基于MATLAB GUI的車用電池散熱器計算平臺設計

尹黛霖，溫溢，羅佳鑫，楊正軍

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

0 引言

近年來，電動汽車市場不斷擴增，汽車行業對于電池的需求量也進一步擴大[1]。但是機械濫用、電濫用和熱濫用等因素均會導致電池熱量累積嚴重[2]，從而引發電池局部過熱的問題。當電池工作溫度過高時，電池的各項性能均會不同程度地衰減，甚至還會引發嚴重的安全事故，加速電池的老化[3-4]，電池散熱仍然是電池大規模應用過程中要攻克的難題[5]。因此，有必要創設條件，對電池采取主動的管理模式，維持電池的最佳工作溫度范圍。

本研究基于MATLAB GUI良好的用戶界面功能[6]，設計了一種散熱器計算平臺，用戶可以根據所需的電池特性設計散熱器的各項參數，保障電池組工作在適宜溫度范圍內，提升電動汽車的電池利用率和壽命。

1 MATLAB GUI設計原理

GUI（Graphical User Interfaces）的主要組成為窗口、光標、按鍵、菜單、文字說明等對象[7]。基于MATLAB GUI 軟件的仿真實驗平臺具有界面友好、參數靈活可變、實驗現象直觀豐富等優點，用戶可以通過對界面的直接操作來選擇、激活圖形對象，從而實現復雜的設計任務，因此在工程實踐中被廣泛應用[8]。

本設計計算平臺應用了GUI 的圖形界面功能，形成了交互式的操作界面，并編寫了回調函數，形成了散熱器的計算系統。該系統可以直接模擬對散熱器材料的選擇、設置散熱器的放置層數、布置方式、對散熱器的各參數自定義設置、計算整體散熱器的換熱特性和阻力特性等。考慮到此用戶界面的可訪問性和可操作性，本設計平臺在編寫GUI界面時，遵循了簡潔、直觀的原則，大部分采用靜態文本框、可編輯文本框、按鈕等簡易控件。用戶只需在輸入界面按照提示要求輸入相關試驗參數，系統即可執行回調函數，自動完成復雜的計算，隨后用戶即可在輸出界面得到可視化的計算結果[9]。

此外，在GUI界面編輯完成之后，用戶還可以根據需要將以上界面編譯成可以獨立執行的exe應用程序，即可脫離MATLAB軟件運行在其他電腦上，實現功能移植，數據庫內容也會根據用戶設計實時更新。

2 車用電池散熱器計算數學模型

散熱器的計算主要是確定所需的面積和片數，計算的主要原理如下[10-14]。

散熱器的熱負荷計算公式為

式中：Q為熱負荷，W；G為體積流量，m3/s；ρ為流體密度，kg/m3；Cp為比熱容，kJ/（kg·℃）；t1為熱介質進口溫度，K；t2為熱介質出口溫度，K。

對數溫差計算公式為

式中：Δt為對數溫差；Ti為熱側進口溫度，K；To為熱側出口溫度，K；ti為冷側進口溫度，K；to為冷側出口溫度，K。

根據熱負荷Q和對數溫差Δt計算出散熱器的傳熱面積F：

式中：F為單片散熱器的傳熱面積，m2/片；Q為熱負荷，W；K為散熱器傳熱系數，W/（m2·℃），傳熱系數取決于換熱器自身的結構，對于不同的散熱器有自身的經驗公式；Δt為標準傳熱溫度，℃，一般用對數溫差。

散熱器的傳熱系數計算公式為

式中：K為傳熱系數，W/（m2·℃）；αh為熱介質放熱系數，W/（m2·℃）；αc為冷介質放熱系數，W/（m2·℃）；rp為熱阻，m2·℃/W；rh為熱介質污垢熱阻，m2·℃/W；rc為冷介質污垢熱阻，m2·℃/W。

