电池与燃料电池模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本为“电池与燃料电池模块”的用户新增了一个锂离子电池设计的 App 示例、一个新的 Baker-Verbrugge 扩散模型,以及两个新的电池教程。请阅读以下内容,进一步了解电池与燃料电池的功能更新。

新增示例 App:电池设计器

新的“电池设计器” App 可以充当设计工具,用来开发并优化电池设计,它可以计算容量、能量效率、产生的热量,以及由于锂离子电池在特定负载周期的寄生反应引起的容量损失。您可以在 App 中控制各种电池设计参数,例如:电池罐的几何尺寸;不同组件(隔板、集流体和电极)的厚度;正极材料以及多孔材料不同相的体积分数。负载循环是使用恒流负载的充放电循环,在充电和放电阶段可能会有所不同。该 App 还可以根据生成的热量和热质量计算电池温度(假设电池内部温度均匀),其中使用环境温度参数和传热系数来定义冷却。

COMSOL Multiphysics 5.3a 版本中新增的“电池设计器”演示 App。 “电池设计器”App 的用户界面。 “电池设计器”App 的用户界面。

案例库路径:
Batteries_&_Fuel_Cells_Module/Applications/li_battery_designer

自由和多孔介质流动接口的功能改进

在新版的自由和多孔介质流动 接口中,您可以将自由层流或自由湍流与多孔介质流动进行耦合。此接口仍然是支持与电化学接口相耦合的唯一接口,耦合接口可用于多孔电极建模。

Kozeny-Carman 渗透率模型

COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本的达西定律 接口中新增了 Kozeny-Carman 渗透率模型,可供您基于孔隙率和粒子直径来估计颗粒介质的渗透率。

粒子插层节点中新增的扩散模型

锂离子电池 接口和二元电解质电池 接口中新增了 Baker-Verbrugge 扩散模型,基于插层反应的平衡电位对电极粒子扩散系数进行修正。总的来说,Baker-Verbrugge 模型更有利于捕捉荷电状态相关的传输速率和成阶现象。

锂离子电池电极的粒子浓度图。 锂离子电池电极的粒子浓度分布曲线。本例通过 Baker-Verbrugge 扩散模型揭示了浓度在 9000 到 11000 mol/m3 之间表现出明显的“分级”效应。 锂离子电池电极的粒子浓度分布曲线。本例通过 Baker-Verbrugge 扩散模型揭示了浓度在 9000 到 11000 mol/m3 之间表现出明显的“分级”效应。

案例库路径:
Batteries_&_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/li_battery_multiple_materials_1d

新增教学案例:异构锂电池

高精度电池建模的最新趋势是,在非均质模型中,详细地模拟多孔电极的结构。新增的教程模拟了一个三维理想化几何的锂离子单电池特性,其中的几何模仿了多孔电极的结构细节,通常此类模型称为非均质模型。与通常用来描述多孔电极的均质方法不同的是,非均质模型描述了孔隙电解质和电极粒子的实际形状。该模型还能与结构力学进行耦合,计算粒子中的 von Mises 应力。这些应力可用于计算周期疲劳,并由此估计由该周期产生的裂纹引起的电池性能损耗。锂离子电池 接口中的电极反应 节点进行了更新,新增了该教学案例中使用的“锂插入反应”动力学类型。

注:此模型还需要“结构力学模块”。

模拟异构锂离子电池的 COMSOL 模型。 电极粒子浓度分布。来自“电池与燃料电池”案例库的“异构锂离子电池”教程。 电极粒子浓度分布。来自“电池与燃料电池”案例库的“异构锂离子电池”教程。

案例库路径:
Batteries_&_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/heterogeneous_li_battery

新增教学案例:集总锂电池参数估计

这一新的教学案例采用“黑匣子”方法,基于一小组集总参数来定义电池模型,其中假设电池的内部结构、电池电极的设计和材料的选择均属未知。模型输入包括电池容量、初始荷电状态 (SOC),以及开路电压 vs. 荷电状态曲线,以及来自负载循环实验的实验数据。集总参数的参数估计通过优化 接口完成。

注:此模型还需要“优化模块”。


案例库路径:
Batteries_&_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/lumped_li_battery_parameter_estimation