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基于COMSOL锂离子动力电池包的边界结构优化作者：潘国强郭文亮韩念琛谢戈辉贾涛来源：《现代电子技术》2019年第02期关键词：锂电池; 电池包; 散热; 温度场; 流场; COMSOL中图分类号： TN13⁃34 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标识码： A ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文章編号：1004⁃373X（2019）02⁃0112⁃05Boundary structure optimization of lithium⁃ion power battery pack based on COMSOLPAN Guoqiang1， GUO Wenliang1， HAN Nianchen2， XIE Gehui1， JIA Tao3（1. School of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China;2. School of Chemistry and Chemical Engineering， Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024， China;3. School of Electrical Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024，China）Abstract： For the new equipment taking lithium⁃ion batteries as power sources， it is necessary to pay attention to the heat dissipation problem during the design process of the battery pack. Therefore， an appropriate air flow field model is analyzed and selected by conducting reasonable simplification for the structure model of the common battery pack. The computer simulation model is established by using the COMSOL. The different boundary structures of battery packs and heat dissipation performance of batteries in different flow field environments are simulated. Thepost⁃processing and data analysis of the simulation results are conducted. It is found that， when the air velocities of the inlet are equal， the battery pack with the wavy concave convex boundary has the advantages of small temperature difference between monomer batteries， large average air flow velocity around batteries， and good overall heat dissipation effect during the forced convection heat dissipation process in comparison with the battery pack with the flat straight boundary.Keywords： lithium⁃ion battery; battery pack; heat dissipation; temperature field; flow field; COMSOL随着近年来环境危机的产生，新能源和低排放变成了人们关注的焦点，以蓄电池为动力来源的工业产品受到了各个行业的重视。
锂离子电池教程下面介绍锂离子电池二维模型。
电池的几何可以是一个实验电池的一小部分，本节只演示如何建立二维模型。
实际的二维几何结构请参见绕带式锂离子电池的边效应案例，可以在电池和燃料电池App 库中找到。
模型定义下图显示了电池的几何结构。
由于沿着电池高度方向的对称性，因此三维几何可以使用二维横截面进行建模。
图中显示了正极和负极的位置，以及在放电过程中正负极集流体接触的位置。
在放电过程中，负集流体与电池外部的面接触(红色面，中下图)，而正集流体则位于该折叠结构的内部(蓝色面，中上图)。
建模的二维横截面以绿色显正极电解质负极 横截面负集流体 （放电）正集流体（放电）示(右图)。
下图显示二维电池几何结构。
放电过程中，正极为阴极，而与之接触的金属作为负集流体。
负极为阳极，与之接触的金属则作为正集流体。
模型定义并求解了锂离子电池中的电流和物质守恒。
使用粒子半径作为第四个因变量（x 、y 和 t 是其他三个变量)求解正极和负极的颗粒中的锂嵌入。
反应动力学和嵌入耦合到颗粒表面的质量守恒和电流守恒。
模型方程可以在电池和燃料电池用户指南 中找到。
