基于COMSOL平行流道液冷板对电池散热性能的影响

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COMSOL中相变能量桩段模型传热案例实操

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12月22日20时-21时，笔者将继续在仿真秀官网和APP带来COMSOL流体和传热第三期讲座《论文复现：平行流道液冷板对电池散热性能的影响》详情见后文，以下是正文。

一、主流电池冷却方法

目前共有四种主流的对电池进行冷却的方法分别是空气冷却、冷却液冷却、相变材料（PCM）冷却和热管冷却。为了加强散热系统的冷却效果往往会同时使用多种冷却的方法，成为复合散热冷却。

1、空气冷却

空气冷却主要是指以空气作为介质进行热交换从而对发热体进行冷却的方式。通过空气的流动对发热的电池组进行降温处理，具有成本低、结构简单、维护方便等优点。空气冷却可分为自然对流冷却和强制对流冷却。自然对流冷却是指利用空气在受热过程中自发的流动来达到冷却的目的；强制对流冷却是指利用风扇或专门设计的风管在特定空间内形成相应的气流以达到冷却的目的，两者的区别就是空气流动的速度即风速不同。由于空气的比热容较低，故空气冷却难以处理大量热量其应用具有一定的局限性。［1］

2、冷却液冷却

冷却液冷却是指以液体冷却介质如水、矿物油、乙二醇、电介质进行热交换从而对发热体进行冷却的方式。由于冷却液具有较高的换热系数，与空气冷却相比，冷却液冷却可提供更好的热交换能力。但由于冷却液的密度和粘度比空气大得多，对比空气冷却系统，冷却液冷却系统通常需要外接输送能力更强的泵送装置，因此质量更大，结构更复杂。［1］

3、相变材料（PCM）冷却

相变材料（PCM）冷却是指以相变材料作为介质进行热交换从而对发热体进行冷却的方式。根据相变材料的化学性质，可分为无机、有机及复合相变材料。无机相变材料包括熔融盐、水合盐、金属合金等。其中，水合盐比较适用于中低温储能，但相变时易出现过冷和相分离问题。金属合金比较适合中高温储能，但价格昂贵。熔融盐的价格经济，且具较大的储能密度。有机相变材料包括石蜡、脂肪酸、多元醇以及聚烯烃、聚多元醇等，其特点是无明显相分离及过冷现象（有机糖醇类除外），腐蚀性小，但同时具有体积储热密度较小、热导率低、易燃烧等问题。为了克服单一材料性能的不足，同时对材料进行封装，可通过制备复合相变材料使材料的整体性能满足应用的需求。［1，2］

4、热管冷却

热管冷却是充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质，透过热管将热源的热量迅速传递到冷端。热管具有更高的安全性，而且相比风冷、液冷、相变材料冷却，热管冷却有着高效的散热效率和散热速度。由于热管利用毛细力运输工质，所以极适合于零重力的工作环境，广泛应用于空间飞行器中。热管可以进行远距离传送热量，能够在狭小的空间内进行冷却，其传热温差小、传热量大。热管冷却也存在着一些问题，比如热管的腐蚀，会影响到换热能力，甚至是导致热管内部的液体泄露。［1，3］

二、论文复现

结合具体的仿真和操作实际，下面本文对章嘉晶等人［4］于2021年所做的电池液冷模拟中的一组异侧布置分配流道面积为1445平方毫米，上底与下底比例为3：7的工况进行了基本复现。为了对电池散热进行更深入的研究，本文在所复现模型的基础上加上了石蜡相变冷却模块，并将单一液冷和液冷加相变复合冷却的结果进行了对比。

所复现的模型的几何如图1所示，具体的几何尺寸由参考文献提供，对于缺失的尺寸根据绘图的实际情况取一个合理的值。

图1

流道内的工质水，液冷板和电池的相关的物性参数如图2所示。其中，环境温度以及模型的初始值为300K，流道入口流速为0.03米每秒、温度为300K，外部全部边界与空气存在对流换热，换热系数为1瓦每平方米乘开氏度，电池发热功率为21.86W。

图2

如图3所示为第1200秒时，模型的温度云图与温度等值面，从图中可以看出模型的最高温为304.301K，与所复现文献的计算结果304.346K相近，误差仅为0.015%。

图3

如图4所示为流道内的速度分布和压力分布情况，从图中看出速度的最大值约为0.048米每秒，与所复现文献的计算结果0.042米每秒相近，误差为12.5%。

图4

三、复合冷却模拟

在保持所复现模型的几何尺寸和边界条件的基础上，在上下两个液冷板端面加上一层厚度为4毫米的石蜡相变材料，如图5所示为添加相变石蜡之后的几何模型，如图6所示为相变石蜡材料的相关物性参数。为了更直观展示相变石蜡对散热的促进效果，模型总共计算5000秒。

图5

图6

如图7所示为第5000秒时，相变石蜡材料的融化情况，其中红色部分为固态石蜡，蓝色部分为液态石蜡。

图7

如图8所示为相变石蜡材料的液相率随时间的变化情况。从图中可以看出随着电池的升温，石蜡开始融化，在第5000s时液相率大概为24.2%左右。

图 8

如图9所示，为单一液冷和液冷加相变复合冷却时，电池最高温的升温情况。从图中可以看出在单一液冷时，大概在1200秒是电池的温度基本达到稳定，维持在304.3K作用；当加入了相变材料采取复合冷却的时候5000秒时电池的最高温还未到达稳定状态，电池的温度还在缓慢升高，最高温度为303.3K左右。通过对比，可以发现在电池持续工作5000秒的时段内，石蜡相变材料能有效的减缓电池的升温以及降低电池的最高温度。

图9

四、结语

章嘉晶等人［4］于2021年所做的电池液冷模拟中的一组异侧布置分配流道面积为1445平方毫米，上底与下底比例为3：7的工况进行了基本复现。为了对电池散热进行更深入的研究，本文在所复现模型的基础上加上了石蜡相变冷却模块，并将单一液冷和液冷加相变复合冷却的结果进行了对比，结果表明电池持续工作5000秒的时段内，石蜡相变材料能有效的减缓电池的升温以及降低电池的最高温度。

审核编辑 ：李倩