本發(fā)明涉及功率器件冷卻領(lǐng)域，具體涉及一種并行流道冷卻系統(tǒng)及其運(yùn)行控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著功率器件的高速發(fā)展，其發(fā)熱功率也急劇增加，較高的熱流密度會(huì)使得功率器件溫度過(guò)高，嚴(yán)重影響器件的穩(wěn)定性和使用壽命。功率器件的冷卻方式中，采用并行流道冷卻系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、壓降低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用，例如電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、并行微通道熱沉等。然而，并行流道結(jié)構(gòu)容易造成流道間流量分配不均，從而導(dǎo)致器件溫差較大。為解決該問(wèn)題，學(xué)者們采用自適應(yīng)控制策略對(duì)并行流道冷卻系統(tǒng)的往復(fù)流流型進(jìn)行了調(diào)控。

2、wang等人(wang?c,xu?j,wang?m,xi?h.experimental?investigation?onreciprocating?air-cooling?strategy?of?battery?thermal?management?system[j].journal?of?energy?storage,2023,58:106406)在z型電池?zé)峁芾盹L(fēng)冷系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用往復(fù)流冷卻電池組，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了往復(fù)流啟動(dòng)時(shí)間、往復(fù)周期、冷卻風(fēng)扇功率、鋁塊加熱功率和環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間為1000s，往復(fù)周期為400s時(shí)，系統(tǒng)的最大溫差降低了65.5％。wang等人(wang?h,ma?l.thermal?management?of?a?largeprismatic?battery?pack?based?on?reciprocating?flow?and?active?control[j].international?journal?of?heat?and?mass?transfer,2017,115:296-303)提出一種基于最高溫度位置和溫差的往復(fù)流控制策略，并比較了單向流、等周期往復(fù)流及自適應(yīng)控制策略情況下電池?zé)峁芾盹L(fēng)冷系統(tǒng)的散熱性能，結(jié)果表明自適應(yīng)控制與單向流相比，自適應(yīng)控制策略的往復(fù)流使溫度不均勻性降低了50％。

3、已有研究表明，采用自適應(yīng)控制策略調(diào)控并行流道冷卻系統(tǒng)往復(fù)流的流型，可以在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中有效減小熱源溫差。然而，已有基于控制策略的往復(fù)流系統(tǒng)仍然出現(xiàn)較大的系統(tǒng)溫差和熱源單體溫差。另一方面，已有研究一般考慮恒定的熱源產(chǎn)熱強(qiáng)度，對(duì)于系統(tǒng)在實(shí)際隨機(jī)運(yùn)行工況的性能考慮較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種多出口并行流道冷卻系統(tǒng)及其運(yùn)行控制方法，以提高系統(tǒng)在隨機(jī)運(yùn)行工況中的冷卻性能。

2、本發(fā)明至少通過(guò)如下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn)。

3、一種多出口并行流道冷卻系統(tǒng)，包括兩條歧管、若干并行流道、若干熱源、四個(gè)出口段、一個(gè)進(jìn)口段和一條進(jìn)氣通道；

4、兩條歧管相對(duì)設(shè)置，若干并行流道和若干熱源間隔設(shè)置在兩條歧管之間，且并行流道的進(jìn)口和出口分別與兩歧管連通，每個(gè)熱源處于每?jī)蓚€(gè)并行流道和上下兩個(gè)歧管?chē)傻膮^(qū)域內(nèi)；

5、兩條歧管的兩端分別連接一所述出口段；

6、進(jìn)口段與其中一個(gè)歧管的一端連接，進(jìn)氣通道的兩端分別連接進(jìn)口段與另一歧管；

7、進(jìn)口段和四個(gè)出口段上分別設(shè)置有閥門(mén)以控制所處管道或相鄰的通斷。

8、進(jìn)一步地，所述的若干熱源有n個(gè)，從左往右依次編號(hào)1～n，在熱源兩側(cè)均布設(shè)有并行流道，有n+1條，從左往右編號(hào)1～n+1，第i個(gè)熱源處于第i個(gè)并行流道、第i+1個(gè)并行流道、1號(hào)歧管和2號(hào)歧管?chē)傻膮^(qū)域內(nèi)。

9、進(jìn)一步地，并行流道的進(jìn)口和出口分別與1號(hào)歧管的上部和2號(hào)歧管的下部連通。

10、進(jìn)一步地，第2～n號(hào)并行流道相同；第1號(hào)和第n+1號(hào)并行流道的寬度可以相同，也可以不相同，這兩條流道寬度均小于或者等于2號(hào)～n號(hào)并行流道的寬度。

11、進(jìn)一步地，每個(gè)熱源的發(fā)熱功率相互獨(dú)立，可以是常數(shù)熱源，也可以隨時(shí)間變化。

12、進(jìn)一步地，若干并行流道與歧管垂直連接。

13、進(jìn)一步地，所述的四條出口段包括1號(hào)出口段、2號(hào)出口段、3號(hào)出口段和4號(hào)出口段；所述的兩條歧管包括1號(hào)歧管和2號(hào)歧管，每條歧管兩端分別與一個(gè)出口段水平相連，兩條歧管共與四個(gè)出口段相連；所述進(jìn)氣通道一側(cè)與進(jìn)口段垂直連接，另一側(cè)與2號(hào)歧管垂直連接。

