冷板設計
關注創建者：yxp0710 創建時間：2020-08-26
冷板設計的視頻教程
CREO flow analysis流體仿真CFD實戰課：某電器水冷流道多方案對比優化設計
根據某機柜內電器“液（水）冷板”的多個流道設計方案，以仿真的手段進行優劣對比。 本視頻主要內容如下： 一、水冷板工作環境分析，水冷板設計方案介紹；（5分鐘） 二、梳理仿真思路，對原始模型的簡化思路以及簡化操作；（5分鐘） 三、對原設計的A流道方案和B流道方案，作仿真前對比和分析。
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新能源汽車電池包熱管理及熱仿真分析案例應用解析
6、電池包流場仿真，主要講解口琴管液冷板流場均勻性分析、液冷板支路冷冷板冷卻能力匹配、風冷流場的仿真分析以及流程VOF流動狀態模擬。通過冷板流場的流動均勻性分析，匹配支路冷板的冷卻能力，設計支路冷板的流量，通過冷板的設計有效降低電池包內部溫差。
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動力電池熱管理仿真：Starccm&Amesim冷媒直冷熱仿真課程
冷板溫度 冷板兩側溫度過高，原因是我們講過的出口側氣態制冷劑過熱，無法吸收過多的熱量，造成冷板局部溫度高；也可以通過這里理解冷板作為均溫板的同時，為何換要控制冷板板面上的溫差。冷板的流道設計決定了60%-70%的板面溫差，剩余的則由系統熱負載以及工況等決定。 在考慮直冷板自身溫差之外，必須更多的關注直冷系統的原因。一旦制冷劑出現過熱狀態，則制冷劑的冷卻能力急劇下降。
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冷板設計的實例教程
圖6創成式冷板設計
圖7創成式冷板仿真結果
（上圖是電池上的溫度，下圖是冷板內冷卻劑的速度）
創成式設計冷板的仿真結果如圖7所示，電池上溫度分布均勻，冷區較少，同樣識別出流場中的不均勻流動區域。
討論
電池的溫度分布是決定冷板設計的一個重要變量。圖8所示的圖表顯示了電池和入口的溫差，?T□(=)T_(battery-) 〖-T〗_inlet。與其他設計相比，開放式凹陷設計冷板的溫差略高，峰值溫度為12.26℃。S型設計為10.7℃，精細凹陷設計為10.56℃創成式設計為10.94℃。這兩種凹陷設計也導致了電池上的溫度分布范圍較大。
圖8電池與進口溫差的最大值、平均值和最小值
圖9顯示了一個頻率圖，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于兩個凹陷設計的結論，溫度范圍約為10℃。作為設計標準之一（ΔT = 5°C），創成式設計保持仿真開始時設定的溫度變化標準。
圖9每種設計在電池上的溫度分布
s型設計滿足溫度的目標性能要求，但是壓降為23.5kPa，是目標壓降5.5kPa的4倍。只有開放式凹陷設計和創成式設計的壓降在約束范圍內。
圖10每種設計的壓降
表1總結了每種設計的結果，包含溫度的峰值、均勻性、通道內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，傳統的設計可以根據需要優化改進。但是，每個傳統設計不像創成式設計那樣能夠同時滿足所有約束。通過對結果的概述，很明顯創成式設計的冷板具有極限的性能。
展開 和之前不一樣的地方：
1）PHEV：從一頭進另一頭出，從尾部的四塊水冷版接入，然后從頭部的三塊板串行輸出
2）BEV：進出水口設置在冷板的中間，進出水管也布置在中間，這里在之前的做法里面，改進了串聯的部分，這里可能也涉及到一定的妥協
備注：目前來看，絕大部分專用的BEV平臺都是考慮把電池托盤和水冷板一體化
圖2 電池系統內的冷卻板
這里兩個電池包的寬度也可能有一定的差異，之前PHEV的冷板明顯是一整塊，而BEV的做法是兩塊結合在一起，和中間的板子結合在一起，這個TIM是一整塊。
圖3 之前的冷板的設計
