一种超高效均温板设计方法

1.本发明属于传热领域，具体涉及一种超高效均温板设计方法。


背景技术：

2.均温板作为一种新型的两相流散热技术，具有导热性高、均温性好、热流方向可逆等优点，克服了传统热管接触面积小、热阻大、热流密度不均匀等问题，已经成为解决未来电子工业中高热流密度电子器件散热有效途径之一。近年来，电子元件越来越呈现出微型化和高功耗的发展趋势，如何解决电子元件因高发热量而导致性能下降的问题引起了人们的广泛关注。为了更好的解决发热源本体的温度不一致问题，均温板得到了比较广泛的应用，均温板设计是可在电子电路、芯片、储能系统等领域广泛应用的通用技术，通常实现的作用是保证设备表面的温度均匀性，使其不出现较高的温度过热点以及保证器件不因温度不均导致老化速度加快的问题。
3.目前，均温板已经应用在一些高性能商用和军用电子器件上，随着加工技术的发展，均温板朝着越来越薄的方向发展。现有均温技术多是基于散热技术，常常在保证较好散热效果的基础上实现均温，并且不考虑时间尺度的影响。传统散热结构一般通过设计人员的工程实践经验和传热学基本知识完成，但是这种方法只能实现一般的可参数化的结构设计，并且无法适用于复杂边界条件的传热结构设计，因此工程上发展了密度法、均匀化方法、水平集法、相场法等，通过算法结合有限元仿真的方式来优化拓扑结构设计，最终可实现多种目标优化，这一方式具备高度设计前瞻性，对于传热拓扑优化具有较好指导意义。电子设备的高性能、高可靠、高精度以及小体积、轻量化的发展要求使其集成度、功率以及热流密度越来越高，有效解决散热问题是保证其性能的前提。目前，常用的散热方式有自然散热、风冷散热、液冷散热、热管散热等，但是这些算法目前尚未在均温板设计领域出现。因此本发明即为了解决这一问题。
4.锂离子电池(libs)作为最新兴的技术之一应运而生，在便携式电子设备、电动汽车和储能系统等领域发挥着重要作用。由于快速充放电、长运行时间等应用场景的需求，锂离子电池libs不断向更大体积、更大容量、更高能量密度和功率密度方向发展，这导致了一个新的但未被充分认识的高温差问题。均温板作为高效的传热设备，被广泛地应用在高功率led发光二极管、废热回收、太阳能集热器、电池热管理等，由于均温板满足轻量化、高性能、高可靠性的要求，且能在零重力环境中运行，未来有望广泛应用到空间电子设备的冷却中。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决如何利用现有算法设计均温板时收敛速度较慢的问题，提出一种超高效均温板设计方法。在一些特定的发热源当中，发出大量的热量会对于某些器件带来十分不好的效果，甚至会造成器件的损坏，或是在某些热量的实验中极大的影响实验结果，例如，在电池进行高倍率放电过程当中，导致电池的整体表现出温度不均的现
象，进而导致不同位置发出的热量也不尽相同。该设计策略的提出，可以有效的对于发热源进行均温处理，可以更好地实现器件的保护，或是提高电池在一些工况下的放电性能，对于电池性能的提升产生了极大的促进作用。
6.本发明的采用的技术方案如下：
7.一种超高效均温板设计方法，具体包括如下步骤：
8.(1)初始化参数的处理：对参数进行初始化，并建立电池的物理模型；所述物理模型作为有限元仿真的输入；所述参数包括电池的材料和放电特性；所述物理模型作为有限元仿真的输入条件；
9.(2)加载温度数据以及设置热源，反映电池表面温度分布：在电池表面设置两个温度探头，分别用于测试最高温度和最低温度，计算出所述最高温度和最低温度的温差；
10.(3)通过有限元仿真找出散热片的最佳位置：利用有限元进行网格剖分，将所述均温板的设计域划分为长1cm、宽1cm、高0.2cm的单元；根据步骤(2)中获得的电池不同区域的最高温度和最低温度，将最高温度的位置作为散热片的最佳位置，在该最佳位置生成散热片以降低最高温度后，利用网格剖分有限元仿真进行迭代计算最高温度与最低温度之差；当所述温度之差小于5℃时，迭代停止；当未达到温差条件时，则继续进行迭代拓扑优化；
11.(4)根据步骤(3)在电池表面设置散热片，并对最优的散热片位置的生成进行验证，对于不同区域的温度进行分析，观察温度差，从而获得所述超高效均温板。