本模型最初为加州大学伯克利分校的John Newman 及其合作者建立的一维仿真。
结果与讨论二维仿真的目的是表征在电极的不同位置放电深度的分布，以及放电深度随时间的演化。
放电深度的分布与正负集流体、电极与电解质的厚度，以及电极反应和传递属性等相关。
下图显示了正集流体经过200 A/m 2放电120 s 以后，电极中的颗粒表面上的锂浓度。
正极上的高浓度与电极上这些部分的局部放电深度成正比。
相反，负极上低浓度锂与电极局部放电深度成正比。
图中还显示了在相对正集流体的电极背面区域，放电过程中利用率较少。
不过，随着放电过程的延续，这些部分也负集流体正集流体正极负极1.3 mm会参与放电。
然而，对于电池的重复循环过程(充电和放电)，如果在循环使用过程中电极仅以中等程度放电，则电极的不同部分会发生非均匀老化。
基于电化学模型的锂空气电池仿真杜双龙;赖延清;贾明;程壮;艾立华;艾亮【摘要】Based on COMSOL simulation platform, a one-dimensional electrochemical model was established to study the effect of applied current density, oxygen concentration, diffusion of oxygen and lithium-ion on the performance of lithium air battery. The results show that the specific capacity reduces from 1256.4 mA?h/g to 139.2 mA?h/g with the applied current density increasing from 0.05 mA/cm2to 0.5 mA/cm2; and the specific capacity is improved from 371.2 mA?h/g to 1274.5 mA?h/g with the oxygen concentration increasing from 4.73 mol/m3to 18.92mol/m3when the applied current is set as 0.1mA/cm2. It is suggested that the specific capacity can be improved by increasing the oxygen concentration. The diffusion rate of oxygen is the rate-determining step during the discharge process. When the diffusion coefficient of oxygen increases from 3.5×10-10m2/s to 7×10-9m2/s, the specific capacity is improved from 373.0 mA?h/g to 2352.1 mA?h/g. The diffusion coefficient of Li+has almost no effect on the specific capacity.%基于COMSOL仿真平台,建立一维电化学模型,研究放电电流密度、氧气浓度、氧气扩散速率以及Li+扩散系数等因素对电池性能影响.结果表明:当放电电流密度从0.05 mA/cm2增大到0.5 mA/cm2时,锂空气电池的放电比容量由1256.4 mA?h/g下降到139.2 mA?h/g;在放电电流密度为0.1mA/cm2条件下,外界氧气浓度从4.73 mol/m3增加到18.92 mol/m3时,电池比容量从371.2 mA?h/g增加到1274.5 mA?h/g,表明提高外部环境的氧气浓度有助于提高电池比容量;氧气扩散速率为电池反应的速度控制步骤.当氧气扩散系数从3.5×10-10m2/s 提高到7×10-9m2/s时,电池的容量从373.0 mA?h/g增加到2352.1 mA?h/g;而提高Li+的扩散系数对电池的比容量几乎没有影响.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2018(028)006【总页数】8页(P1143-1150)【关键词】锂空气电池;电流密度;氧气浓度;扩散系数;数值仿真【作者】杜双龙;赖延清;贾明;程壮;艾立华;艾亮【作者单位】中南大学冶金与环境学院,长沙 410000;中南大学冶金与环境学院,长沙 410000;中南大学冶金与环境学院,长沙 410000;中南大学冶金与环境学院,长沙 410000;湖南艾华集团股份有限公司,益阳 413000;湖南艾华集团股份有限公司,益阳 413000【正文语种】中文【中图分类】TM911近几年电动汽车的发展受到了人们的广泛关注，但是受限于锂离子电池比容量的限制，电动汽车的续航里程仍远远低于内燃机车[1]。
基于comsol的仿真实验一、实验目的熟悉掌握COMSOL Multiphysics软件，通过3D有限元建模方法，建立铂电极-玻璃体-视网膜的分层电刺激模型。
深入研究电极如何影响电刺激效果，系统的分析了电极尺寸、电极到视网膜表面的距离等参数对视网膜电刺激的影响，为视网膜视觉假体刺激电极的刺激效果提供指导意义，进一步优化电刺激效果，达到提高人工视觉的修复效果。
二、实验仪器设备计算机，COMSOL Multiphysics软件三、实验原理影响视网膜电刺激效果的因素有许多：电极尺寸、电极距视网膜距离、电极形状、电极排列等，这里主要从电极尺寸，电极距视网膜距离来探讨。
