電池水冷板的案例
科普 \\ 電池水冷板加工工藝 - 焊接
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，新能源汽車行業(yè)受到了越來越多的人關注。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，防止動力電池出現安全性事故，電池的工作溫度就成為關鍵因素之一。
在一眾電池冷卻方案中，液冷以其大比熱容、高換熱系數，成為超越風冷、相變冷卻的主流冷卻方式。動力電池在工作中產生的熱量，通過電子部件與板型鋁質器件表面接觸的方式傳遞，最終被器件板內部流道中的冷卻液帶走，這個板型鋁質器件就是水冷板。
水冷板的設計形式及其布置位置也是多種多樣的，主要根據電池的類型，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)基本都采用多并聯支路設計，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變化。
初代產品-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，強度可見一斑。
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展開 本田的電池模組和冷板設計
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(tǒng)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(yōu)化設計。這里的Thermal Pad每個模組分了四條黃色的帶，可能等到拆解才能看得清楚，如果這樣可能采用了涂導熱膠的工藝節(jié)約整體的用Thermal Pad的量。
圖5 模組和導熱墊的設計結構
來源汽車電子公眾號
本人對新能源汽車有免費資料分析公眾號：新能源汽車熱管理仿真技術，關注回復“1”，可領取更多熱管理方面資料。
同時本人也在技術鄰平臺更新新能源動力電池熱管理仿真和設計課程如下
1、 基于starccm+在動力電池熱管理仿真技術應用、
2、新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講
3、新能源動力電池熱管理設計入門到進階23講
展開 【STAR-CCM+電池冷卻】基于直流道液冷板的動力電池冷卻性能仿真
4 結 論
本文提出了一種非等長直流道的液冷板結構，該液冷板結構具有足夠的散熱能力，在電池組最高溫度和溫度一致性控制以及系統(tǒng)能耗方面，較等長直流道液冷板結構對比有明顯優(yōu)勢。數值模擬研究得出的結論如下：
1） 冷卻液質量流量增加，液冷板散熱量能力增加及冷卻液溫度分布均勻性更好，電池組的散熱效果得到改善。非等長直流道液冷板的冷卻液分布更均勻，回流通道內冷卻液流動進行有效散熱，避免了液冷板回流最內側溫度過高，液冷板和電池組溫度分布均勻性更好。冷卻液質量流量從0.25 kg/s 增加到0.45 kg/s 時，模型2 比模型1 相比，流動阻力最大下降幅度為12.5 kPa。
2） 模型2 液冷板的散熱性能比模型1 液冷板的散熱能力有所加強，冷卻液質量流量增加，模型2 的電池組最高溫度與模型1 相比，最大下降幅度為0.27 ℃，模型2 的電池組最大溫差與模型1 相比，最大下降幅度為0.26 ℃。但由于電池組產熱率較大并且在電池模組高度方向上熱傳導路程太長，電池模組上部仍存在散熱不佳的問題，需要進一步優(yōu)化電池組結構或增加強化傳熱部件等措施。
免責聲明：文章來源蔡森林,魏名山,宋盼盼,魏洪革.基于直流道液冷板的動力電池冷卻性能仿真[J].汽車安全與節(jié)能學報,2021,12(03):380-385.，基于分享目的轉載，尊重原創(chuàng)，版權歸原作者所有，如有侵權，請聯系我們予以刪除，資料僅供私下交流學習
展開 
基于Icepak對異形復雜水冷板的仿真詳細過程 ￥50
對于異形復雜流道結構的水冷板，無法在Icepak界面中進行創(chuàng)建完成，只能通過Ansys workbench中的SCDM或DesignModeler對外部三維軟件導進來的中間格式模型進行二次處理，使其稱為能夠被Icepal識別的幾何體，然后在進行Icepak進行流體和熱仿真計算。本教材以風電變流器IGBT水冷板作為案例，進行逐步講解。
DfAM | 電池冷板的創(chuàng)成式設計
在實例分析中，將拓撲優(yōu)化方法應用于冷板冷卻通道的設計。流體冷卻問題的拓撲優(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最小化。換句話說，通過增加或減少每個單元的固體，在流體母體區(qū)域內產生一個最佳的固體設計。
對冷卻系統(tǒng)進行建模
一個電池組通常由一個或多個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熱系數，有效導熱系數解釋了流體的熱導率和湍流擴散率。值得注意的是固體之間的界面可以包括一個額外的接觸熱阻。