12.进一步地，所述步骤(3)中通过在电池高温区堆叠冷却板形成散热片来降低最高温度；其包括如下步骤：
13.(1)当通过有限元分析找到高温区时，在高温区上方放置一个预设厚度为h1的冷却板形成最高的散热，所述最高的散热是指电池最高温度与最低温度之差小于5℃；
14.(2)循环进行有限元分析并重新发现新的高温区；当出现重复的高温区时，该区上方均已经设有冷却板，那么在该冷却板上方再设置新的冷却板。
15.进一步地，温度高的区域设置更多的冷却板以进行更好的散热。
16.有益效果：
17.1、本发明提供的一种超高效均温板设计方法将算法与有限元仿真有机结合，可以快速迭代生成最优均温结构；
18.2、本发明提供的一种超高效均温板设计，最终生成的结构具有较高可加工性；
19.3、本发明提供的一种超高效均温板设计方法，使用的是按需生成均温结构策略，因此可充分满足轻量化设计目标。
20.综上所述，本发明使用一种新颖的迭代拓扑优化方法结合有限元模拟来设计一种新型的热均匀冷却板。在具体的实例应用当中，使用相同重量的材料，在40℃放电下温差降低达23％，相同温差下重量减轻达80％。本发明的方法适用于不同场景，可有效降低温差，指导复杂热源下的结构设计。通过本发明可以完成所需均温板的设计，可以在瞬态场和稳态场进行使用，并且达到均温要求，在产品的加工方面也具有一定的可实施性。
附图说明
21.图1为本发明的高效均温板设计方法流程图；
22.图2为本发明的均温板成型示意图；
23.图3为本发明的成型的均温板剖面示意图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，本发明的具体实施例中，提出了一种新颖的进化拓扑优化方法，该方法基于合理的数学推导从无到有创建均温板，拓扑优化的理论是通过在电池高温区堆叠冷却板来降低最高温度。结果通过有限元模拟测试，达到了良好的热均匀性。
25.显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，所应用的范围包括但不限于芯片、储能、电子器件等方面，本发明具有广阔的应用前景；本方法所应用的热源可为单一均匀热源、多种均匀热源、单一不均热源、多种不均热源等各种各样的热源情况；所涉及的策略是基于来自散热材料的等效最短导热路径，即意味着无论向热源的上方或者前后左右方生成材料都与等效最短导热路径相关；所采用的材料可为单一材料也可为复合材料，可为各向同性材料也可为各向异性材料；热源的物理建模方面可使用数字孪生模型、等效模型、数据生成模型等多种模型生成方式；最高温区域的选取标准可基于局部点的温度，也可基于区域的平均温度，也可根据一定温度范围的温度点的集合；所采用的有限元仿真为传热领域的仿真，可使用多种软件或者算法进行生成。
27.本发明采用温度均衡板迭代拓扑优化的设计，以实现锂离子电池放电过程中更好的热均匀性。本发明进行算法部分的优化，在实际应用过程中，出现的复杂问题是内部热源不均匀、散热板形状不规则的多维问题，无法得到解析结果，因此本发明采用有限元法求解温度场，进而更好的对于均温过程进行实现。
28.如图1所示，本发明的超高效均温板设计方法通过一种迭代拓扑优化方法，生成均温性能比较优异的均温板。所述设计方法包括：将本发明的超高效均温板设计方法热源的物理模型作为有限元仿真的输入条件，选取最高温区域用来指导散热片的设置位置，最后选取出均温板的最优结构形成均温板的散热片，利用有限元仿真得到散热片设置后的均温效果计算，通过不断迭代与判断，最终实现所需的均温板的结构。
29.具体地，本发明的超高效均温板设计方法包括如下步骤：
30.(1)初始化参数的处理：对于当前使用电池进行模型的建立，对参数进行初始化，并建立电池的物理模型。其中，根据电池的特性进行模型的建立，例如，电池的材料和放电特性等等。
31.(2)加载温度数据以及设置热源，反映电池表面温度分布：在电池表面设置两个温度探头，分别用于测试最高温度和最低温度。例如，将电池在600a放电情况下的数据进行输入，计算出电池表面不同位置的热量情况，对于此种情况建立相应的边界条件，这样可以对于电池不同区域的温度进行检测，为下一步散热片最佳位置的选择奠定了基础。所述散热片的材料可以为铝。所述物理模型作为有限元仿真的输入条件。
