòng)汽車（EVs）是一種燃油交通的清潔替代品。它們以高效率聞名，在市場中越來越受歡迎。電動(dòng)汽車使用可充電電池作為動(dòng)力，也給這個(gè)行業(yè)帶來了一些挑戰(zhàn)。

高效的電池?zé)峁芾硎茄娱L電池使用壽命的關(guān)鍵。因此，工程師在冷板設(shè)計(jì)過程中遇到的最常見問題是確保電池在較低的整體溫度運(yùn)行，保持其溫度均勻性和冷板內(nèi)液體壓降在可接受的范圍內(nèi)。此外，工程師關(guān)注產(chǎn)品的可制造性的同時(shí)也要追求產(chǎn)品重量的最小化。

最近在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)領(lǐng)域引入的一種新技術(shù)可以克服上述的挑戰(zhàn)。將拓?fù)鋬?yōu)化與流體力學(xué)相結(jié)合，可以在一個(gè)簡單而穩(wěn)定的工作流程中將約束條件與設(shè)計(jì)目標(biāo)結(jié)合起來，從而獲得高性能的冷板設(shè)計(jì)。

本文的內(nèi)容按以下順序進(jìn)行：首先介紹創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，然后是拓?fù)鋬?yōu)化分析的步驟說明。接下來是一系列的電池冷板研究和比較電池冷板性能的方法，這部分探討了冷板建模及其分析的假設(shè)，總結(jié)了各種冷板的性能結(jié)果。最后，本文對各種冷板設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期中，工程師直接參與從設(shè)計(jì)概念到解決方案的所有步驟。這個(gè)過程從創(chuàng)造者設(shè)想的模型構(gòu)想開始。負(fù)責(zé)人通過建模、仿真、后處理和分析所選擇的設(shè)計(jì)來驗(yàn)證其性能。如果最終的設(shè)計(jì)沒有達(dá)到令人滿意的水平，就會產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)迭代。這種耗時(shí)的設(shè)計(jì)程序被創(chuàng)成式設(shè)計(jì)技術(shù)打破了，它需要最少的用戶輸入和互動(dòng)。

只需給定系統(tǒng)要求，如設(shè)計(jì)空間、目標(biāo)和約束，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)使用人工智能 (AI) 技術(shù)自動(dòng)生成一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)。該算法根據(jù)輸入的約束探索不同的輸出，并使用收集到的信息來生成新的和可能更好的解決方案。循環(huán)往復(fù)，直到找到滿足給定約束條件的可行設(shè)計(jì)[1,2]。

當(dāng)數(shù)值模擬在設(shè)計(jì)周期中評估生成的設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化過程就變得完全自動(dòng)化。由于用戶不需要提供初始設(shè)計(jì)，整個(gè)周期中人為的影響被減少到問題設(shè)置和最終的設(shè)計(jì)評估。將人的偏見從設(shè)計(jì)過程中去除，可以對設(shè)計(jì)空間進(jìn)行更徹底的探索，增加找到全局最優(yōu)設(shè)計(jì)的可能性。

使用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)

圖1拓?fù)鋬?yōu)化過程的流程圖

在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)中，存在不同的技術(shù)收集和處理來自后續(xù)設(shè)計(jì)迭代的信息。一個(gè)流行的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)策略是使用拓?fù)鋬?yōu)化。對于這種技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)空間中的材料分布會產(chǎn)生一個(gè)新的設(shè)計(jì)[3,4,5]，從廣義上講，母體材料的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌牟牧希@就生成了一個(gè)新設(shè)計(jì)。

與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 (如形狀優(yōu)化) 相反，拓?fù)鋬?yōu)化不需要初始設(shè)計(jì)輸入。設(shè)計(jì)空間可以被更詳盡地探索，從而減少了設(shè)計(jì)收斂到局部最優(yōu)的風(fēng)險(xiǎn)。如圖1所示，實(shí)際的優(yōu)化過程由四個(gè)步驟組成，重復(fù)這些步驟，直到獲得一個(gè)最佳設(shè)計(jì)。

