冷板設計的案例
DfAM | 電池冷板的創成式設計
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 本田的電池模組和冷板設計
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 水冷板設計要點漫談
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。
設計仿真 | 革命性的增材制造用于冷板設計：一種新的CFD工作流程
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 
新能源pack系統散熱解決方案-液冷板選型和設計
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。
展開 基于Star-CCM+動力電池液冷系統熱管理仿真完整攻略
對于這種類型的液冷板，常見的安裝方式有兩種：第一種是夾持安裝，包括雙模組夾持和雙電芯夾持兩種安裝方式；第二種是彈性支撐結構。?
雙模組夾持安裝的液冷板，這種安裝方式是將兩個模組相對平放，然后將液冷板夾持在兩個模組的底面之間；雙電芯夾持安裝結構, 這種安裝方式是將液冷板夾持在兩個電芯(方形電芯和軟包電芯)的大面之間。總體來說，夾持安裝方式使液冷板的兩個表面均得以利用從而提高了液冷板的利 用效率，并且沒有增加額外的支撐結構件，在某些情況下是一種較為可取的安裝 方式。
8、仿真分析
液冷系統設計過程中主要參數，都可以預先通過工具進行仿真分析和優化設計，然后再通過測試進行驗證，從而節省成本和周期。在確定液冷系統的設計目標之后，通過CFD工具預先驗證液冷系統的傳熱路徑設計、液冷回路設計、液冷板設計、冷卻液入口溫度設定、冷卻液流量設定以及液冷策略設計等參數是否合理。
以某乘用車液冷系統的設計為例，對液冷系統的設計流程進行簡單的 介紹。 圖為某電池系統的結構圖，電池系統由3行12列并排的36個模組 組成，每個模組由12個方形電芯組成。電池系統在夏天使用時環境溫度為40°C, 運行工況為1C滿放，液冷系統所使用的冷卻液為乙二醇溶液（50%,體積分數）, 冷卻液流量為15L/min,冷卻液入口溫度為22 °C 。
液冷系統的設計目標為：在運行指定工況時，電池系統內部電芯的最大溫升小于等于10°C；電芯之間的最大溫差小于等于5°C；液冷系統的壓降小于等于30 kPa。在設計之初，根據 產熱分析計算出1C滿放工況下電池系統的產熱功率。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。
展開 高熱密度板卡模塊高效散熱設計研究
根據以上的元器件布局思路，對主控板器件布局方案進行如下設計，如圖2所示。
3.6 導熱路徑設計
由于板卡模塊上的功率器件均通過散熱冷板進行散熱，因此高效的導熱路徑設計對功率器件散熱及板卡模塊整體散熱將起到關鍵作用，采用以下方案：
1）優先選用導熱系數較高的導熱塊和導熱墊；
2）將主控板上的大功耗器件（>2 W）的熱量傳導至模塊散熱冷板上；
3）對于FPGA、PowerPC等高功耗重要器件，使用超高導熱效率材料（如熱管），將芯片熱量傳導至散熱冷板的冷端[6]。
根據以上設計思路，對主控板主要功率器件導熱路徑進行如下設計，將主要功率器件與導熱塊貼合，再通過熱管將功率器件熱量快速傳導至散熱冷板的冷端，實現均衡熱量分布并高效散熱的設計目的，如圖3所示。
3.7 散熱冷板設計
正面散熱冷板、背面散熱冷板做為板卡模塊主要散熱組件，板卡模塊上的主要功率器件將熱量傳導至散熱冷板，通過流經冷板的冷風流帶走熱量進行散熱為主，同時通過輻射散熱為輔。
圖2 主控板功率器件布局示意圖
圖3 模塊導熱設計示意圖
圖4 典型功耗下板卡模塊整體熱仿真云圖
為科學計算散熱冷板所需提供的散熱翅片面積，可利用功耗計算公式（1）進行計算推導。
式中：
P—散熱冷板對應功率芯片總發熱功耗；
h—散熱冷板表面對流換熱系數；
A—散熱冷板對應總發熱功耗P所必需的散熱翅片面積；
Ths—散熱冷板溫度；
Ta—流經散熱冷板的冷空氣溫度[7]。
上述公式（1）中，P可根據功率芯片布局和表1得出；散熱冷板與冷空氣之間的溫差ΔT（即Ths-Ta），根據實際工程應用經驗，通常為（15～25）℃，可取典型值20℃；對流換熱系數h，根據強迫風冷的經驗值估算，可設定為40 W/（m2·K）。
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展開 某有源相控陣天線冷板散熱仿真分析