兩個系統的流速是有一定的差異的，一個是1.5L/min，差異在0.5K/min；而并聯后的流速的需求在1.3L/min左右，實際的差額是大于0.5K/min，這里還是7個流道回路和12個流道回路的設計差異。
圖4 兩個冷板設計內的冷卻液流速差異
與之前的水冷板相比，由于BEV里面的水冷板需要打個圈，這里采取了口琴管式的18個流道。在這里設計改進還有水冷板的支撐結構，之前的電池系統是采用機械彈簧，這次的設計改進主要是在底座和水冷板上進行設計改進。是綜合考慮橡膠支座高溫老化特性 、導熱墊的粘彈性特性，冷卻板的截面剛度以及組成部件的高度公差來優化設計。
展開 水冷板設計的核心要點，熱阻和壓損。
如何平衡兩者，可以使用品質因數去處理。但詳細流道設計涉及流道截面尺寸的設計和選取，如何選取是比較關鍵的。不同當量直徑下努塞爾數Nu隨Re的變化，可以看出，流道在各個當量直徑下的努塞爾數Nu隨著雷諾數的增大而增大，對流換熱效果越好。在相同Re下，流道截面當量直徑越大，努塞爾數Nu越大，對流換熱效果也越好。
通過增材制造對冷板和換熱器設計進行熱流體分析的新工作流程
Part.01
增材制造的創新及其實際應用
增材制造（AM）是一種通過分層材料創建三維零件的過程，通常由數字3D模型數據指導。與傳統制造技術相比，AM具有以下優勢：
? 設計自由
? 高效的材料使用等
隨著金屬AM的進步，顯著的成本降低和精度的提高促進了實際應用。
此外，新材料和新工藝的發展刺激了制造業的創新轉型。值得注意的是，與熱管理和冷卻相關的應用正在引起人們的關注。冷卻裝置和熱交換器的新設計利用了AM提供的設計靈活性。例如，與傳統設計相比，汽車電力電子設備的冷板現在提供了三倍的表面積。相機等消費品的散熱性能提高了24%，展示了AM對熱管理和冷卻技術的革命性影響
Part.02
使用增材制造設計冷卻裝置的技術挑戰
使用AM設計用于熱管理和冷卻應用的冷板和熱交換器存在幾個技術挑戰，包括：
1)優化流量；
2)優化傳熱性能；
3)除了流體和熱性能外，還必須評估可制造性。
Part.03
CAE分析對增材制造的挑戰
在大多數計算機輔助工程（CAE）工作流程中，在CAD中創建三維形狀，然后將其導入CAE工具以生成體網格。然而，AM特定的建模工具使用隱式表示，而不是零件形狀的邊界表示（B-rep）。隱式表示使用一個字段來表示對象，該字段確定空間中的點是在對象內部還是外部。這允許非常復雜和靈活的設計，使其成為AM的理想建模方法。
然而，在CAE中使用隱式表示帶來了挑戰。許多CAE工具需要曲面網格來生成體網格。因此，在CAD中創建表面網格，例如STL文件，并將其導入CAE工具，或者CAE工具本身具有從CAD數據生成表面網格的能力。
在隱式表示的情況下，還需要創建曲面網格。
展開 液冷板，似乎并沒有什么統一的定義，我們僅就動力電池包的液冷板這個應用場景，給它下個定義，暫且這樣描述：動力電池系統中，電池工作產生多余熱量，熱量通過電池或者模組與板型鋁質器件表面接觸的方式傳遞，最終被器件內部流道中通過的冷卻液帶走。這個板型鋁質器件就是液冷板。目前新能源車市場的液冷板類型主要有以下幾種：
1.口琴管式液冷板
口琴管式液冷板具有成本低、重量輕、結構相對簡單、生產效率高等優點，但由于其流道單一、接觸面積小、管道壁薄，導致它的換熱效果一般且承重能力較差。
壓式液冷板
沖壓式液冷板具有流道可任意設計、接觸面積大、換熱效果好、生產效率高、耐壓與強度好等優點，但由于其需要開模，因此成本較高，且對平整度要求高，安裝難度大
3.吹脹式液冷板
吹脹式液冷板具有成本低、換熱效果好、生產效率高等優點，但由于其材質偏軟，因此在耐壓與強度方面存在較大的短板。
4.平行流管式液冷帶
平行流管式液冷帶具有換熱效果好、適用于圓柱形電芯的優點，但由于其結構復雜，因此成本高。
5.型材加攪拌摩擦焊
這種將型材通過攪拌摩擦焊連接成型的液冷板具有可靠性好、承重能力好、表面平整度好、換熱效果好等優點，但由于其厚度較厚且加工方式復雜，因此成本高、重量重且空間占有率高。
6為了驗證液冷板的性能與安全可靠性，需要對液冷板進行如下三個方面的測試
