COMSOL浅谈锂电池的复合散热（集总电池 相变 风冷）
COMSOL浅谈锂电池的复合散热
（集总电池 相变 风冷）
作者：极度喜欢上课
在之前写过的文章《COMSOL论文复现 平行流道液冷板对电池散热性能的影响》[1]中有向各位同学介绍目前主流的电池散热方法并对一篇小论文进行完整复现，该文还配有一套完整的教学视频[2]，欢迎研究相关方向的同学一起学习。《COMSOL论文复现 平行流道液冷板对电池散热性能的影响》[1]中的模型将电池假设成是一个固定功率的热源，这种假设能大大的减少模型计算量以及降低模型的复杂程度，也能满足大多数工况下的仿真分析需求，但在某些特定工况下计算出的结果确实也可能会和实际情况存在较大的偏差。因此本文采用COMSOL中的“集总电池”模块，进一步考虑电池的循环充放电特性，基于上一篇论文所总结的经验，建立一个全新的考虑风冷和相变的锂电池散热基础模型，并为了说明相变材料对电池散热的促进效果还建立了一个只考虑风冷的锂电池散热对照模型。本文模型采用的是常用的18650锂电池，其具体参数来自COMSOL官网案例“圆柱形锂离子电池热建模-二维”[3]，具体的，考虑锂电池7.5C放电倍率时的交流充放电工况，充放电循环时间为 600 s，随后是松弛期 1500 s。本文模型采用COMSOL6.1进行建模，其中考虑风冷和相变的锂电池散热模型几何结构如图1所示。为了尽可能减少模型的计算量，配合着“对称”边界条件的使用，文中的模型沿着几何对称轴取一半进行仿真，其中模型中相变石蜡的物性参数如图2所示。
对照组的只考虑风冷的锂电池散热模型几何结构如图3所示，对比考虑风冷和相变的锂电池散热模型，该模型除了没有相变材料石蜡外，其他各项参数与考虑风冷和相变的锂电池散热模型一致。
图3 风冷的锂电池散热模型几何结构图
COMSOL官网案例“圆柱形锂离子电池热建模-二维”[3]案例中的模型采用的是二维轴对称几何进行建模，而在本文中的锂电池采用的是三维几何进行建模，因此在正式开始本文建模之前要初步验证“三维锂电池”的准确性。按照COMSOL官网案例[3]的参数，本文建立了三维单个锂电池的充放电发热模型，如图4所示展示了COMSOL官网二维轴对称模型与本文建立的三维模型的升温曲线，从图中可以看到两个模型所得出的结果非常一致。
图4 升温曲线图
如图5所示，为模型的速度云图。从图中可以看出由于电池和相变材料阻碍了流道中空气的流动，因此流道中的最大流速接近0.34米每秒，从COMSOL的计算结果中还可以得知大约在15秒之后模型的流速就基本稳定。
图5 速度云图
如图6所示，为模型的流线图，颜色图例表示温度。电池产生热量，空气的流动带动热量的传播，从图中可以看出在流域中温度较高的位置集中在电池的背面。
图6 流线图
如图7所示，展示了相变材料随时间的变化情况。从图中可以看出相变材料是从与电池接触的部分开始融化，因为这部分率先吸收电池的热量，从图4中可以看出由于1200秒之后电池基本不再产生热量，因此1500秒至2000秒时相变材料重新凝固。
图7 相变云图如图8所示，为液相率随时间的变化曲线图。从图中可以看出在0秒至500秒左右时液相率不变为0，在500秒至1500秒左右时液相率增至0.06左右，在1500秒至2100秒时液相率缓慢下降。在2100秒整个计算过程中由于液相率远远低于1，因此此时的相变材料能完全满足该工况下电池的散热需求。
图8 液相率变化曲线图
如图9所示，展示了电池温度随时间的变化情况。从图中可以看出在0秒至600秒左右时电池温度增加，在600秒之后电池的温度变化幅度较小，其中电池温度升温最大值约为4.1K。
图9 电池温度变化曲线
如图10所示，为模型的速度云图。由于没有相变材料，因此流道中空气受到的阻碍减小，空气流速的最大值约为2.9米每秒。
图10 速度云图
如图11所示，为模型的流线图，颜色图例表示温度。从图中可以看出在流域中温度较高的位置依然集中在电池的背面，最高温约为310.4K，对比图6约高出了8.8K。
图11 流线图
如图12所示，展示了电池温度随时间的变化情况。对比图9，当没有相变材料时电池升温最大值从原来的4.1K变为13.2K左右，且电池温度的变化幅度加剧。
图12 电池温度变化曲线
本文采用COMSOL中的“集总电池”模块，进一步考虑电池的循环充放电特性，建立一个全新的考虑风冷和相变的锂电池散热基础模型，并为了说明相变材料对电池散热的促进效果还建立了一个只考虑风冷的锂电池散热对照模型。从本文两组模型的结果分析可得知，相变材料有利于缓解电池在发热时的升温情况，并且可以降低电池在工作中的温度变化幅度。
