水冷板設(shè)計
關(guān)注創(chuàng)建者：yxp0710 創(chuàng)建時間：2020-10-30
水冷板設(shè)計的視頻教程
CREO flow analysis流體仿真CFD實戰(zhàn)課：某電器水冷流道多方案對比優(yōu)化設(shè)計
根據(jù)某機(jī)柜內(nèi)電器“液（水）冷板”的多個流道設(shè)計方案，以仿真的手段進(jìn)行優(yōu)劣對比。 本視頻主要內(nèi)容如下： 一、水冷板工作環(huán)境分析，水冷板設(shè)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(shè)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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水冷板設(shè)計的實例教程
水冷板設(shè)計的核心要點，熱阻和壓損。
如何平衡兩者，可以使用品質(zhì)因數(shù)去處理。但詳細(xì)流道設(shè)計涉及流道截面尺寸的設(shè)計和選取，如何選取是比較關(guān)鍵的。不同當(dāng)量直徑下努塞爾數(shù)Nu隨Re的變化，可以看出，流道在各個當(dāng)量直徑下的努塞爾數(shù)Nu隨著雷諾數(shù)的增大而增大，對流換熱效果越好。在相同Re下，流道截面當(dāng)量直徑越大，努塞爾數(shù)Nu越大，對流換熱效果也越好。
01
電池冷卻與電池水冷板
隨著國家新能源汽車戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，新能源汽車行業(yè)受到了越來越多的人關(guān)注。動力電池作為新能源汽車的心臟，其安全性,壽命,續(xù)駛里程,性能也成為廣大用戶關(guān)注的焦點。為了提高電池的性能，延長電池的使用壽命，增加車輛的續(xù)駛里程，防止動力電池出現(xiàn)安全性事故，電池的工作溫度就成為關(guān)鍵因素之一。
在一眾電池冷卻方案中，液冷以其大比熱容、高換熱系數(shù)，成為超越風(fēng)冷、相變冷卻的主流冷卻方式。動力電池在工作中產(chǎn)生的熱量，通過電子部件與板型鋁質(zhì)器件表面接觸的方式傳遞，最終被器件板內(nèi)部流道中的冷卻液帶走，這個板型鋁質(zhì)器件就是水冷板。
水冷板的設(shè)計形式及其布置位置也是多種多樣的，主要根據(jù)電池的類型，電池系統(tǒng)整體的布置來確定。加之為了保證大能量電池包溫度均勻性，整個熱管理系統(tǒng)基本都采用多并聯(lián)支路設(shè)計，冷卻流道越長，溫度均勻性控制越困難，例如特斯Model X單冷卻管道長度約5.2m到model3單冷卻管道變?yōu)榧s1.9m，通過初步CFD計算，電池系統(tǒng)整體均勻性有了很大提高。
02
電池水冷板的工藝變遷
電動汽車從早期的普通油改電，到降本要求下電池PACK方案的優(yōu)化，水冷板工藝路線也在歷經(jīng)變化。
初代產(chǎn)品-擠出鋁型材水冷板
型材水冷板的用料是板厚2mm左右的6系鋁型材，無需用到懸浮設(shè)計，直接拿VDA模組往上堆，每塊放置3-4個模組，也可以把水流道集成到箱體底部，所有模組都堆到了水冷板上面，強(qiáng)度可見一斑。
展開 和之前不一樣的地方：
1）PHEV：從一頭進(jìn)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(jìn)出水口設(shè)置在冷板的中間，進(jìn)出水管也布置在中間，這里在之前的做法里面，改進(jìn)了串聯(lián)的部分，這里可能也涉及到一定的妥協(xié)
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(tǒng)內(nèi)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(jié)合在一起，和中間的板子結(jié)合在一起，這個TIM是一整塊。
圖3 之前的冷板的設(shè)計
兩個系統(tǒng)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(lián)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(shè)計差異。
圖4 兩個冷板設(shè)計內(nèi)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(shè)計改進(jìn)還有水冷板的支撐結(jié)構(gòu)，之前的電池系統(tǒng)是采用機(jī)械彈簧，這次的設(shè)計改進(jìn)主要是在底座和水冷板上進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。是綜合考慮橡膠支座高溫老化特性 、導(dǎo)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(yōu)化設(shè)計。
展開 軟件涵蓋了從建模、仿真到結(jié)果處理完整仿真分析流程，幫助工業(yè)企業(yè)建立設(shè)計、仿真和優(yōu)化相結(jié)合的一體化流程，提高企業(yè)研發(fā)效率。
一、概 要
1）案例描述
本案例為水冷板散熱，冷板內(nèi)部流道為單根水道。右側(cè)進(jìn)水，左側(cè)出水，在入口流速為0.2m/s，液體溫度為25℃條件下進(jìn)行了散熱的數(shù)值模擬，在案例最后可以看到結(jié)果溫度云圖。
2）網(wǎng)格
整體網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格單元為主的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量319萬。
圖1-1 網(wǎng)格模型
3）計算條件
求解模型：Laminar
介質(zhì)：流動工質(zhì)采用水、冷板材料采用鋁、熱源材料采用硅
邊界條件：入口流速為0.2m/s，水溫為25K；熱源1熱量為40W，熱源2熱量為60W。
二、網(wǎng) 格
1）新建工程