视网膜电刺激模型通过参考视网膜解剖结构构建，电刺激的有效响应区域取决于神经节细胞层（GCL）电场强度是否大于1000V/m，当大于该值时认为该区域神经节细胞能够兴奋，进而指导电极尺寸、电极距视网膜距离的参数。
四、实验内容根据视网膜的解剖结构来构建相应的视网膜分层模型，模型总共分为8层：玻璃体层，神经节细胞层，内网状层，内核层，外网状层，外核层，视网膜下区域，色素上皮层，脉络膜及巩膜。
根据视网膜各层的导电特性来设定相应的导电率，模型构建，设置边界条件。
在电极处施加相应电流刺激，规定神经节细胞层（GCL）电场强度（>1000V/m）时认为能够引起视神经细胞兴奋，在确定的电流强度下，神经节细胞层（GCL）层电场强度大于1000V/m的区域认为有效响应区域，进而判断电极刺激的有效响应区域，指导电极尺寸r和电极距视网膜距离h等参数设置。
其具体实验步骤如下所示：1、根据视网膜的解剖特性构建视网膜分层模型。
模型在三维模式下电磁场子目录下的传导介质DC场下建立。
进入建模窗口后，在绘图栏下设置模型为圆柱体，输入各部分的长宽高数值，轴基准点为圆柱体的圆心坐标。
模型分为9层（11个求解域），其示图如下：图1 视网膜分层模型2、模型建好后，在菜单栏下的物理量里面选择求解域设定，对示图的11个求解域进行设定传导率，如图2所示，其中每一层的电导率情况参考于视网膜导电特性。
第３８卷第５期 计算机应用与软件Ｖｏｌ ３８Ｎｏ．５２０２１年５月 ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅＭａｙ２０２１基于ＣＯＭＳＯＬ的流注头部分叉过程仿真与分析朱毅佳１ 朱 武１ 张佳民２１（上海电力大学电子与信息工程学院 上海２０００９０）２（上海电力大学自动化工程学院 上海２０００９０）收稿日期：２０１９－０９－０４。
朱毅佳，硕士生，主研领域：等离子体实验仿真与分析。
朱武，教授。
张佳民，副教授。
摘 要 为了探究流注放电过程中初始电离区域形状对流注发展的影响，使用ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ软件对板板间隙为１０ｍｍ的流注放电过程进行二维模拟。
仿真结果表明，在标准大气压下，初始电离区域形状的改变会对流注的时空发展特性产生影响。
流注的发展速率随着分布位置间隔的增大而降低，流注通道出现明显的分叉现象。
根据初始电离区域形状不规则性提出一种包络面轮廓指示法，通过识别与特定电子密度相关的指示轮廓线，对流注放电的头部分叉情况做出预测。
关键词 流注放电 高斯分布 ＣＯＭＳＯＬ 初始电离区域 头部分叉中图分类号 ＴＰ３９１．９ 文献标志码 Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００ ３８６ｘ．２０２１．０５．０１４ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＡＮＤＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＳＴＲＥＡＭＥＲＤＩＳＣＨＡＲＧＥＳＦＲＯＮＴＳＰＬＩＴＴＩＮＧＰＲＯＣＥＳＳＢＡＳＥＤＯＮＣＯＭＳＯＬＺｈｕＹｉｊｉａ１ ＺｈｕＷｕ１ ＺｈａｎｇＪｉａｍｉｎ２１（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９０，Ｃｈｉｎａ）２（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｎｉｔｉａｌｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｚｏｎｅｓｈａｐｅｏｎｔｈｅｓｔｒｅａｍｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｓｔｒｅａｍｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｐｒｏｃｅｓｓ，ａｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅａｍｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎ１０ｍｍｐｌａｔｅ ｐｌａｔｅｇａｐｉｓｍａｄｅｂｙＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｚｏｎｅｓｈａｐｅａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｓｐａｔｉａｌ ｔｅｍｐｏｒａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔｒｅａｍｅｒａｔｓｔａｎｄａｒｄａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｒａｔｅｏｆｓｔｒｅａｍｅｒｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｅｒｖａｌ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅａｍｅｒｃｈａｎｎｅｌａｐｐｅａｒｓｏｂｖｉｏｕｓｂｒａｎｃｈｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙｏｆｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｚｏｎｅｓｈａｐｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｐｒｏｆｉｌｅ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｍｅｔｈｏｄ．Ｂｙｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｂｏｒｄｅｒｌｉｎｅｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｎｓｉｔｙ，ｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｅａｍｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｆｒｏｎｔｓｐｌｉｔｔｉｎｇｉｓｍａｄｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｔｒｅａｍｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｇａｕｓｓｉａｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ＣＯＭＳＯＬ Ｉｎｉｔｉａｌｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｚｏｎｅ Ｆｒｏｎｔｓｐｌｉｔｔｉｎｇ０ 引 言随着我国特高压输电工程的深入开展，电压等级不断升高，高压设备空气间隙放电极易发生，对电网的安全、稳定运行构成潜在的危害。
2021.11科学技术创新基于COMSOL Multiphysics 的橙子电池电化学模拟张建刚（国网四川省电力公司凉山供电公司，四川西昌615000）水果电池由伦敦钟表修理工、业余电源研究爱好者东安尼·阿希尔发现的，他把导线的一端接在插进柠檬里的一块铜片和一块锌片上，另外一端接在电动台钟的发动机上，由此获得了水果电源[1]。
水果电池属于原电池中的一种，水果的种类、电极的种类、电极插入的深度以及电极间的距离等方面都会对水果电池的电压产生影响[2-3]。
电化学研究方法较多，利用极化曲线研究电极过程是一种常用的研究方法[4]。
极化曲线是电流密度与电势的关系曲线，通过极化曲线可了解电势随电流密度的变化规律，进而得到电极电位与电化学反应速度的关系[5]。
本文基于COMSOL Multiphysics 建立一种橙子电池的电化学模型，其中模拟了橙子和两根金属棒构成的化学电池；通过改变金属棒的半径，研究了橙子电池的电化学模型极化图、电池电位图的变化趋势；以及通过观察电流密度矢量图，得出了金属棒半径越小，金属棒的腐蚀速率越慢；且电流密度越高,电池释放热量越多的结论。
1模型的建立图1橙子电池的示意图在此模型中，如图1所示：③表示橙子，其内部的电解质为柠檬酸及各类其它离子；①表示锌棒，作为原电池一极，且设定为电池电位以满足总电流条件；②表示铜棒，作为原电池另外一极，且设定为接地；由此组成一个原电池，本模型基于能斯特方程，电解质电流根据欧姆定律进行求解。
锌棒用作其中一个电极，发生如下的电极反应：(1)铜棒用作另外一个电极，假定会发生析氢反应：(2)上述方程中，E eq .0为标准条件下，相对于标准氢电极的平衡电位。
2控制方程Bulter-Volmer 动力学方程描述了嵌入橙子的锌棒表面发生的电极动力学[6]，方程如下：(3)(4)(5)c s ，m ax 为锌离子最大浓度，η为电极过电位；U 为开路电压，与锌离子浓度有关。
0 引言
电子源即可以获得电子束的装置。
电子源诸多重要应用领域，如高压整流管，X 射线源，显示器，高温电子设备等等。
电子源按照电子获得方式分为四类：热电子发射、光电子发射、二次电子发射、场致电子发射[1]。
早期电子器件中的电子源多采用热电子发射的方式，把物体加热到足够高的温度，当阴极温度升高，阴极材料内部电子获得足够大的能量后，便克服功函数从阴极表面溢出，实现热电子发射。
但是热电子发射存在固有缺陷，一是，电子源需要加热以使电子获得足够的能量进入真空；二是，热阴极的最大电流密度的极限值比较低。
克服上述不足，可利用场致发射取代热电子发射，构
造新型的冷阴极电子源。
所谓场发射，是指在物体表面施加强电场来抑制其表面势垒，使物体内的电子穿过表面势垒并溢出。
即利用外部电场来压抑阴极的表面势垒，使其势垒高度降低、宽度变窄，当其势垒宽体与电子波长相当时，由于电子的隧道效应，阴极内大量电子穿过阴极表面势垒逸出，即在真空中形成场致电子发射[2]。
场发射电子源作为新型电子源，具有发射电流密度大，单色幸好，稳定性好，零时间延迟的特点，在平板显示器、微波放大器、X 射线管、离子推进器等电子器件中有很好的应用前景，因此场发射电子源极具研究应用价值[3-4]。
但是场发射电子源对真空度有比较严格的要求，需要超高真空度，例如利用场发射电子源作
Abstract:The degree of vacuum in a vacuum system is an important indicator of the performance of a vacuum system� In an electron source vacuum system, electron beam bombardment of the electrode structure causes outgassing, which may cause the degree of vacuum in the vacuum chamber to decrease, affecting the emission performance of the electron source�In this dissertation, the