來源：科學與技術 作者：蔣瑞 高天一
關鍵字：相控陣雷達 天線冷板 散熱仿真
本文根據某機載相控陣雷達天線艙內的空間布局，對天線冷板進行了結構設計，并運用有限元體積法的Icepak軟件對三維模型進行散熱效能仿真，對仿真結果進行分析，驗證了冷板的結構設計滿足了相控陣雷達天線陣面發熱插件通風散熱要求。
1 某機載雷達相控陣的構成
機載相控陣雷達主要由T/R組件、波控網絡、天線振子、電源、天線陣面、饋電網絡等部分組成。其中T/R組件是整個天線的核心以及發熱集中區域，因此如何將T/R組件工作時產生的熱量散發至外部環境成為熱設計的關鍵與難點。
2 天線陣面熱仿真
2.1 天線陣面模型建立及簡化
對于本模型，在進行散熱分析時，主要關注的是T/R組件基板上高功率芯片的發熱量以及冷板散熱能力，其他細小零件對整體模塊的散熱的影響不大進行了省略處理；對冷卻流體工質聯接導管、冷卻工質進出口、T/R組件等直接或間接影響散熱能力的部件進行模型簡化分析。
根據天線陣面冷卻系統技術參數：環境溫度：50℃；流體介質：65#防凍液；流體溫度：35℃，可以得到天線陣面熱邊界參數如表1：
表1 天線陣面熱設計邊界條件
表中T/R組件進出口溫差為串聯支路的溫差，其余皆為單個。
根據天線艙內的空間布局，以及上表中的熱邊界條件，對冷板進行了結構設計并建立ICEPAK模型如圖1所示。
圖1 雷達陣面熱仿真模型布置圖
2.2 熱仿真結果分析
對模型進行三維散熱效能仿真建模，其仿真條件：介質為65#防凍液，介質溫度=35℃，環境溫度=55℃，總功耗為15KW，系統總流量為2.048m3/h。
展開 基于正交試驗的液冷板散熱性能的研究
摘 要：根據電子設備工作時局部熱耗過大的狀況，設計了小通道液冷冷板。利用ICEPAK仿真軟件，分別對小通道冷板和普通S型流道冷板進行散熱性能研究，研究發現小通道冷板的散熱效果明顯優于普通S型流道冷板。對小通道結構參數（肋片間距、厚度）及進口處流量進行單因素分析，研究其對冷板散熱性能的影響。通過正交試驗的極差分析，各因素的影響順序為：進口流量>肋片厚度>肋片間距。該分析結果為高功耗電子設備的散熱設計提供理論參考。
關鍵詞：ICEPAK;肋片;散熱性能;正交試驗;高功耗;
0 引言
現階段，隨著電子技術的迅猛發展，電子設備廣泛應用在軍工、航空及船舶等眾多領域。新一代軍用設備的設計更趨于大功耗、小型化、輕量化。由于軍用設備復雜的工作環境，要求這些電子產品具備大容量的數據處理功能及較高的數據處理效率[1]。相應地，電子產品單位面積上產生的熱量會急劇增大，導致其長期處于一種惡劣的高溫環境中。因此，散熱結構的設計是確保設備持續可靠工作的必要環節。液冷板因其良好的換熱能力成為軍工生產領域較常用的散熱方法。
近年來，提升液冷板散熱性能的研究方案受到了眾多學者的關注。文獻[2]通過數值模擬，探究3種并串聯結構的流道布局對冷板冷卻性能和壓降損失的影響；文獻[3]對比常規蛇形流道與微流道冷板結構的換熱能力，發現微流道冷板的流阻相對較大，但其散熱效果優于常規蛇形流道幾倍；文獻[4]通過對設計的液冷板流道進行理論校核和仿真模擬，從而驗證流道設計的合理性；文獻[5]控制流道截面積不變，提出了矩形、圓形及雙層流道這3種冷板結構，并對其進行仿真計算和試驗分析。本文根據電子元器件的排布及功率大小，設計出一種帶肋片小通道的冷板流道形狀。利用仿真軟件分析小通道肋片尺寸參數對冷板散熱性能的影響，并通過正交試驗求解出最優肋片尺寸。
展開 
前端仿真驅動創新：西門子FLOEFD的行業價值與應用指南
? 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%。
三、應用中的核心痛點與優化指南
盡管FLOEFD降低了CFD應用門檻，但實際使用中仍需規避誤區，最大化仿真價值：
1. 常見技術痛點
? 接觸電阻仿真偏差：母排連接、觸頭部位因網格分辨率不足或建模方式不當，導致焦耳熱集中現象未被準確捕捉。
? 幾何識別失效：CAD模型中的微小間隙、裝飾性特征未合理處理，影響流體域識別準確性。
? 多場耦合精度不足：電-熱雙向耦合迭代不充分，導致芯片溫升預測與實測偏差超過10%。
2. 專業優化建議
? 網格控制策略：關鍵區域（如芯片接觸面、流道拐角）采用0.05mm級局部加密，非關鍵區域網格尺寸放寬至0.5mm，平衡精度與效率。
? 接觸電阻建模：顯式構建接觸區域幾何，采用雙極接觸電阻賦值，避免依賴表面熱阻定義，必要時通過實驗數據校準焦耳熱源分布。
