一种多出口并行流道冷却系统及其运行控制方法

本发明涉及功率器件冷却领域，具体涉及一种并行流道冷却系统及其运行控制方法。

背景技术：

1、随着功率器件的高速发展，其发热功率也急剧增加，较高的热流密度会使得功率器件温度过高，严重影响器件的稳定性和使用寿命。功率器件的冷却方式中，采用并行流道冷却系统具有结构紧凑、压降低等优点而被广泛运用，例如电池热管理系统、并行微通道热沉等。然而，并行流道结构容易造成流道间流量分配不均，从而导致器件温差较大。为解决该问题，学者们采用自适应控制策略对并行流道冷却系统的往复流流型进行了调控。

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型电池热管理风冷系统基础上采用往复流冷却电池组，通过实验方法研究了往复流启动时间、往复周期、冷却风扇功率、铝块加热功率和环境温度对系统性能的影响。结果表明，当启动时间为1000s，往复周期为400s时，系统的最大温差降低了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)提出一种基于最高温度位置和温差的往复流控制策略，并比较了单向流、等周期往复流及自适应控制策略情况下电池热管理风冷系统的散热性能，结果表明自适应控制与单向流相比，自适应控制策略的往复流使温度不均匀性降低了50％。

3、已有研究表明，采用自适应控制策略调控并行流道冷却系统往复流的流型，可以在系统运行过程中有效减小热源温差。然而，已有基于控制策略的往复流系统仍然出现较大的系统温差和热源单体温差。另一方面，已有研究一般考虑恒定的热源产热强度，对于系统在实际随机运行工况的性能考虑较少。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种多出口并行流道冷却系统及其运行控制方法，以提高系统在随机运行工况中的冷却性能。

2、本发明至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种多出口并行流道冷却系统，包括两条歧管、若干并行流道、若干热源、四个出口段、一个进口段和一条进气通道；

4、两条歧管相对设置，若干并行流道和若干热源间隔设置在两条歧管之间，且并行流道的进口和出口分别与两歧管连通，每个热源处于每两个并行流道和上下两个歧管围成的区域内；

5、两条歧管的两端分别连接一所述出口段；

6、进口段与其中一个歧管的一端连接，进气通道的两端分别连接进口段与另一歧管；

7、进口段和四个出口段上分别设置有阀门以控制所处管道或相邻的通断。

8、进一步地，所述的若干热源有n个，从左往右依次编号1～n，在热源两侧均布设有并行流道，有n+1条，从左往右编号1～n+1，第i个热源处于第i个并行流道、第i+1个并行流道、1号歧管和2号歧管围成的区域内。

9、进一步地，并行流道的进口和出口分别与1号歧管的上部和2号歧管的下部连通。

10、进一步地，第2～n号并行流道相同；第1号和第n+1号并行流道的宽度可以相同，也可以不相同，这两条流道宽度均小于或者等于2号～n号并行流道的宽度。

11、进一步地，每个热源的发热功率相互独立，可以是常数热源，也可以随时间变化。

12、进一步地，若干并行流道与歧管垂直连接。

13、进一步地，所述的四条出口段包括1号出口段、2号出口段、3号出口段和4号出口段；所述的两条歧管包括1号歧管和2号歧管，每条歧管两端分别与一个出口段水平相连，两条歧管共与四个出口段相连；所述进气通道一侧与进口段垂直连接，另一侧与2号歧管垂直连接。

14、具体地，1号歧管的两端分别连接1号出口段和2号出口段，2号歧管的两端分别连接3号出口段和4号出口段，进口段与1号歧管上连接有1号出口段的一端连接，进气通道的一端与进口段连接，另一端与2号歧管上连接有4号出口段的一端连接。

15、进一步地，1号出口段、2号出口段、3号出口段上设置的阀门用于控制相应出口段的通断，进口段上的阀门用于控制在进口段和进气通道之间的通断切换，4号出口段上设置的阀门用于控制在4号出口段和进气通道之间的通断切换，进口段上的阀门用于控制在进口段和进气通道之间的通断切换。

16、优先地，进口段、1号歧管和进气通道连接处的为5号阀门，为换向阀，4号出口段、进气通道和2号歧管连接处的为4号阀门，为换向阀，换向阀有“竖直”和“水平”两种状态；1号、2号和3号出口段处的为1号、2号和3号阀门，均为截断阀，有“开启”和“关闭”两种状态。

17、进一步地，根据阀门的状态切换来改变系统的流型，系统包括两种流型分别为正向j型和反向j型，当1号阀门关闭，2号阀门关闭，3号阀门打开，4号阀门处于“水平”状态，5号阀门处于“竖直”状态时，系统为正向j型流型；当1号阀门打开，2号阀门打开，3号阀门关闭，4号阀门处于“竖直”状态，5号处于“水平”状态时，系统为反向j型流型。

18、一种多出口并行流道冷却系统的运行控制方法，包括以下步骤：

19、设置温差阈值δt0，偏差δε和监测时间步长δt；在每个热源中设置监测点，在运行过程中每隔时间步长δt记录一次每个监测点的温度，分别记为t1，t2，…，tn；

20、每隔δt时刻评估热源之间的温差δtmax＝max(t1,t2,…,tn)-min(t1,t2,…,tn)，当δtmax≥δt0-δε时，按照以下策略控制阀门的开闭：

21、若0≤xmax<l/2，打开1号阀门，打开2号阀门，关闭3号阀门，4号阀门设置为“竖直”状态，5号设置为“水平”状态，系统为反向j型；

22、若l/2≤xmax≤l，关闭1号阀门，关闭2号阀门，打开3号阀门，4号阀门设置为“水平”状态，5号阀门设置为“竖直”状态，系统为正向j型。其中，xmax表示热源区域最高温度出现的位置与1号并行流道左侧的距离，l为并行流道和热源的总宽度。

23、进一步地，初始时刻系统流型可以为正向j型，也可以为反向j型；所述的δt是任意大于0的值，每隔δt时刻监测热源的温差值δtmax；所述温差阈值δt0是任意大于0的值，根据控制需求设置；偏差δε的取值范围为(0,t0)。

24、进一步地，监测点的温度可以用实验测试或者数值模拟的方式采集，所述的温度可以是热源某个点的温度，也可以是热源的平均温度。

25、本发明与现有技术相比，至少具有如下优点和有益效果：

26、1.实用性强，操作灵活。通过调节系统流型，将冷却工质流量引导到温度较高的热源附近，从而将系统温差稳定在设定的温差范围内。

27、2.调整次数少。相较于现有的往复流系统，本发明的一种多出口并行流道系统在运行过程中可以在较少的调整次数下将系统温差稳定在所需范围内，可以减少运行成本，延长控制部件和系统的使用寿命。

28、3.冷却性能好。除了能将热源之间的温差调控到设置范围，本发明通过正反j型系统的流型调控，可以有效降低单个热源自身的温差和热点温度。