学生姓名：王瑞

班班级级：热能2020-01班

指导教师：郑东

毕设题目：基于血管仿生流道的电池液冷结构设计与分析

  一、概况

1.选题意义

纯电动汽车动力电池在充放电过程中会产生大量的热量，而电池热管理系统的作用即是将电池工作过程中产生的热量及时导出，避免因为大量热量的积聚而导致的电池热失控等问题。液冷板是构成电池热管理液冷散热系统的重要部件，目前各研究学者在对液冷板结构做仿生设计的过程中对整个动力电池组温度分布均匀性和其他参数的平衡上还比较有限。因此，本文在不改变研究对象原始液冷板的主要结构的情况下，基于仿生分形理论，对液冷板流道进行重新设计，并通过CFD数值计算的方法对液冷板的换热性能、流阻压降以及温度分布的均匀性进行研究分析。

2.任务分解

（1）查阅国内外动力电池液冷板设计专利及文献资料，并对传统结构液冷板进行建模，分析不同结构参数变化对冷却效果，冷却液压降（流阻）等的影响。

（2）学习仿生学原理，理解动物血管的特殊构型和换热机能原理，对液冷板的液体流道进行创新设计，并建立结构模型。

（3）结构、参数优化和对比分析。对设计液冷板进行CFD运算仿真，选取参数作为变量进行优化，找到最佳设计方案。并将创新设计冷却板结构与传统液冷板结构进行分析对比。

（4)实验验证。加工出液冷板，对液冷板的实际换热效果进行实验测试分析，与仿真结果进行对比，分析其是否满足设计要求。

（5）实际可行性分析。基于设计液冷板，分析其在实际多变工况下的性能表现，对整个结构的实际性和可行性进行探究。

（6）论文的撰写、修改工作。

二、已完成工作

1.文献的整理和调研工作。查阅有关电池液冷散热冷却技术和仿生学在液冷板等散热领域的应用等方面的文献。一方面学习国内外学者研究电池液冷技术的分析方法，另一方面也在了解研究现状的过程中思考存在的问题，为创新设计提供理论基础。

2.软件的学习。毕业设计基于传热学和流体力学理论，运用CFD流体传热数值分析方法对建立模型进行模拟仿真分析。前期的大部分时间中，是对Ansys旗下Flent、SpaceClaim软件理论的学习和操作的熟悉，通过大量的算例来熟悉软件的各个功能，熟练掌握各项操作设置，保证了计算方法的准确性、合理性和灵活性。

3.论文验证，液冷板初始模型尺寸参数的确定和材料等热物性参数的确定。为保证算法以及边界条件的设置合理性和准确性，在开始模型设计之前进行论文的结果验证。网格无关性以及论文结果验证完成后，基于相同的整体尺寸、材料参数、边界条件设置进行设计建模和仿真计算，目标液冷板通过对流道构型的优化设计来改善散热性能、冷却效率、温度分布均匀性等。

4.电池的选型，生热模型的计算以及发热量、发热负荷的确定。本设计选用方形磷酸铁锂电池作为液冷散热系统的热源进行仿真模拟计算。在建立电池生热模型和做仿真计算前对其进行适当简化。研究过程中，电池等效内阻和温度系数依据引文当中实验实际测量数据来计算，通过bernadi生热模型确定电池的发热量。确定好电池不同放电倍率下的体生热率大小后依据模型的简化和具体尺寸大小来确定边界热流密度。

图1 电池选型、结构尺寸、热物性参数的确定，发热负荷计算

5.初始液冷板模型的建立，模型的简化和边界条件的设置。

图2 初始液冷板结构，网格无关性验证

6.相同尺寸不同流道设计液冷板分析对比、结构参数对模型换热性能影响的分析研究以及优化思路的确定。将仿生液冷板与传统流道设计的液冷板在散热冷却效果、冷却效率、能耗、温度分布均匀性等方面进行定性分析和对比。对照研究过程保持液冷板尺寸、边界条件设置和性能评价指标一致，分析不同流道结构的优势和缺陷。另外，确定了从流道宽度、局部流阻和边界条件参数三个方向对结构进行优化。

图3 结构参数的分析研究，优化原理和思路

7.论文第一、二章的撰写

图4 论文第一章、第二章的撰写工作

三、下一步工作计划

1.模型优化。继续完成模型的结构优化，对影响液冷板换热性能、冷却效率、温度分布均匀性的结构变量做分析研究。

2.实验验证。对初始液冷板模型和最终优化好的模型进行加工，通过实验检验的方式验证仿真的结果。

3.分析电池在不同工况下的换热性能。实际电动汽车或者电池模组的工作工况复杂而多变。电池在各个不同工况下温度的变化以及液冷板冷却效果都会发生改变，对不同工况进行分析和研究具有必要性和实际意义。其次，对电池不同工况下稳态传热和非稳态传热进行研究，分析对比两种计算工况的差异并得出结论。

4.继续毕业论文的撰写工作。

问题一：你的整个液冷板流道设计是如何体现仿生的，相较于传统液冷板流道结构设计优势体现在哪些方面？

回答：液冷板流道的设计借鉴了血管流场的特征，由主干流道细分至各个支流，并且在优化的过程中，依据各个流道质量流量分配的均匀性来对各流道宽度做优化调整。相较于传统构型的液冷板，设计构型在冷却的均匀性和减小压降功耗上有积极作用。

问题二：在研究过程中，你对模型进行了一定的简化，将原有的电池模组简化为导热垫上表面设置热流密度，这样做是否会影响对电池冷却结果的评价？

回答：在设计研究的过程中，电池模组本身结构较为复杂，其由多块单体电池串联或并联组成，内部间隙放置挡板或者其他填充材料，外部设置外壳进行保护，并且对于模组中的单体电池，其内部生热机理复杂，内部材料的各向异性和分布不均匀性也使得单体电池发热不均，在计算之前对电池的生热进行了适当假设和简化。电池模组在整个研究仿真中作为一个发热源来考虑，所以在探究液冷板的冷却效果时，对发热模组进行了简化。针对老师提出的问题，后续还需要去仔细研究思考分析简化前后的各项温度评价指标是否具有关联性，以及对简化后的模型进行冷却效果评价时能否反映对电池的冷却效果。

对毕业设计任务研究的过程更像是一个发现问题和解决问题的过程，当你倾心倾注于此，会发现各种各样的问题悄然而至，而我们正是在不断思索和解决问题的过程中得以历练和成长。研究期间，尤其感谢郑东老师的倾囊相授和悉心指导，耐心的为我们答疑解惑，提供思路。对待毕业设计，老师要求我们不仅仅是单纯完成任务，而是在研究的过程中提升自己的综合能力。另外，同学之间的相互协作，关心帮助和支持也为前行提供源源不断的动力。

毕设虽小，但确是本科四年的重要一环。我相信，它将是开启我们人生又一新起点的导向标和奠基石。在悉心的研究和探索当中，将本科期间学习的知识付诸于实践，成为我们解决实际工程问题的有效工具和理论基础；对具体问题的分析和解决过程，是对复杂问题权衡、思考和判断的能力的内化和映射，将为我们解决重大问题时提供思路和方法。

此刻的我们，无论是即将进入新的岗位，成为国家和社会的中流砥柱；亦是即将奔赴研究求索之路，继续在学习的道路开拓前行，这段研究和学习的经历终将让我们受益匪浅！