COMSOL淺談鋰電池的復(fù)合散熱（集總電池 相變 風(fēng)冷）
COMSOL淺談鋰電池的復(fù)合散熱
（集總電池 相變 風(fēng)冷）
作者：極度喜歡上課
（更多COMSOL學(xué)習(xí)視頻請(qǐng)大家關(guān)注B站：極度喜歡上課
合作請(qǐng)加QQ：2905126697）
一、引言
? ? ? ? 在之前寫(xiě)過(guò)的文章《COMSOL論文復(fù)現(xiàn) 平行流道液冷板對(duì)電池散熱性能的影響》[1]中有向各位同學(xué)介紹目前主流的電池散熱方法并對(duì)一篇小論文進(jìn)行完整復(fù)現(xiàn)，該文還配有一套完整的教學(xué)視頻[2]，歡迎研究相關(guān)方向的同學(xué)一起學(xué)習(xí)。
? ? ? ? 《COMSOL論文復(fù)現(xiàn) 平行流道液冷板對(duì)電池散熱性能的影響》[1]中的模型將電池假設(shè)成是一個(gè)固定功率的熱源，這種假設(shè)能大大的減少模型計(jì)算量以及降低模型的復(fù)雜程度，也能滿足大多數(shù)工況下的仿真分析需求，但在某些特定工況下計(jì)算出的結(jié)果確實(shí)也可能會(huì)和實(shí)際情況存在較大的偏差。因此本文采用COMSOL中的“集總電池”模塊，進(jìn)一步考慮電池的循環(huán)充放電特性，基于上一篇論文所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，建立一個(gè)全新的考慮風(fēng)冷和相變的鋰電池散熱基礎(chǔ)模型，并為了說(shuō)明相變材料對(duì)電池散熱的促進(jìn)效果還建立了一個(gè)只考慮風(fēng)冷的鋰電池散熱對(duì)照模型。
?
二、模型建立
? ? ? ? 本文模型采用的是常用的18650鋰電池，其具體參數(shù)來(lái)自COMSOL官網(wǎng)案例“圓柱形鋰離子電池?zé)峤?二維”[3]，具體的，考慮鋰電池7.5C放電倍率時(shí)的交流充放電工況，充放電循環(huán)時(shí)間為 600 s，隨后是松弛期 1500 s。本文模型采用COMSOL6.1進(jìn)行建模，其中考慮風(fēng)冷和相變的鋰電池散熱模型幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了盡可能減少模型的計(jì)算量，配合著“對(duì)稱(chēng)”邊界條件的使用，文中的模型沿著幾何對(duì)稱(chēng)軸取一半進(jìn)行仿真，其中模型中相變石蠟的物性參數(shù)如圖2所示。
?
圖1 風(fēng)冷和相變的鋰電池散熱模型幾何結(jié)構(gòu)圖
?
? ? ? ? 對(duì)照組的只考慮風(fēng)冷的鋰電池散熱模型幾何結(jié)構(gòu)如圖3所示，對(duì)比考慮風(fēng)冷和相變的鋰電池散熱模型，該模型除了沒(méi)有相變材料石蠟外，其他各項(xiàng)參數(shù)與考慮風(fēng)冷和相變的鋰電池散熱模型一致。
? ? ? ? COMSOL官網(wǎng)案例“圓柱形鋰離子電池?zé)峤?二維”[3]案例中的模型采用的是二維軸對(duì)稱(chēng)幾何進(jìn)行建模，而在本文中的鋰電池采用的是三維幾何進(jìn)行建模，因此在正式開(kāi)始本文建模之前要初步驗(yàn)證“三維鋰電池”的準(zhǔn)確性。按照COMSOL官網(wǎng)案例[3]的參數(shù)，本文建立了三維單個(gè)鋰電池的充放電發(fā)熱模型，如圖4所示展示了COMSOL官網(wǎng)二維軸對(duì)稱(chēng)模型與本文建立的三維模型的升溫曲線，從圖中可以看到兩個(gè)模型所得出的結(jié)果非常一致。
三、結(jié)果分析與討論
1. 考慮風(fēng)冷和相變的鋰電池散熱模型
? ? ? ? 如圖5所示，為模型的速度云圖。從圖中可以看出由于電池和相變材料阻礙了流道中空氣的流動(dòng)，因此流道中的最大流速接近0.34米每秒，從COMSOL的計(jì)算結(jié)果中還可以得知大約在15秒之后模型的流速就基本穩(wěn)定。
?
? ? ? ? 如圖6所示，為模型的流線圖，顏色圖例表示溫度。電池產(chǎn)生熱量，空氣的流動(dòng)帶動(dòng)熱量的傳播，從圖中可以看出在流域中溫度較高的位置集中在電池的背面。
?
? ? ? ? 如圖7所示，展示了相變材料隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出相變材料是從與電池接觸的部分開(kāi)始融化，因?yàn)檫@部分率先吸收電池的熱量，從圖4中可以看出由于1200秒之后電池基本不再產(chǎn)生熱量，因此1500秒至2000秒時(shí)相變材料重新凝固。
?
? ? ? ? 如圖8所示，為液相率隨時(shí)間的變化曲線圖。從圖中可以看出在0秒至500秒左右時(shí)液相率不變?yōu)?，在500秒至1500秒左右時(shí)液相率增至0.06左右，在1500秒至2100秒時(shí)液相率緩慢下降。在2100秒整個(gè)計(jì)算過(guò)程中由于液相率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1，因此此時(shí)的相變材料能完全滿足該工況下電池的散熱需求。
?
? ? ? ? 如圖9所示，展示了電池溫度隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出在0秒至600秒左右時(shí)電池溫度增加，在600秒之后電池的溫度變化幅度較小，其中電池溫度升溫最大值約為4.1K。
??
2. 只考慮風(fēng)冷的鋰電池散熱對(duì)照模型
? ? ? ? 如圖10所示，為模型的速度云圖。由于沒(méi)有相變材料，因此流道中空氣受到的阻礙減小，空氣流速的最大值約為2.9米每秒。
?
? ? ? ? 如圖11所示，為模型的流線圖，顏色圖例表示溫度。從圖中可以看出在流域中溫度較高的位置依然集中在電池的背面，最高溫約為310.4K，對(duì)比圖6約高出了8.8K。
?
? ? ? ? 如圖12所示，展示了電池溫度隨時(shí)間的變化情況。對(duì)比圖9，當(dāng)沒(méi)有相變材料時(shí)電池升溫最大值從原來(lái)的4.1K變?yōu)?3.2K左右，且電池溫度的變化幅度加劇。
?
四、結(jié)語(yǔ)
? ? ? ? 本文采用COMSOL中的“集總電池”模塊，進(jìn)一步考慮電池的循環(huán)充放電特性，建立一個(gè)全新的考慮風(fēng)冷和相變的鋰電池散熱基礎(chǔ)模型，并為了說(shuō)明相變材料對(duì)電池散熱的促進(jìn)效果還建立了一個(gè)只考慮風(fēng)冷的鋰電池散熱對(duì)照模型。從本文兩組模型的結(jié)果分析可得知，相變材料有利于緩解電池在發(fā)熱時(shí)的升溫情況，并且可以降低電池在工作中的溫度變化幅度。
?
?
?
參考資料
[1] COMSOL論文復(fù)現(xiàn) 平行流道液冷板對(duì)電池散熱性能的影響 - 嗶哩嗶哩 (bilibili.com)
[3] http://cn.comsol.com/model/thermal-modeling-of-a-cylindrical-lithium-ion-battery-in-2d-10221
