COMSOL論文復(fù)現(xiàn)

平行流道液冷板對電池散熱性能的影響

作者：極度喜歡上課

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引言

? ? ? ? 目前共有四種主流的對電池進行冷卻的方法分別是1.空氣冷卻，2.冷卻液冷卻，3.相變材料（PCM）冷卻和4.熱管冷卻，為了加強散熱系統(tǒng)的冷卻效果往往會同時使用多種冷卻的方法，成為復(fù)合散熱冷卻。

1.空氣冷卻

? ? ? ? 空氣冷卻主要是指以空氣作為介質(zhì)進行熱交換從而對發(fā)熱體進行冷卻的方式。通過空氣的流動對發(fā)熱的電池組進行降溫處理，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便等優(yōu)點?？諝饫鋮s可分為自然對流冷卻和強制對流冷卻。自然對流冷卻是指利用空氣在受熱過程中自發(fā)的流動來達到冷卻的目的；強制對流冷卻是指利用風扇或?qū)ｉT設(shè)計的風管在特定空間內(nèi)形成相應(yīng)的氣流以達到冷卻的目的，兩者的區(qū)別就是空氣流動的速度即風速不同。由于空氣的比熱容較低，故空氣冷卻難以處理大量熱量其應(yīng)用具有一定的局限性。[1]

2. 冷卻液冷卻

? ? ? ? 冷卻液冷卻是指以液體冷卻介質(zhì)如水、礦物油、乙二醇、電介質(zhì)進行熱交換從而對發(fā)熱體進行冷卻的方式。由于冷卻液具有較高的換熱系數(shù)，與空氣冷卻相比，冷卻液冷卻可提供更好的熱交換能力。但由于冷卻液的密度和粘度比空氣大得多，對比空氣冷卻系統(tǒng)，冷卻液冷卻系統(tǒng)通常需要外接輸送能力更強的泵送裝置，因此質(zhì)量更大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。[1]

3. 相變材料（PCM）冷卻

? ? ? ? 相變材料（PCM）冷卻是指以相變材料作為介質(zhì)進行熱交換從而對發(fā)熱體進行冷卻的方式。根據(jù)相變材料的化學(xué)性質(zhì)，可分為無機、有機及復(fù)合相變材料。無機相變材料包括熔融鹽、水合鹽、金屬合金等。其中，水合鹽比較適用于中低溫儲能，但相變時易出現(xiàn)過冷和相分離問題。金屬合金比較適合中高溫儲能，但價格昂貴。熔融鹽的價格經(jīng)濟，且具較大的儲能密度。有機相變材料包括石蠟、脂肪酸、多元醇以及聚烯烴、聚多元醇等，其特點是無明顯相分離及過冷現(xiàn)象（有機糖醇類除外），腐蝕性小，但同時具有體積儲熱密度較小、熱導(dǎo)率低、易燃燒等問題。為了克服單一材料性能的不足，同時對材料進行封裝，可通過制備復(fù)合相變材料使材料的整體性能滿足應(yīng)用的需求。[1,2]

4.熱管冷卻

? ? ? ? 熱管冷卻是充分利用了熱傳導(dǎo)原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將熱源的熱量迅速傳遞到冷端。熱管具有更高的安全性，而且相比風冷、液冷、相變材料冷卻，熱管冷卻有著高效的散熱效率和散熱速度。由于熱管利用毛細力運輸工質(zhì)，所以極適合于零重力的工作環(huán)境，廣泛應(yīng)用于空間飛行器中。熱管可以進行遠距離傳送熱量，能夠在狹小的空間內(nèi)進行冷卻，其傳熱溫差小、傳熱量大。熱管冷卻也存在著一些問題，比如熱管的腐蝕，會影響到換熱能力，甚至是導(dǎo)致熱管內(nèi)部的液體泄露。[1,3]

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論文復(fù)現(xiàn)

? ? ? ? 結(jié)合具體的仿真和操作實際，下面本文對章嘉晶等人[4]于2021年所做的電池液冷模擬中的一組異側(cè)布置分配流道面積為1445平方毫米，上底與下底比例為3：7的工況進行了基本復(fù)現(xiàn)。為了對電池散熱進行更深入的研究，本文在所復(fù)現(xiàn)模型的基礎(chǔ)上加上了石蠟相變冷卻模塊，并將單一液冷和液冷加相變復(fù)合冷卻的結(jié)果進行了對比。