1.設(shè)計(jì)評估：

通過CFD (計(jì)算流體力學(xué))仿真來評估給定設(shè)計(jì)的流體流動(dòng)和溫度分布。仿真結(jié)果描述了流體域的速度場、壓力場和溫度場以及整個(gè)固體域的溫度場。

2. 性能評估：

在設(shè)計(jì)評估中得到的仿真結(jié)果用于優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)計(jì)性能評估。如果性能達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，則優(yōu)化過程結(jié)束，導(dǎo)出設(shè)計(jì)。否則，優(yōu)化循環(huán)將繼續(xù)。

3.敏感性分析：

這一步涉及到如何更改設(shè)計(jì)以提高性能，實(shí)現(xiàn)的方法是評估材料分布的設(shè)計(jì)性能敏感性。考慮到設(shè)計(jì)空間具有較大的自由度，采用伴隨方法計(jì)算材料分布的敏感性。在分析中，伴隨量是根據(jù)連續(xù)伴隨量建立的，該數(shù)學(xué)框架允許以一種高效的方式進(jìn)行敏感度度分析[6]。

4. 設(shè)計(jì)更新

優(yōu)化算法在現(xiàn)有設(shè)計(jì)和敏感性分析的基礎(chǔ)上提出了新的設(shè)計(jì)方案。此設(shè)計(jì)作為下一個(gè)優(yōu)化迭代的起點(diǎn)。

在實(shí)例分析中，將拓?fù)鋬?yōu)化方法應(yīng)用于冷板冷卻通道的設(shè)計(jì)。流體冷卻問題的拓?fù)鋬?yōu)化旨在找到最優(yōu)的材料分布，尋求在受工藝和制造限制的情況下將成本目標(biāo)最小化。換句話說，通過增加或減少每個(gè)單元的固體，在流體母體區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)最佳的固體設(shè)計(jì)。

對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模

一個(gè)電池組通常由一個(gè)或多個(gè)固體部件和液體冷卻劑組成，這類系統(tǒng)的仿真被稱為共扼傳熱(CHT)問題。在CHT問題中，納維-斯托克斯方程和能量方程描述流體行為，熱傳導(dǎo)方程描述固體域的傳熱，求解不同域的解決方案是共扼求解。

流體區(qū)域建模

固體區(qū)域建模

流固耦合

固體和流體之間的熱交換僅取決于相鄰壁面的各自單元之間的溫差。在壁面處，施加界面平衡條件(公式6)，要求界面上的熱流是連續(xù)的。從流體方面看，熱流只取決于有效導(dǎo)熱系數(shù)，有效導(dǎo)熱系數(shù)解釋了流體的熱導(dǎo)率和湍流擴(kuò)散率。值得注意的是固體之間的界面可以包括一個(gè)額外的接觸熱阻。

這種方法雖然計(jì)算成本很高，但數(shù)學(xué)建模更符合物理實(shí)際，為每個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的提供更真實(shí)的性能評估。一個(gè)符合實(shí)際情況的數(shù)學(xué)描述是正確優(yōu)化設(shè)計(jì)空間并最終找到最佳設(shè)計(jì)的根本。

冷板案例研究

案例研究比較了傳統(tǒng)電池冷板設(shè)計(jì)與創(chuàng)成式電池冷板設(shè)計(jì)。該冷板的尺寸為447×220×10.5 mm，如圖2所示，上部圖顯示了入口、出口和流體區(qū)域，底部圖顯示了與冷板相關(guān)的電池，表示系統(tǒng)的熱源。

圖2冷板系統(tǒng)