comsol molecular flow simulation was used to design the structure of the gate electrode in the vacuum system of the electron source so that the electron emission was minimized when the electron beam was bombarded� In this paper, three-dimensional molecular flow modeling was performed on the four types of control electrode (V-shape, one-line shape, cone-shaped electrode, and one-line updraft), and the pressures at the electron source after the different control electrode structures exited were calculated and normalized� The data simulation results show that the normalized pressure near electron source of the one-line structure is stronger than the normalized pressure value of cone-shapedstructure, followed by the normalized pressure value of the upper one-shaped structure, and the normalized pressure nearelectron sourceof the V-shaped structure has the minimum value� The conclusion can be obtained is that, compared to changing the structure of the control electrode (a fontstructure becomes a cone or a V-shapestructure), the effect of the distance between Lead-out electrodeand the control electrode on the effect of gas outlet is more obvious� The preliminary results of this study can provide a reference for the structural design of vacuum systems such as electron sources�Key words :Vacuum;comsol molecular flow simulation; vacuum system;gas outlet;electrode
基金项目：本研究受到国家自然科学基金青年基金项目的资助，项目编号：51505440。
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COMSOL Multiphysics 是一款高级有限元数值仿真分析软
图1 四种建模结构的简单示意图
图2 电极结构分子流仿真计算得到的抽气泵处的压强值
对上述模型计算，计算不同控制极结构出气与真空泵抽气达到平衡状态后电子源处的压强，得到不同控制极结构出气后在电子源处的压强数据，以抽气泵抽气面作为基准对电子源所在面的压强值进行归一化处理，仿真计算四种结构的电子源发射面处压强的分布，结果如图2所示。
图2（A）-图2（D）分别是V 字形电极，上提一字形，V 字形电极，一字形，四种电极结构的电子源处压强数值。
图3是对具体数值做了柱状分析图，从图3中可以看出，V 字型控制极的电子源处压强值最小，其次是上提一字形，再次是锥形，最大是一字型。
一字形电极结构电子源处压强最大说明一字形控制极的出气量比较大，主要是因为一字形控制极为平面结构，导致电子束打在平面上的量较多，造成出气较多，且出气面离电子源较近，不利于出气后气体的扩散，减弱了抽气泵的作用。
而上提一字形由于控制极与电子源的距离较远，使气体有相对大的空间扩散，降低了电子源处的压强。
V 字形电极和锥形电极也是由于结构的原因导致控制极与电子源的距离变远，相对于一字形电极电子源处的压强有所减小。
总结，可见控制极为一字形时因电子轰击导致的出气对电子源处压强的影响最大，在设计时应当将控制极改为锥形或者V 字型，具体应参考工程实现的难易程度，综合考量。
近一步分析，相比于改变控制极结构（一字形变成锥形或者V 字形），拉远引出极与控制极的距离对轰击出气的改进效果效果更明显。
2 结论
本论文设计了四种电子源真空系统中的控制极电极结构，利用comsol 分子流建模仿真，使电极在电子束遭受轰击时出气量
图3 四种结构压强归一化数据
A 是V 字形电极，
B 是上提一字形，
C 是锥型，
D 是一字形。
参考文献
[1]邓少芝等.冷阴极电子源在微波器件上的应用[J].中山大学
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作者简介
罗婷婷（1986--），女，山东省枣庄市人，博士研究生，2014年毕
业于中国科学技术大学精密仪器系，主要从事X 射线成像设备的测试计量技术研究。