32.材料铝和电池的参数如下表所示：
[0033][0034]
在瞬态问题中，根据最终温升将每个节点设置为热源，根据下述等式计算发热量。
[0035]
q(x,y,t)＝c0m0(t
end-t
amb
)/(v*t
end
)0《t≤t
end
[0036]
式中，q为各节点的发热量，x和y表示各节点的坐标，t为时间，c0为电池的比热容，m0为电池的重量，t
end
为各节点的温度放电结束时间，t
amb
为周围空气的温度，v为电池的体积，t
end
为放电结束的时间。
[0037]
(3)通过有限元分析找出散热片的最佳位置，并利用有限元进行网格剖分：均温板的设计域被划分为长1cm、宽1cm、高0.2cm的单元。这种划分有利于后续处理和迭代求解的加速。根据步骤(2)中获得的电池不同区域的温度，选择散热片的最佳位置，即选取最高温区域用来指导散热片的设置位置。在该最佳位置生成散热片后，利用网格剖分有限元仿真进行迭代计算设置了散热片后的电池表面温度情况，得到散热片设置后的均温效果计算，即最高温度与最低温度之间的温差。当此时电池表面的最高温度与最低温度之差小于5℃时，迭代程序停止。如果未达到温差条件，则继续迭代拓扑优化。
[0038]
如图3所示，所述散热片由冷却板形成。当通过有限元分析找到高温区(tmax处)时，在tmax上方放置一个预设厚度为h1的冷却板形成最高的散热，所述最高的散热是指均温板在电池放电过程中温差小于5℃。然后，循环进行有限元分析并重新发现新的高温区。当出现重复的高温区时，该区上方均已经设有冷却板，那么在该冷却板上方再设置新的冷却板。由于贴近均温板的冷却板在侧向和上方的两个方向的接触面积不同，从预设厚度为h2的冷却板向预设厚度为h3的冷却板方向的散热比从预设厚度为h2的冷却板向预设厚度为h1的冷却板方向的散热更多。温度高的区域则设置更多的冷却板以进行更好的散热。此外，预设厚度为h1的冷却板的温度会受到另一个热源t的影响。
[0039]
(4)根据步骤(3)在电池表面设置散热片，并对最优的由冷却板形成的散热片位置的生成进行验证，对于不同区域的温度进行分析，观察温度差，以确保模型的准确性，从而获得所述超高效均温板。
[0040]
采用本发明的设计方法获得的均温板如图2所示，通过上述的方法对于电池各个部分的温度进行采集，为了达到5℃以内的均温效果，设计出如图2所示的结构样式。
[0041]
为了减小温差，本发明拓扑优化的理论是通过在电池高温区堆叠冷却板形成散热片来降低最高温度。边界条件设置为绝热条件，这是因为电池模块中的电池会处于不良对流状态，热源是已经考虑了对流对电池的影响的假热源，而且放电时间持续约30s，对流热远小于传导热。散热一般利用傅里叶导热定理原理，散热片的吸热率由散热片的导热系数、散热片与热源的接触面积、温度梯度等因素决定。散热片为翅片，翅片的最终吸热与其自身的热容量、质量和温度变化成正比。当散热片的材质确定时，温度梯度决定了散热情况。
[0042]
本发明对于钛酸锂电池的不同倍率下的温度分布情况进行了实验分析。温度分布不均匀的情况为：最低温度为21.3℃，最高温度为52℃。最低温度区是只存在铝塑膜的地方，不是真正的热源。拓扑优化是一类优化问题，其数学形式包括设计变量、目标函数和约
束条件。为了改善温差，将温差作为拓扑优化目标。在实际的应用中，通过降低最高温度来达到目标。
[0043]
利用本发明的设计方法，使用与对照组相同重量的材料时，电池的温差可提高23％。而为了达到同样的热均匀性，采用迭代拓扑优化方法设计的均温板比对照组轻80％。基于600a放电的优化设计均温板可适用于40c至30c的放电速率，这是由不同放电速率下温度分布的相似性决定的。此外，迭代优化方法非常适合不同的放电率。操作相对简单，效果明显，对于各种期间和装置的广泛应用奠定了比较好的基础。
[0044]
对于上述的实例过程以及相应结果的展示，本领域的技术人员容易理解，仅用以上所述作为本发明的较佳实施例而已，各种应用方案的实施仅代表应用于此过程的步骤，并不用以限制本发明，本设计策略有着十分广泛的应用，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。