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COMSOL中相變能量樁段模型傳熱案例實操

請注意！仿真秀COMSOL流體和傳熱系列講座11月24日開講

12月22日20時-21時，筆者將繼續在仿真秀官網和APP帶來COMSOL流體和傳熱第三期講座《論文復現：平行流道液冷板對電池散熱性能的影響》詳情見后文，以下是正文。

一、主流電池冷卻方法

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

1、空氣冷卻

空氣冷卻主要是指以空氣作為介質進行熱交換從而對發熱體進行冷卻的方式。通過空氣的流動對發熱的電池組進行降溫處理，具有成本低、結構簡單、維護方便等優點。空氣冷卻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的流動來達到冷卻的目的；強制對流冷卻是指利用風扇或專門設計的風管在特定空間內形成相應的氣流以達到冷卻的目的，兩者的區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如水、礦物油、乙二醇、電介質進行熱交換從而對發熱體進行冷卻的方式。由于冷卻液具有較高的換熱系數，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，冷卻液冷卻系統通常需要外接輸送能力更強的泵送裝置，因此質量更大，結構更復雜。［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進行熱交換從而對發熱體進行冷卻的方式。根據相變材料的化學性質，可分為無機、有機及復合相變材料。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，可通過制備復合相變材料使材料的整體性能滿足應用的需求。［1，2］

4、熱管冷卻

熱管冷卻是充分利用了熱傳導原理與制冷介質的快速熱傳遞性質，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，所以極適合于零重力的工作環境，廣泛應用于空間飛行器中。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，甚至是導致熱管內部的液體泄露。［1，3］

二、論文復現

結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現。為了對電池散熱進行更深入的研究，本文在所復現模型的基礎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合冷卻的結果進行了對比。

所復現的模型的幾何如圖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繪圖的實際情況取一個合理的值。

圖1

流道內的工質水，液冷板和電池的相關的物性參數如圖2所示。其中，環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，換熱系數為1瓦每平方米乘開氏度，電池發熱功率為21.86W。

圖2

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，與所復現文獻的計算結果304.346K相近，誤差僅為0.015%。

圖3

如圖4所示為流道內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，與所復現文獻的計算結果0.042米每秒相近，誤差為12.5%。

圖4

三、復合冷卻模擬

在保持所復現模型的幾何尺寸和邊界條件的基礎上，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物性參數。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。

圖5

圖6

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石蠟，藍色部分為液態石蠟。

圖7

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。

圖 8

如圖9所示，為單一液冷和液冷加相變復合冷卻時，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定，維持在304.3K作用；當加入了相變材料采取復合冷卻的時候5000秒時電池的最高溫還未到達穩定狀態，電池的溫度還在緩慢升高，最高溫度為303.3K左右。通過對比，可以發現在電池持續工作5000秒的時段內，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。

圖9

四、結語

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現。為了對電池散熱進行更深入的研究，本文在所復現模型的基礎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合冷卻的結果進行了對比，結果表明電池持續工作5000秒的時段內，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。

審核編輯 ：李倩