出貨檢測
外觀檢測；
尺寸檢測；
常溫密封性。
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冷板設計的最新內容
天冷了，新能源汽車瑟瑟發抖5個月前
初始水冷板在設計工況下的流阻是29.2kPa，最大溫差是10.19℃。優化目標是：流阻降到25kPa以下，溫差越小越好。
隨后搭建AIPOD優化流程，調用三維CAD軟件調整流道寬度、長度、間距等參數，CFD軟件計算流阻和溫差。
利用天洑自研的 SilverBullet智能優化算法，同時開啟智能突破設計邊界功能。
? 增材制造領域：支持復雜點陣結構仿真，某團隊借助其優化的Kagome點陣冷板設計，在ASME國際競賽中實現熱阻、壓降與質量的最優平衡，FoM（性能因子）較傳統結構提升11.39%，且通過仿真提前驗證了0.2mm細桿結構的可制造性。
? 通用機械領域：家電、HVAC等產品設計中，通過氣流組織與溫度分布仿真，結合帕累托前沿分析，可快速找到“性能-噪音”平衡點，縮短產品開發周期65-75%。
教學中，講師不僅會演示“操作步驟”，更會深度拆解“底層邏輯”：講解活塞仿真時，會分析“為什么選擇陶瓷涂層（導熱率低、耐高溫，可降低活塞頂部熱輸入）”“為什么要在活塞銷孔處設置倒角（減少應力集中，避免熱疲勞開裂）”；講解電池包仿真時，會解讀“為什么要設置150MPa預警閾值（對應殼體材料屈服強度的70%，預留安全余量）”“為什么液冷板流道要設計成蛇形（提升冷卻液與電芯的接觸面積，均勻散熱）”。
我曾經在一次熱設計培訓會上提出過一個下面這個問題：
如下可以通過熱仿真軟件進行探究的熱設計因素有（ ）
A不同TIM厚度、導熱系數帶來的溫度變化
B不同結構件材質導熱系數影響
C外殼形態設計
D散熱器/冷板形態設計
E熱管布局、VC選型
F風扇選型
G泵的選型
H熱源布局
I風道設計、液冷流道設計
J開孔率影響
通過增材制造對冷板和換熱器設計進行熱流體分析的新工作流程
Part.01
增材制造的創新及其實際應用
增材制造（AM）是一種通過分層材料創建三維零件的過程，通常由數字3D模型數據指導。與傳統制造技術相比，AM具有以下優勢：
? 設計自由
? 高效的材料使用等
隨著金屬AM的進步，顯著的成本降低和精度的提高促進了實際應用。
此外，
通過AVL CRUISE M搭建的電池冷媒直冷模型，可以研究系統性能匹配、制冷劑沿程干度對溫度均勻性的影響、電池充放電熱管理表現、冷板流道設計對熱管理影響和制冷劑回路控制策略等課題。
通過AVL CRUISE M搭建的電池冷媒直冷模型，可以研究系統性能匹配、制冷劑沿程干度對溫度均勻性的影響、電池充放電熱管理表現、冷板流道設計對熱管理影響和制冷劑回路控制策略等課題。
AIPOD通過優化水冷板流道設計提高電池包均溫性，延長動力電池使用壽命；通過優化充放電控制策略，解決電動車低溫續航短、充電時間長等行業難題。
■ DTEmpower 智能數據建模軟件
DTEmpower致力于幫助工程師及工科專業背景學生，利用工業領域中的仿真、試驗、測量等各類數據進行挖掘分析，建立高質量的數據模型，實現快速設計評估、實時仿真預測、系統參數預警、設備狀態監測等工程應用。
然后根據模組排布的特點，對液冷回路進行設計，初步將本系統的液冷回路設計為3S4P,如圖所示
最后，對液冷板進行設計，初步將本系統的液冷板的寬度設計為80 mm,厚度設計為5mm。管路分流和匯流的地方采用三通閥連接，硬管與軟管之間的連接采用脹接工藝，液冷板與軟管之間的連接采用SAE標準快插接頭，液冷系統與箱體的密封采用法蘭連接。
[4] 陳蘇蓉.有源相控陣雷達T/R組件的液冷板設計[J].電子技術與軟件工程,2017(10):95-96.
[5] 李健,房磊,孔俊濤,等.雙層多形狀支流道冷板的性能分析[J].機械設計與制造,2021(12):150-153.
[6] 沈彤,許兆林.某組合型冷板的結構設計與優化[J].艦船電子對抗,2019,42(2):103-105.