雷諾數計算公式為

Re=W·de/v。

式中：Re為雷諾數；W為計算流速，m/s；de為當量直徑，m；v為運動黏度，m2/s。

3 車用電池散熱器平臺設計

根據散熱器不同的設計任務和需求，編寫了相應的GUI對象控件回調函數，設計了一種包含散熱器關鍵參數設計模塊、歷史查詢模塊、數據存儲模塊、圖形生成模塊、特性仿真模塊的平臺。用戶可以根據預設的散熱器結構尺寸、材料和其他實際約束條件，自行對散熱器進行設計計算和校核，并在散熱器產品庫中儲存設計計算結果。與此同時，可以利用參數設計模塊的設計結果作為仿真模塊的輸入參數進行流速-散熱量、流速-阻力的特性曲線繪制、分析驗證，在功能上實現關鍵參數設計與仿真分析的集成化。散熱器輔助設計平臺也可以根據用戶需求進行實驗定制和功能擴展，特性仿真模塊也可實現單獨參數輸入進行仿真分析，從而實現軟件通用性、高效性等要求。散熱器設計系統的總體功能結構圖如圖1所示。

圖1 散熱器設計系統的總體功能

3.1 開始界面

為了提升用戶對平臺信息的權限控制，在進入主界面之前設置了用戶登錄界面，如圖2所示，用戶需采用密碼驗證方可進入研發平臺。研發平臺界面是用戶進入系統的首界面，其指向設計計算、數據查詢、輸入數據3個按鍵，如圖3所示。用戶可以點擊任意一個按鈕，界面就會跳轉到所對應的子界面模塊中，引導用戶進行后續操作。

圖2 用戶登錄界面

圖3 研發平臺界面

3.2 設計計算界面

3.2.1 設計界面的第一界面

當用戶單擊“設計計算”按鈕，系統切換到“設計計算模式”子模塊，開始進行散熱器基礎參數的設置。設計計算的主界面布局如圖4所示。

圖4 設計計算主界面布局

用戶可根據提示欄輸入項目代號，設置當前的環境溫度、輸入預期散熱器產品的整體尺寸、散熱器的數量、放置層數、放置方式等。若放置層數、放置方式和設計模式中有任何一個未進行選擇，則界面會彈出提示框，如圖5所示。

圖5 提示框彈出圖

該散熱器系統共設置4層容納量，每層最多可放置5個散熱器，用戶可以根據不同的需求選擇散熱器的組合形式。“顯示布置形式”區域和“選擇散熱器組合形式及數量”區域會顯示出相應的選擇形式，隨后自動跳轉到相應層數。

對于這4層的散熱器，根據散熱器的放置方向（立置、平置）、風扇放置位置（上、下、左、右）和風向（吹風、吸風）3個因素隨機組合，形成共8種散熱器的放置方式，如表1所示，可供用戶自行選擇。

表1 散熱器的放置方式

例如單選立置-風扇右置-吹風模式，則散熱器的布置形式如圖6所示，單選平置-風扇上置-吸風模式，散熱器的布置形式如圖7所示。

圖6 立置-風扇右置-吹風

圖7 平置-風扇上置-吸風

對于每層的散熱器（最多容納5個），根據散熱器的數量和放置位置的不同，散熱器的組合方式共分為30種，其中包含1個散熱器的有1種，包含2個散熱器的有2種，包含3個散熱器的有6種，包含4個散熱器的有19種，包含5個散熱器的有2種，各種布置形式如圖8所示。

3.2.2 設計界面的初算界面

在完成第一界面的參數設置后，系統自動跳轉到“自主設計模式”初算界面，用戶可以對所有層數的每個散熱器輸入預期的設計參數，包括傳熱介質、散熱量、流量、入口溫度、出口溫度、初算密度、初算定壓比熱和修正系數，其中散熱量、流量、入口溫度和出口溫度中已知3個值就能計算出第4個值，當輸入參數不滿足已知3個時系統會報錯，提示用戶數據輸入有誤。根據選擇的流量單位不同，計算的回調函數也不同。

點擊“計算”按鈕將自動計算出第4個未知量，初算結果區域會得到相應散熱器的對數溫差和傳熱面積初算結果，如圖9所示。若初算結果和預期不一致，點擊“清除”按鈕可快速清空所有輸入框，如圖10所示。