這種方法雖然計算成本很高，但數學建模更符合物理實際，為每個優(yōu)化設計的提供更真實的性能評估。一個符合實際情況的數學描述是正確優(yōu)化設計空間并最終找到最佳設計的根本。
冷板案例研究
案例研究比較了傳統(tǒng)電池冷板設計與創(chuàng)成式電池冷板設計。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的電池，表示系統(tǒng)的熱源。
圖2冷板系統(tǒng)
冷板材質是鋁，熱導率k = 237WmK，該系統(tǒng)冷卻劑是用50%的水和50%的乙二醇生產的，進口溫度為20 ℃，流量為3 L/min，熱源為800W。當某些因素得到滿足時，冷卻系統(tǒng)會達到最佳性能。
展開 【技術貼】AVL CRUISE M整車能量管理應用流程
第二步：動力總成熱管理系統(tǒng)建模
動力總成熱管理系統(tǒng)主要包括以下四部分：
1）發(fā)動機熱管理系統(tǒng)，AVL CRUIS M支持搭建發(fā)動機冷卻潤滑回路，模擬流經發(fā)動機水套的高溫冷卻液通過散熱器與環(huán)境實現熱量交換，低溫下實現快速暖機，冬天實現對客艙進行加熱；
2）變速箱熱管理系統(tǒng)：搭建包括油泵，潤滑油路等，模擬潤滑油對變速器進行冷卻；
3）電池熱管理系統(tǒng)：搭建電池水冷板和冷卻液回路，模擬高溫下chiller與制冷劑回路換熱，通過冷板對電池進行溫度控制；低溫下，通過熱泵或者PTC對冷卻液進行加熱，從而通過冷板對電池進行加熱，使其工作在較為合適的溫度范圍內；
4）電機熱管理系統(tǒng)：建立包括油泵的油冷回路，或者冷卻液回路，通過換熱器與外部環(huán)境或者其他回路進行換熱，從而控制電機的工作溫度。
純電動車的熱管理對續(xù)航影響更為明顯，上圖為電池熱管理系統(tǒng)，主要包括兩部分，右側為電池的水冷板建模，左側為電池的冷卻回路建模。可以基于需求，搭建不同詳細程度的模型，電芯級、模組級以及整包級，來模擬電池內部的熱管理回路，從而實現電池溫度監(jiān)測和控制。
AVL CRUISE M支持從三維CFD模型轉為1D詳細的熱網絡模型，不僅能夠提高一維熱管理模型建模效率，而且能夠提高模型精度。
對于電機熱網絡模型，同樣支持3D轉1D的熱管理模型建模。也支持基于AVL CRUISE M中模塊搭建相應的模型。
以水冷電機為例，水冷電機熱管地路徑為：軸-軸承-轉子-定子-殼體-冷卻水套，將每個發(fā)熱環(huán)節(jié)、傳熱路徑離散出來，以傳熱質量塊的形式，模擬分析各個熱源之間熱傳遞路線。然后，搭建冷卻回路模型，與各個熱質量塊進行換熱。
展開 【AICFD案例操作】水冷板散熱分析
一、概 要
1）案例描述
本案例為水冷板散熱，冷板內部流道為單根水道。右側進水，左側出水，在入口流速為0.2m/s，液體溫度為25℃條件下進行了散熱的數值模擬，在案例最后可以看到結果溫度云圖。
2）網格
整體網格為四面體網格單元為主的非結構網格，網格數量319萬。
圖1-1 網格模型
3）計算條件
求解模型：Laminar
介質：流動工質采用水、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 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）網格導入
單擊菜單欄網格>導入網格，導入外部生成的計算域網格。
圖2-3 網格導入
3）網格質量檢查
單擊菜單欄 網格>網格質量，檢查網格質量。
圖2-4 網格質量檢查
三、求解設置
1）求解模型
雙擊 求解>求解模型，設置模型。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 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。
電池液冷板專業(yè)制造
15065486886
水冷板四種常用流道的性能比較
常用水冷板的流道有：平板型、平直翅片型、擾流柱型和折流型四種，如何在實際設計中合理選擇流道，最關心的兩個問題是熱阻和流阻兩個指標，本文就以上四種流道給出了同一流道下的流阻和熱阻特性的差異。理想是設計一種流阻小、熱阻小的流道。但實際應用中，流道可能是幾種流道的綜合應用，需要根據實際情況綜合評估，多種流道的綜合比較，可以引入綜合評價因子對比得到。
模流門診 | 水冷板漏氣飛邊1分鐘精準定位
今天的分享以重慶網友投稿的水冷板為例，本案例在生產過程中出現了兩個主要缺陷。
缺陷一：飛邊
飛邊又稱溢邊、披鋒等，是鑄件常見缺陷之一，表現為產品邊緣位置的較多飛皮，將顯著增加后續(xù)打磨工序的人工成本，可能還會導致產品尺寸超差。
