基于拓扑优化技术新能源电动汽车电池包液冷板散热流道分析

针对目前新能源电动汽车电池包液冷板散热流道多侧重于流道拓扑优化算法的理论研究，对流道形态、散热性能之间的关系阐明不足。本文从工程应用角度出发，基于变密度法，研究基于结构拓扑优化技术的液冷板流道设计方法，并将传统液冷板流道与拓扑优化得到的不同雷诺数下的液冷板的均温性能以及最大温差进行散热对比。仿真分析表明，无论是平均温度还是温差，拓扑优化出来的流道比传统S型流道均温性以及散热性都要好。

随着中国经济发展，我国已成为世界第一汽车产销市场，而环境污染和能源问题也成为了摆在中国发展道路上的严肃问题，环境污染和能源危机问题也成为世界汽车行业关键技术的导向标。由于环境安全问题和能源安全问题逐渐进入各国研究学者的视野，同时每个国家都对传统燃油汽车设定了日渐严格的汽车污染物排放阈值。因此投入研发力量发展节能汽车与新能源汽车已成为未来汽车的发展趋势。动力电池及其管理技术是生产研发环保、节能、安全的节能与新能源汽车中的关键技术，而动力电池热管理技术又是动力电池及其管理技术中的重要一环[1]。

一般来说纯电动汽车安全问题(如过热、燃烧、爆炸)主要是由于电池散热不当造成的，同时电池的散热不佳同时也会影响汽车的经济性、动力性、充放电效率和使用寿命，因此，需要设计最优的散热流道，来加快电池包夜冷板热量释放[2]。设计最优的散热通道分布形态， 属于结构优化问题。

结构优化是指在满足约束条件(设计要求)情况下， 按预定目标求出最优的设计方案。为了设计最优的散热结构方案，必然涉及采用何种设计方法来实现的问题。

近年来，随着结构拓扑优化技术的发展，散热通道的分布形态优化设计逐渐展开，主要有三大类方法：一是基于构形理论的设计方法；二是基于结构拓扑优化技术的设计方法；三是仿生设计方法。本文采用的是基于拓扑优化技术的设计方法。拓扑优化方法优化方式的不同可分为：变密度法(Density based method)、均匀化方法(Homogenization method)、水平集法(Level-set based method)和结构渐进优化法(Evolutionary structural optimization method, ESO) [3] [4]。

李昊等[5]以流体固体边界热交换量最大为数学模型的优化目标，采用变密度法进行液冷板散热流道的拓扑优化设计，研究了流量分配问题、热交换最大问题和多目标优化问题，并探讨了不同进出口布置方式和不同热源工况下优化结果的差异，将通过拓扑优化设计得到的散热流道与传统直流道的散热性能进行仿真及实验对比。Li 等[6]采用渐进结构优化法对2D 稳态热传导问题进行了尺寸优化和拓扑优化， 给出均布热源、局部热源和多热源工况下的数值算例。

因此，本文为了得到最优的液冷板散热流道，利用商业有限元软件平台COMSOL Multiphysics 对电池包液冷板散热问题进行拓扑优化设计，并将传统液冷板流道与拓扑优化得到的不同雷诺数下的液冷板的均温性能以及最大温差进行散热对比。