① 啟動AICFD 2023R2；
② 選擇 文件>新建，新建工程，選擇工程文件路徑，設(shè)置工程文件名，點擊“確定”。
圖2-1 AICFD窗口
圖2-2 新建工程
2）網(wǎng)格導(dǎo)入
單擊菜單欄網(wǎng)格>導(dǎo)入網(wǎng)格，導(dǎo)入外部生成的計算域網(wǎng)格。
圖2-3 網(wǎng)格導(dǎo)入
3）網(wǎng)格質(zhì)量檢查
單擊菜單欄 網(wǎng)格>網(wǎng)格質(zhì)量，檢查網(wǎng)格質(zhì)量。
圖2-4 網(wǎng)格質(zhì)量檢查
三、求解設(shè)置
1）求解模型
雙擊 求解>求解模型，設(shè)置模型。本案例為穩(wěn)態(tài)計算，采用不可壓縮流，采用層流模型。
展開 對于異形復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的水冷板，無法在Icepak界面中進(jìn)行創(chuàng)建完成，只能通過Ansys workbench中的SCDM或DesignModeler對外部三維軟件導(dǎo)進(jìn)來的中間格式模型進(jìn)行二次處理，使其稱為能夠被Icepal識別的幾何體，然后在進(jìn)行Icepak進(jìn)行流體和熱仿真計算。本教材以風(fēng)電變流器IGBT水冷板作為案例，進(jìn)行逐步講解。
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水冷板設(shè)計的最新內(nèi)容
初始水冷板在設(shè)計工況下的流阻是29.2kPa，最大溫差是10.19℃。優(yōu)化目標(biāo)是：流阻降到25kPa以下，溫差越小越好。
隨后搭建AIPOD優(yōu)化流程，調(diào)用三維CAD軟件調(diào)整流道寬度、長度、間距等參數(shù)，CFD軟件計算流阻和溫差。
利用天洑自研的 SilverBullet智能優(yōu)化算法，同時開啟智能突破設(shè)計邊界功能。
在壓鑄生產(chǎn)中，每一個缺陷都是產(chǎn)品發(fā)出的“求救信號”。如何快速、準(zhǔn)確地解讀這些信號，找出問題的根源并有效解決，是提升產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。
為此，適創(chuàng)科技推出「模流門診」系列內(nèi)容，以行業(yè)真實案例為大家講解、剖析模流分析背后的“病變信號”，更好地幫助大家使用CAE云端軟件打造優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。
今天的分享以重慶網(wǎng)友投稿的水冷板為例，本案例在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了兩個主要缺陷
通過增材制造對冷板和換熱器設(shè)計進(jìn)行熱流體分析的新工作流程
Part.01
增材制造的創(chuàng)新及其實際應(yīng)用
增材制造（AM）是一種通過分層材料創(chuàng)建三維零件的過程，通常由數(shù)字3D模型數(shù)據(jù)指導(dǎo)。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，AM具有以下優(yōu)勢：
? 設(shè)計自由
? 高效的材料使用等
隨著金屬AM的進(jìn)步，顯著的成本降低和精度的提高促進(jìn)了實際應(yīng)用。
此外，
AIPOD通過優(yōu)化水冷板流道設(shè)計提高電池包均溫性，延長動力電池使用壽命；通過優(yōu)化充放電控制策略，解決電動車低溫續(xù)航短、充電時間長等行業(yè)難題。
■ DTEmpower 智能數(shù)據(jù)建模軟件
DTEmpower致力于幫助工程師及工科專業(yè)背景學(xué)生，利用工業(yè)領(lǐng)域中的仿真、試驗、測量等各類數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，建立高質(zhì)量的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)快速設(shè)計評估、實時仿真預(yù)測、系統(tǒng)參數(shù)預(yù)警、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等工程應(yīng)用。
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對于異形復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的水冷板，無法在Icepak界面中進(jìn)行創(chuàng)建完成，只能通過Ansys workbench中的SCDM或DesignModeler對外部三維軟件導(dǎo)進(jìn)來的中間格式模型進(jìn)行二次處理，使其稱為能夠被Icepal識別的幾何體，然后在進(jìn)行Icepak進(jìn)行流體和熱仿真計算。本教材以風(fēng)電變流器IGBT水冷板作為案例，進(jìn)行逐步講解。
AICFD是由天洑軟件自主研發(fā)的通用智能熱流體仿真軟件，用于高效解決能源動力、船舶海洋、電子設(shè)備和車輛運(yùn)載等領(lǐng)域復(fù)雜的流動和傳熱問題。軟件涵蓋了從建模、仿真到結(jié)果處理完整仿真分析流程，幫助工業(yè)企業(yè)建立設(shè)計、仿真和優(yōu)化相結(jié)合的一體化流程，提高企業(yè)研發(fā)效率。
一、概 要
1）案例描述
本案例為水冷板散熱，冷板內(nèi)部流道為單根水道。右側(cè)進(jìn)水，左側(cè)出水，在入口流速為0.2m/s，液體溫度為
水冷板的設(shè)計形式及其布置位置也是多種多樣的，主要根據(jù)電池的類型，電池系統(tǒng)整體的布置來確定。加之為了保證大能量電池包溫度均勻性，整個熱管理系統(tǒng)基本都采用多并聯(lián)支路設(shè)計，冷卻流道越長，溫度均勻性控制越困難，例如特斯Model X單冷卻管道長度約5.2m到model3單冷卻管道變?yōu)榧s1.9m，通過初步CFD計算，電池系統(tǒng)整體均勻性有了很大提高。