冷板材質(zhì)是鋁，熱導(dǎo)率k = 237WmK，該系統(tǒng)冷卻劑是用50%的水和50%的乙二醇生產(chǎn)的，進(jìn)口溫度為20 ℃，流量為3 L/min，熱源為800W。當(dāng)某些因素得到滿足時(shí)，冷卻系統(tǒng)會達(dá)到最佳性能。冷板上均勻的溫度分布對電池壽命至關(guān)重要，因此，變化溫度ΔT =5℃被認(rèn)為是冷板的最佳溫度。值得注意的，ΔT的值通常更小，為了保護(hù)專利信息才選擇了5℃，這種選擇并不影響所提出方法的有效性。另一個(gè)重要因素是液體在冷板通道的壓降，對于本案例研究，最大壓降目標(biāo)為5.5kPa。

可制造性

當(dāng)涉及到制造過程時(shí)，許多因素是決定的關(guān)鍵，如成本和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

可制造性過程被視為設(shè)計(jì)問題的約束，在建立設(shè)計(jì)區(qū)域時(shí)設(shè)置可制造的工藝約束，在本案例研究中，所選用的制造工藝為鈑金發(fā)泡。圖3顯示了一個(gè)金屬板發(fā)泡板的草圖。紅線代表底部，藍(lán)線是可變形的頂板。金屬板成型工藝需要定義以下可制造性參數(shù)，R_f 是通道寬度，bR_(o，i)是彎曲半徑，t是厚度，delta是流體區(qū)域的高度，angle是通道的倒角。這些參數(shù)取決于公司的供應(yīng)商，并在很大程度上取決于生產(chǎn)設(shè)備，選擇這種技術(shù)保證了最終產(chǎn)品的可制造性。

圖3金屬板參數(shù)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對三種傳統(tǒng)的冷板設(shè)計(jì)，即S形設(shè)計(jì)、開放式凹陷設(shè)計(jì)和精細(xì)凹陷設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真分析，評估了它們的性能。這些設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，以匹配前文提及的至少一個(gè)目標(biāo)或約束，不同的配置會導(dǎo)致不同的性能。

圖4傳統(tǒng)冷板設(shè)計(jì)

s型設(shè)計(jì)包含11個(gè)49mm的通道，如圖4a所示。第二塊板由220個(gè)開放的凹陷組成，單個(gè)尺寸為5 ×2毫米，間距為8毫米(圖4b)。將凹陷的數(shù)量增加到874個(gè)，保持相同的尺寸，并將它們之間的距離減小到5mm，定義為精細(xì)凹陷設(shè)計(jì) (圖4c)。

圖5傳統(tǒng)冷板仿真結(jié)果

（上圖是電池上的溫度，下圖是冷板內(nèi)冷卻劑的速度）

可視化仿真結(jié)果包括電池(熱源)的溫度和流體通道內(nèi)冷卻劑的溫度。s型設(shè)計(jì)(圖5a)結(jié)果表明，電池單元上的溫度分布不均勻，朝著冷板出口方向，電池單元溫度逐漸升高。此外，可以觀察到液體通過通道加熱和通道內(nèi)的高流速區(qū)域。

開放式凹陷設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果顯示，電池溫度沿著出口方向增加，這種不均勻的溫度分布導(dǎo)致電池上出現(xiàn)冷區(qū)和熱點(diǎn)，長期使用對電池有害；同時(shí)，該設(shè)計(jì)內(nèi)流道液體的流速較低。

對于第三種常規(guī)設(shè)計(jì)，電池溫度分布同樣不均勻，沿著對角線方向出現(xiàn)局部的冷區(qū)和熱點(diǎn) (圖5c)；該設(shè)計(jì)內(nèi)液體沿平板通道流速比較均勻。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)設(shè)置目標(biāo)和約束條件，以獲得一個(gè)優(yōu)化的模型。壓降和溫度約束條件分別調(diào)整為5.5kPa和ΔT =5℃，制造工藝的約束條件是鈑金發(fā)泡，此外，電池峰值溫度優(yōu)化是熱設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖6顯示了最終的創(chuàng)成式冷板設(shè)計(jì)。

圖6創(chuàng)成式冷板設(shè)計(jì)