根據提供的數據，實際生產400噸的壓機，鑄件投影面積為981.10平方厘米，按照1.1倍的安全系數計算，最大允許鑄造壓力為37 MPa。適創(chuàng)科技資深工程師梅工分析指出，產生飛邊的根本原因在于鎖模力不足。此外，現場生產中的其他因素（如模具配平不良導致的支撐強度不足）也是誘因。常規(guī)的模流分析難以有效定位此問題。
隨后，梅工通過智鑄超云平臺進行精準分析模擬，輸入包含滑塊等校正后的有效投影面積總和、設定鑄造壓力（60MPa）以及安全系數（1.2倍）等關鍵參數。平臺自動計算得出所需鎖模力為694噸，遠高于用戶實際生產中使用的400噸壓機。梅工強調，對于飛邊問題，最根本的解決方案是更換鎖模力足夠的壓機，同時必須嚴格校核壓鑄機的鎖模噸位是否滿足要求。
缺陷二：泄漏
從投稿案例中可以清楚的看到，加壓后，產品左下角在水中一直有冒泡，存在泄漏問題。
梅工判定，泄漏由典型的內部孔洞缺陷導致。此類孔洞的性質（氣孔或縮孔）無法僅憑泄漏測試或X光掃描準確區(qū)分。
Tips：
氣孔：表面光滑規(guī)則，位置分布隨機縮孔：表面粗糙不規(guī)則，位置相對固定（如熱節(jié)區(qū)域）
為進一步精確診斷，梅工利用智鑄超云平臺進行了云計算分析。平臺計算了風險孔洞的體積大小及其距加工面的距離，直觀評估了其對鑄件性能（此處指密封性）的影響。
展開 某水冷板熱流仿真計算步驟講解
第一步：打開ANSYS Icepak熱模型
單獨啟動ANSYS Icepak，點擊Existing選項，從工作目錄中找到CAD修復導出的水冷板熱模型，點擊相應的文件名，點擊open，即可在打開模型。
圖1 打開水冷板熱模型
第二步：雙擊Cabinet，打開其編輯窗口，如下圖所示，修改yE的尺寸，將頂部Y面擴大10mm（用于避免進出口與Cabinet邊界相貼所造成的劣質網格）
圖2 修改計算區(qū)域
第三步：創(chuàng)建Hollow block：建立Hollow block，可以將模型中不需要參與熱流計算的空間消除
1、點擊快捷工具欄中的block ，在視圖中心會出現相應的block體。
圖3 創(chuàng)建Hollow block
2、使用面匹配功能 ，將block的尺寸調整成與計算區(qū)域cabinet同樣大小。
圖4 對Hollow block進行尺寸匹配
3、設置block屬性
雙擊上一步建立的block模型，出現其屬性面板，在Info面板下修改其優(yōu)先級為0，在Properties面板下選擇Block type為Hollow，點擊下方的Done。
圖5 修改Hollow block屬性面板
第四步： 其他各模型的屬性設置
1、水體模型的參數設置
選擇模型樹下的水體模型（3個模型），點擊編輯按鈕，打開多體編輯面板，其屬性Properties面板下設置Block Type為Fluid，Fluid material中選擇Water，點擊下方的Done。
展開 某水冷板熱流仿真—CAD模型修復導入教程
液體冷卻的常用冷卻工質為水（不同百分比乙二醇混合），其來源廣泛、環(huán)境友好、價格低廉。
水冷板散熱器廣泛應用于各類工業(yè)品的散熱冷卻，比如電動汽車電池包、光伏逆變器、電動汽車控制器、醫(yī)療器械、IT服務器、變流器、軍用各類電子控制機箱等等。相對于傳統(tǒng)的強迫風冷散熱，水冷能有效提高系統(tǒng)的散熱效果，增大散熱功率，且較容易實現高防護等級。
圖1 水冷板散熱應用案例
本文以電力行業(yè)晶閘管常用的水冷板模型為例，詳細講解了如何對此水冷板CAD模型進行前處理修復、將模型導入熱仿真軟件ANSYS Icepak的流程，具有一定的普適性。
本文所使用的軟件為ANSYS SCDM19.0。
圖2 某晶閘管水冷板散熱器CAD模型
水冷板CAD模型修復、導入熱仿真軟件的具體操作說明如下：
一、常用的主要操作命令
1）設計界面下
圖3 常用修復命令
主要是使用選擇、拉動、移動、填充、分割主體、組合等命令對CAD模型做修復。
2）準備界面下
圖4 體積抽取命令
主要是使用體積抽取的命令，來抽取水冷板管道內的流體體積。
3）workbench界面下
圖5 模型轉化命令
主要是使用Workbench下的識別對象、仿真簡化等命令，將修復好的CAD模型轉換為ANSYS Icepak認可的模型，從而建立ANSYS Icepak熱流仿真模型。
展開 電池包涉水沖擊工況密封結構仿真評估（近期推出視頻課程） ￥8.88
電池包作為新能源汽車的核心部件，在車輛行駛過程中會頻繁經歷涉水沖擊場景，因此發(fā)生水流侵入電池包內部，造成絕緣故障帶來安全隱患的風險較大。主要有兩種失效形式：1、塑料件電池包密封蓋受水沖擊發(fā)生變形甚至破裂失效；2、電池包密封結構受水沖擊滲水失效。對于上述的失效形式一，基于LSDYNA ALE算法開發(fā)了一種電池包涉水沖擊雙向流固耦合仿真方法，可用于評估電池包涉水沖擊場景中水的流動狀態(tài)及密封蓋應力狀態(tài)；對于上述的失效形式二，引入LSDYNA與STAR CCM+聯合仿真，開發(fā)了正向判定電池包密封結構滲水失效的方法。
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