(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210589096.4 (22)申请日 2022.05.26 (71)申请人 上海交通大 学 地址 200240 上海市闵行区东川路80 0号 (72)发明人 周明东　耿达　魏创　 (74)专利代理 机构 上海旭诚知识产权代理有限 公司 312 20 专利代理师 郑立 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/10(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 113/08(2020.01) (54)发明名称 一种动力电池水冷流板的流道拓扑优化设 计方法 (57)摘要 本发明公开了一种面向动力电池水冷流板 的流道拓 扑优化设计方法， 涉及热流体拓扑优化 相关技术领域。 本发明采用Darcy渗流模型等效 描述流体流动行为， 并依此建立对流散热模型。 与已有基于高保真流体模型的冷却流道拓扑优 化方法相比， 本发明所公开方法可显著降低流体 仿真和灵敏度分析的复杂 度， 提高拓扑优化计算 效率。 与当前动力电池常用的规则流道布局相 比， 采用本发 明所公开方法设计的二维平面冷却 流道散热性能更优， 亦可提升动力电池产品开发 效率。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 114925572 A 2022.08.19 CN 114925572 A 1.一种动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法， 其特征在于， 该方法包括以下步 骤： 步骤1： 确定设计空间、 边界条件及优化 参数初始化； 步骤2： 搭建热流体有限元仿真模型； 步骤3： 构建流体单 元参数化表征模型； 步骤4： 拓扑优化建模； 步骤5： 设计响应求 解； 步骤6： 灵敏度分析； 步骤7： 优化 求解； 步骤8： 收敛判断； 步骤9： 优化结果后处 理。 2.如权利要求1所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所述步 骤1具体为： 根据动力电池水冷流板外形尺寸， 确定流道设计空间， 将待设计结构离散为多 个有限单元； 根据电芯布局位置及发热功率， 确定热流密度及其作用位置， 设定热边界条 件； 设置设计 变量x， 用于表示材 料为固体或流体。 3.如权利要求2所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所述步 骤2具体为： 采用线性Darcy渗流模型预测水冷流板的压力场与速度场， 基于所获得的速度 场， 建立适用于动力电池水冷流板的对流散热结构模型， 基于该模型， 求解对流散热结构的 温度场。 4.如权利要求3所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所述步 骤3具体为： 基于实体各向同性材料插值格式(SIMP)， 分别建立单元渗透矩阵κ、 等效热传导 矩阵k、 密度ρ 、 比热cp的插值模型。 5.如权利要求4所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所述步 骤4具体为： 以最小化给定区域的平均温度值为优化 目标， 以单元密度为设计变量， 考虑流 体体积、 进出口压降、 最小尺寸约束， 建立动力电池水冷流板 拓扑优化模型。 6.如权利要求5所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所述步 骤5具体为： 基于当前优化迭代步下单元密度信息， 求解压力场、 速度场、 温度场， 计算给定 区域内的平均温度值、 流体 体积约束值g1、 压降约束值g2、 最小特征尺寸约束值g3。 7.如权利要求6所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所述步 骤6具体为： 求 解每一优化迭代步下目标函数及各约束函数对设计 变量x的灵敏度值。 8.如权利要求7所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所述步 骤7具体为： 利用移动渐近线算法(M MA)求解优化模型， 更新设计 变量x。 9.如权利要求8所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所述步 骤8具体为： 如果目标函数及约束函数变化率在连续5个迭代 步内均低于0.5％， 则认 为优化 求解收敛； 若优化 不满足收敛 条件， 则重复步骤5～8。 10.如权利要求9所述动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方法， 其特征在于， 所述 步骤9具体为： 基于二分法， 将优化结果 转化为无灰度单元的清晰流道结构。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114925572 A 2一种动力电池水 冷流板的流道拓扑优化 设计方法 技术领域 [0001]本发明涉及热流体拓扑优化设计相关技术领域， 尤其涉及一种动力电池水冷流板 及其流道拓扑优化设计方法。 背景技术 [0002]水冷流板广泛应用于大容量、 高热流密度新能源动力电池的散热系统。 在水冷流 板的设计过程中， 需要考虑对流散热和 流动压力损失等因素。 水冷流板主要采用以流道尺 寸及位置参数为变量的代理模型优化方法进 行设计。 该类方法需基于数值仿真及热流体试 验构建代理模型， 代替较为复杂的原物理模型进行优化求解， 一定程度上减小了可行解集 的大小， 且优化流程较为复杂， 难以用于产品的概念设计。 冷却流道拓扑优化是热流体仿真 驱动的流道设计方法， 可充分考虑不同电芯 分布， 高效设计冷却性能优异的水冷流板 。 [0003]针对水冷流板的流道设计问题， 中国专利CN  113094944  A公开了一种微流道散热 器及相应的拓扑优化设计方法， 基于带有温度方程的Naiv er‑Stokes方程组， 建立强制对流 物理模型以模拟流体在流道内的流动及 对流换热行为， 并依此建立参数水平集拓扑优化模 型。 该设计方法能够设计微流道的细观构型， 使散热器的传热效率最大化。 但该方法所采用 的高保真流体模型计算复杂度高， 优化方法整体效率低， 优化设计初期易因流道未成形致 使仿真不收敛， 难以在设计初期快速获得复杂的随形冷却流道。 发明内容 [0004]有鉴于现有技术的上述缺陷， 本发明所要解决的是如何高效设计水冷流板冷却流 道的技术问题。 [0005]为实现上述目的， 本发明提供了一种动力电池水冷流板的流道拓扑优化设计方 法， 该方法包括以下步骤： [0006]步骤1： 确定设计空间、 边界条件及优化 参数初始化； [0007]步骤2： 搭建热流体有限元仿真模型； [0008]步骤3： 构建流体单 元参数化表征模型； [0009]步骤4： 拓扑优化建模； [0010]步骤5： 设计响应求 解； [0011]步骤6： 灵敏度分析； [0012]步骤7： 优化 求解； [0013]步骤8： 收敛判断； [0014]步骤9： 优化结果后处 理。 [0015]进一步， 所述步骤1具体为： 根据动力电池水冷流板外形尺寸， 确定流道设计空间， 将待设计结构离散为多个有限单元； 根据电芯布局 位置及发热功率， 确定热流密度及其作 用位置， 设定热边界条件； 设置设计 变量x， 用于表示材 料为固体或流体。 [0016]进一步， 所述步骤2具体为： 采用线性Darcy渗流模型预测 水冷流板的压力场与速说　明　书 1/4 页 3 CN 114925572 A 3