圖7創(chuàng)成式冷板仿真結(jié)果

（上圖是電池上的溫度，下圖是冷板內(nèi)冷卻劑的速度）

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)冷板的仿真結(jié)果如圖7所示，電池上溫度分布均勻，冷區(qū)較少，同樣識別出流場中的不均勻流動(dòng)區(qū)域。

討論

電池的溫度分布是決定冷板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要變量。圖8所示的圖表顯示了電池和入口的溫差，?T□(=)T_(battery-) 〖-T〗_inlet。與其他設(shè)計(jì)相比，開放式凹陷設(shè)計(jì)冷板的溫差略高，峰值溫度為12.26℃。S型設(shè)計(jì)為10.7℃，精細(xì)凹陷設(shè)計(jì)為10.56℃創(chuàng)成式設(shè)計(jì)為10.94℃。這兩種凹陷設(shè)計(jì)也導(dǎo)致了電池上的溫度分布范圍較大。

圖8電池與進(jìn)口溫差的最大值、平均值和最小值

圖9顯示了一個(gè)頻率圖，展示了冷板上溫度分布的概況。該圖幫助我們直觀地看到之前關(guān)于兩個(gè)凹陷設(shè)計(jì)的結(jié)論，溫度范圍約為10℃。作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一（ΔT = 5°C），創(chuàng)成式設(shè)計(jì)保持仿真開始時(shí)設(shè)定的溫度變化標(biāo)準(zhǔn)。

圖9每種設(shè)計(jì)在電池上的溫度分布

s型設(shè)計(jì)滿足溫度的目標(biāo)性能要求，但是壓降為23.5kPa，是目標(biāo)壓降5.5kPa的4倍。只有開放式凹陷設(shè)計(jì)和創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的壓降在約束范圍內(nèi)。

圖10每種設(shè)計(jì)的壓降

表1總結(jié)了每種設(shè)計(jì)的結(jié)果，包含溫度的峰值、均勻性、通道內(nèi)的壓降以及該冷板是否可制造。無論是峰值溫度，溫度均勻性，還是壓降，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以根據(jù)需要優(yōu)化改進(jìn)。但是，每個(gè)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不像創(chuàng)成式設(shè)計(jì)那樣能夠同時(shí)滿足所有約束。通過對結(jié)果的概述，很明顯創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的冷板具有極限的性能。

表1冷板設(shè)計(jì)結(jié)果

補(bǔ)充例子

所有的分析和設(shè)計(jì)都是使用Diabatix專有平臺ColdStream[8]創(chuàng)建的。在圖11中，顯示了由ColdStream生成的另外兩個(gè)電池板的例子。

ColdStream是一個(gè)基于云的平臺，不限于電池冷板的設(shè)計(jì)。所有的熱分析、散熱器選擇和創(chuàng)成式設(shè)計(jì)都包括在熱工程軟件中。查看網(wǎng)站或聯(lián)系Diabatix以了解更多信息。

圖11 ColdStream生成的電池冷板設(shè)計(jì)的其他例子

結(jié)論

創(chuàng)成式熱設(shè)計(jì)過程的附加價(jià)值通過電池冷板的設(shè)計(jì)來說明。該方法自動(dòng)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的幾何形狀，設(shè)計(jì)的冷板為自由形狀，以滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束和目標(biāo)。創(chuàng)成式冷板設(shè)計(jì)與兩種傳統(tǒng)的冷板設(shè)計(jì)（一個(gè)s形和兩個(gè)凹陷設(shè)計(jì)）做性能對比，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)只能以更高的壓降或更高的溫度分布為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)與創(chuàng)成式設(shè)計(jì)相類似的功能。

翻譯

劉強(qiáng)，動(dòng)力工程及工程熱物理工學(xué)碩士，安世亞太DfAM賦能業(yè)務(wù)部流體仿真工程師，擅長三維流體仿真和流道拓?fù)鋬?yōu)化，目前從事DfAM換熱器流體仿真工作。

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Diabatix ColdStream @. VersionColdstream 2.url: https://coldstream.diabatix. com.