圖10 清除界面

3.2.3 設計界面的第三界面

初算完成之后，進入正式計算界面，初算界面的選擇結果和計算結果將傳遞到本界面物理參數區域，并直接用于計算。

在結構參數中，按散熱器的組合形式逐一選擇每個散熱器的冷側和熱側的翅片組合形式，翅片材料、翅片高、節距、翅片寬、層數、翅片箔材厚度等。根據結構參數可以計算傳熱面積、流通面積、迎面面積、翅片切斷長等參數。

在物理參數區域中，運動黏度、介質導熱系數等參數已通過數據擬合得到相應計算公式，根據經驗公式可以計算阻力、f因子、芯體內阻力降、污垢熱阻、壁厚熱阻等參數，經驗公式已編入計算系統的回調函數中；根據計算公式可以計算雷諾數、傳熱系數、換熱量等參數。

點擊界面新建按鈕會自動跳轉到下一散熱器設計計算界面，若超出預定散熱器個數，界面將報錯，提示超出散熱器上限。計算過程為反復迭代過程，判定準則為輸入換熱量與計算換熱量的值相差在0.5%以內。當迭代完成后，保存按鈕可以將結果保存在數據庫中，導出按鈕可以將數據導出成EXCEL文件，方便用戶進行查看和檢查。生成結果顯示界面如圖11所示。

圖11 設計界面的第三界面

圖12 數據輸入界面

3.3 歷史數據查詢界面

用戶可以單選或多選查詢的方面（如外形結構、翅片選型、組合形式、散熱需求等），輸入查詢條件（按項目、按翅片結構、按組合形式等）進行查詢，生成符合條件的項目列表，點擊列表中的每一項，有具體的結果顯示。該功能將根據不同用戶設定不同的權限，內部用戶有查詢、修改、刪除和導出的權限，外部用戶在獲得內部用戶提供的臨時登錄賬號后，可進行查詢和導出數據。

3.4 數據輸入界面

用戶可以把已有的散熱器設計數據導入數據庫中，將散熱器數據保存下來。數據輸入有兩種模式，用戶可以點擊“打開”按鈕，按照設定模板從EXCEL批量導入數據，該方法快速便捷，但要求EXCEL中的數據按照模版存儲；若模板不能滿足要求，用戶也可以直接在表格中輸入需要的數據，點擊保存后數據將自動保存在數據庫中，并更新數據庫，便于歷史數據查詢。

4 結論

散熱器設計計算平臺利用MATLAB GUI ，將已有的迭代計算公式編寫為回調函數，使程序具有可讀性，然后通過參數的輸入、輸出，實現散熱器換熱特性和阻力特性的計算。該平臺的優勢如下。

基于MATLAB GUI實現散熱器計算的人機交互功能，界面簡潔，用戶能夠快速熟練地掌握使用方法，進一步提高工作效率。操作過程中設置了大量提示框和報錯框，用戶能更直觀地了解設計中的錯誤，便于及時改正、修復。清除按鈕和多種輸入方式的設計都為散熱器研究領域人員提供了方便簡單的參數輸入及結果輸出的友好操作界面。使用該平臺能縮短散熱器產品的研發周期、降低研發成本，具有一定實用價值和重要意義。

用戶可以根據產品需求自行設計散熱器的參數，在設計欄中輸入預設的產品數據，包括產品的外形尺寸、外觀結構、設計指標參數、實際試驗參數、散熱器產品芯體結構參數、傳熱面積、流通面積、計算和試驗所得J因子和f因子、傳熱系數K、冷邊和熱邊的流動阻力等。

利用散熱器設計計算平臺的設計計算模塊，可以用于散熱器新產品的設計開發，利用散熱器設計計算平臺的數據查詢模塊，可以對已有的產品各項數據進行查找，利用散熱器設計計算平臺的數據輸入模塊，可以作為換熱產品設計數據積累的存儲平臺。

在此平臺的基礎上，可以繼續根據不同的需求再增加特定的功能。例如與Pro/E連接繪制三維圖形，建立Pro/E的三維零件數據庫（包括翅片、封條、隔板、側板等），通過在平臺中設定的結構尺寸匹配三維數據庫中的零件，或是與Fluent連接進行仿真分析。