? ? ? ? 所復(fù)現(xiàn)的模型的幾何如圖1所示，具體的幾何尺寸由參考文獻提供，對于缺失的尺寸根據(jù)繪圖的實際情況取一個合理的值。

? ? ? ? 流道內(nèi)的工質(zhì)水，液冷板和電池的相關(guān)的物性參數(shù)如圖2所示。其中，環(huán)境溫度以及模型的初始值為300K，流道入口流速為0.03米每秒、溫度為300K，外部全部邊界與空氣存在對流換熱，換熱系數(shù)為1瓦每平方米乘開氏度，電池發(fā)熱功率為21.86W。

? ? ? ? 如圖3所示為第1200秒時，模型的溫度云圖與溫度等值面，從圖中可以看出模型的最高溫為304.301K，與所復(fù)現(xiàn)文獻的計算結(jié)果304.346K相近，誤差僅為0.015%。

? ? ? ? 如圖4所示為流道內(nèi)的速度分布和壓力分布情況，從圖中看出速度的最大值約為0.048米每秒，與所復(fù)現(xiàn)文獻的計算結(jié)果0.042米每秒相近，誤差為12.5%。

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復(fù)合冷卻模擬

? ? ? ? 在保持所復(fù)現(xiàn)模型的幾何尺寸和邊界條件的基礎(chǔ)上，在上下兩個液冷板端面加上一層厚度為4毫米的石蠟相變材料，如圖5所示為添加相變石蠟之后的幾何模型，如圖6所示為相變石蠟材料的相關(guān)物性參數(shù)。為了更直觀展示相變石蠟對散熱的促進效果，模型總共計算5000秒。

? ? ? ? 如圖7所示為第5000秒時，相變石蠟材料的融化情況，其中紅色部分為固態(tài)石蠟，藍色部分為液態(tài)石蠟。

? ? ? ? 如圖8所示為相變石蠟材料的液相率隨時間的變化情況。從圖中可以看出隨著電池的升溫，石蠟開始融化，在第5000s時液相率大概為24.2%左右。

? ? ? ? 如圖9所示，為單一液冷和液冷加相變復(fù)合冷卻時，電池最高溫的升溫情況。從圖中可以看出在單一液冷時，大概在1200秒是電池的溫度基本達到穩(wěn)定，維持在304.3K作用；當加入了相變材料采取復(fù)合冷卻的時候5000秒時電池的最高溫還未到達穩(wěn)定狀態(tài)，電池的溫度還在緩慢升高，最高溫度為303.3K左右。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)在電池持續(xù)工作5000秒的時段內(nèi)，石蠟相變材料能有效的減緩電池的升溫以及降低電池的最高溫度。

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結(jié)語

? ? ? ? 章嘉晶等人[4]于2021年所做的電池液冷模擬中的一組異側(cè)布置分配流道面積為1445平方毫米，上底與下底比例為3：7的工況進行了基本復(fù)現(xiàn)。為了對電池散熱進行更深入的研究，本文在所復(fù)現(xiàn)模型的基礎(chǔ)上加上了石蠟相變冷卻模塊，并將單一液冷和液冷加相變復(fù)合冷卻的結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明電池持續(xù)工作5000秒的時段內(nèi)，石蠟相變材料能有效的減緩電池的升溫以及降低電池的最高溫度。

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參考資料

[1]李龍,李科群,王學(xué)章.鋰電池散熱冷卻方式綜述[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2022,60（05）:80-84.

[2]姜竹,鄒博楊,叢琳,謝春萍,李傳,譙耕,趙彥琦,聶彬劍,張童童,葛志偉,馬鴻坤,金翼,李永亮,丁玉龍.儲熱技術(shù)研究進展與展望[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2022,11（09）:2746-2771.DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0538.

[3] https://zhuanlan.zhihu.com/p/442010054

[4]章嘉晶,張?zhí)m春.液冷板分配流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱性能影響研究[J].江蘇理工學(xué)院學(xué)報,2021,27（06）:79-88.DOI:10.19831/j.cnki.2095-7394.2021.06.009.