14、具體地，1號(hào)歧管的兩端分別連接1號(hào)出口段和2號(hào)出口段，2號(hào)歧管的兩端分別連接3號(hào)出口段和4號(hào)出口段，進(jìn)口段與1號(hào)歧管上連接有1號(hào)出口段的一端連接，進(jìn)氣通道的一端與進(jìn)口段連接，另一端與2號(hào)歧管上連接有4號(hào)出口段的一端連接。

15、進(jìn)一步地，1號(hào)出口段、2號(hào)出口段、3號(hào)出口段上設(shè)置的閥門(mén)用于控制相應(yīng)出口段的通斷，進(jìn)口段上的閥門(mén)用于控制在進(jìn)口段和進(jìn)氣通道之間的通斷切換，4號(hào)出口段上設(shè)置的閥門(mén)用于控制在4號(hào)出口段和進(jìn)氣通道之間的通斷切換，進(jìn)口段上的閥門(mén)用于控制在進(jìn)口段和進(jìn)氣通道之間的通斷切換。

16、優(yōu)先地，進(jìn)口段、1號(hào)歧管和進(jìn)氣通道連接處的為5號(hào)閥門(mén)，為換向閥，4號(hào)出口段、進(jìn)氣通道和2號(hào)歧管連接處的為4號(hào)閥門(mén)，為換向閥，換向閥有“豎直”和“水平”兩種狀態(tài)；1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)出口段處的為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)閥門(mén)，均為截?cái)嚅y，有“開(kāi)啟”和“關(guān)閉”兩種狀態(tài)。

17、進(jìn)一步地，根據(jù)閥門(mén)的狀態(tài)切換來(lái)改變系統(tǒng)的流型，系統(tǒng)包括兩種流型分別為正向j型和反向j型，當(dāng)1號(hào)閥門(mén)關(guān)閉，2號(hào)閥門(mén)關(guān)閉，3號(hào)閥門(mén)打開(kāi)，4號(hào)閥門(mén)處于“水平”狀態(tài)，5號(hào)閥門(mén)處于“豎直”狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)為正向j型流型；當(dāng)1號(hào)閥門(mén)打開(kāi)，2號(hào)閥門(mén)打開(kāi)，3號(hào)閥門(mén)關(guān)閉，4號(hào)閥門(mén)處于“豎直”狀態(tài)，5號(hào)處于“水平”狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)為反向j型流型。

18、一種多出口并行流道冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行控制方法，包括以下步驟：

19、設(shè)置溫差閾值δt0，偏差δε和監(jiān)測(cè)時(shí)間步長(zhǎng)δt；在每個(gè)熱源中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中每隔時(shí)間步長(zhǎng)δt記錄一次每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，分別記為t1，t2，…，tn；

20、每隔δt時(shí)刻評(píng)估熱源之間的溫差δtmax＝max(t1,t2,…,tn)-min(t1,t2,…,tn)，當(dāng)δtmax≥δt0-δε時(shí)，按照以下策略控制閥門(mén)的開(kāi)閉：

21、若0≤xmax<l/2，打開(kāi)1號(hào)閥門(mén)，打開(kāi)2號(hào)閥門(mén)，關(guān)閉3號(hào)閥門(mén)，4號(hào)閥門(mén)設(shè)置為“豎直”狀態(tài)，5號(hào)設(shè)置為“水平”狀態(tài)，系統(tǒng)為反向j型；

22、若l/2≤xmax≤l，關(guān)閉1號(hào)閥門(mén)，關(guān)閉2號(hào)閥門(mén)，打開(kāi)3號(hào)閥門(mén)，4號(hào)閥門(mén)設(shè)置為“水平”狀態(tài)，5號(hào)閥門(mén)設(shè)置為“豎直”狀態(tài)，系統(tǒng)為正向j型。其中，xmax表示熱源區(qū)域最高溫度出現(xiàn)的位置與1號(hào)并行流道左側(cè)的距離，l為并行流道和熱源的總寬度。

23、進(jìn)一步地，初始時(shí)刻系統(tǒng)流型可以為正向j型，也可以為反向j型；所述的δt是任意大于0的值，每隔δt時(shí)刻監(jiān)測(cè)熱源的溫差值δtmax；所述溫差閾值δt0是任意大于0的值，根據(jù)控制需求設(shè)置；偏差δε的取值范圍為(0,t0)。

24、進(jìn)一步地，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度可以用實(shí)驗(yàn)測(cè)試或者數(shù)值模擬的方式采集，所述的溫度可以是熱源某個(gè)點(diǎn)的溫度，也可以是熱源的平均溫度。

25、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，至少具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

26、1.實(shí)用性強(qiáng)，操作靈活。通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)流型，將冷卻工質(zhì)流量引導(dǎo)到溫度較高的熱源附近，從而將系統(tǒng)溫差穩(wěn)定在設(shè)定的溫差范圍內(nèi)。

27、2.調(diào)整次數(shù)少。相較于現(xiàn)有的往復(fù)流系統(tǒng)，本發(fā)明的一種多出口并行流道系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可以在較少的調(diào)整次數(shù)下將系統(tǒng)溫差穩(wěn)定在所需范圍內(nèi)，可以減少運(yùn)行成本，延長(zhǎng)控制部件和系統(tǒng)的使用壽命。

28、3.冷卻性能好。除了能將熱源之間的溫差調(diào)控到設(shè)置范圍，本發(fā)明通過(guò)正反j型系統(tǒng)的流型調(diào)控，可以有效降低單個(gè)熱源自身的溫差和熱點(diǎn)溫度。