? 多工具協同：部件級細節仿真用FLOEFD，系統級動態響應分析結合Flowmaster，共享散熱率、壓降等核心參數，提升復雜系統設計可靠性。
? 仿真驗證流程：通過紅外熱成像（空間分辨率0.1mm）與PIV流場測試對標，確保仿真與實測數據相關性R2≥0.91。
展開 一條通往合格動力電池熱管理仿真和設計工程師之路
二、 電池熱管理工程師的工作內容
1、協同進行電芯或模組的選型、熱管理性能評估及設計目標確認
評估電芯模組的高低溫性能_容量衰減、能量衰減、循環壽命、發熱特性等；
明確電池熱管理系統的設計目標_最高溫度、最低溫度、電芯溫差、電池保溫性能、升溫速率等；
2、電池熱管理系統設計一水冷電池包為例
電池冷板設計一流道設計、流程設計、內部結構設計等；
保溫(外部保溫)，導熱(導熱墊)和其他散熱結構設計；
3、電池熱管理系統控制策略設計溫度計算、熱行為識別算法
電池冷板水溫流量需求、充放電倍率邊界等；
4、試驗策劃實施—電芯臺架試驗、整包臺架試驗、整車標定試驗
三、 電池熱管理工程師需要掌握的技能
技能工具的使用：
3D建模工具— catia，UG， Solidworks
CFD仿真工具—star-ccm 、 fluent、ansa、 hypermesh
1D仿真工具— Flowmaster、KULI、GT- SUITE
報文采集及曲線分析 c****yzer， contest
開發標定工具—C語言， Matlab，INCA等
四、 電池熱管理工程師的職業發展前景
1、普通工程師
工作1~3年，參與1~2款電池包熱管設計；
熟練掌握相關設計工具、仿真軟件和試驗方法；熟悉電池性能和成組要求；
2、資深工程師
工作3~5年，主持5款以上電池包熱管設計
能獨立負責供應商管理交流、
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1、結構仿真工程師 2人
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2. 繪制2D、GT&T、3D數據，圖紙審核；
3. 負責機械結構件的試制與改進；
4、負責力學仿真模塊，根據實際問題建立有限元模型；
5、根據仿真結果或者對實驗破壞的零部件進行原因分析，進行設計改進；
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2、熱設計與仿真工程師 2人
崗位職責：
1. 負責產品總體熱設計架構和布局；
2. 負責產品的熱設計方案、仿真報告，完成熱設計方案的優化設計；
3. 負責產品熱設計方案的相關驗證實驗；
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3.
展開 電動汽車快速充電循環下鋰離子軟包電池的優化冷卻和熱分析
目前，大多數關于電池冷卻設計和優化的研究工作都集中在圓柱形和棱柱形電池上。最近，袋形電池因其比圓柱形電池更高的能量密度而受到關注。目前，已經提出了各種用于冷卻鋰離子電池的熱管理系統：空氣冷卻、間接液體冷卻、直接液體或浸沒冷卻、使用相變材料、熱管以及涉及兩種或多種這些方法組合的混合方法進行被動冷卻。然而，就電動汽車的商業應用而言，只有風冷和液冷已大規模實施，其他還處于研究階段。由于其高熱容量，液體冷卻仍然是迄今為止最有效和研究最多的系統；因此，當前的研究趨勢是尋找改進液冷板設計的方法，以實現更好、更具成本效益的熱控制。
02
成果掠影
近期，路易斯維爾大學機械工程系Sam Park教授團隊提出了一種電動汽車快速充電循環下鋰離子軟包電池的優化冷卻和熱分析方法。本研究使用多域建模方法對采用 1P4S 配置（1 個并聯和 4 個串聯電池）的商用 65 Ah 軟包電池進行熱分析。該研究旨在分析四種不同冷卻配置的熱行為，即具有環境冷卻的單電池、具有環境冷卻的 1P4S、僅具有底部液體冷卻的 1P4S 和具有兩側液體冷卻的 1P4S。Newman、Tiedemann、Gu 和 Kim (NTGK) 模型用于小尺度電化學建模，而計算流體動力學(CFD) 用于分析電動汽車常用的不同快速充電速率期間的熱行為。
研究結果表明，使用兩個流動方向相反的冷卻板而不是單側冷卻可將最大溫差從 10°C 降低 50% 至 5°C，并將充電期間的最高溫度降低 7°C，為 1.98°C。這表明使用兩側液冷可以顯著改善電池的熱性能，這對于快速充電和整體電池性能至關重要。這項研究對行業的意義重大，因為它提供了有關如何改進電動汽車電池組的設計和熱管理的見解。
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