P2D模型的案例
“COMSOL多物理場耦合仿真技術與應用-鋰離子電池”篇
COMSOL 仿真基礎
1.1 數值仿真基本要素及其在 COMSOL 中的對應
1.1.1 模型參數與變量
1.1.2 物理場添加及電解條件設置
1.1.3 模型構建與網格劃分
1.1.4 求解器類型與設置
1.1.5 后處理及數據分析
1.2 COMSOL 中鋰離子電池接口介紹
1.2.1 電池基本物理過程及控制方程
1.2.2 常用電池邊界條件及初始條件
1.2.3 常用電池電極材料參數設置
2. 鋰離子電池 P2D 模型
2.1 P2D 模型的理解與分析
2.2 COMSOL 中電池 P2D 模型構建
2.2.1 模型參數輸入
2.2.2 模型構建及模型材料設置
2.2.3 電池物理方程及參數設置
2.2.4 網格劃分與求解器設置
2.3 電池典型充放電過程仿真及后處理技巧
3. 鋰離子電池電化學-熱耦合模型
3.1 P2D 電化學模型與電池熱模型耦合
3.2 電池集總參數模型及其與電池熱模型耦合
3.3 兩種電池電(化學)-熱耦合模型的區別及應用場景
3.4 圓柱形或方形鋰離子電池建模及仿真演示 (二選一)
4. 鋰離子電池衰退模型及仿真
4.1 COMSOL 中電池充放電循環仿真
4.1.1 電池充放電循環邊界條件設置
4.1.2 電池加速衰退設置
4.1.3 電池充放電循環仿真后處理技巧
4.2 鋰離子電池常見衰退現象及其數學描述
4.2.1 負極 SEI 膜增厚過程仿真
4.2.2 活性鋰損失計算
4.3 鋰離子電池衰退模型構建及仿真演示
5.
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針對電池熱管理提供了兩種模型，一種是RC模型，另一種是P2D模型。
電池的RC模型
RC模型是一種快速且準確的電池建模方法。這種方法不需要對電池的物理細節建模，通過組合簡單的電路元件近似電池的工作狀態及響應。通過采用開路電壓(OCV)并連接多個電阻和電容器的組合，可以有效預測實際電池隨時間的輸入和輸出功率以及熱生成響應。
電池的P2D模型
該模型基于物理方程，如固體中的電荷守恒方程、液體中的電荷守恒方程、Butler-Volmer方程、固體中的擴散方程和液體中的擴散方程，計算電池內部微觀尺度上的鋰濃度分布和電場。因此可以更精確地預測電池單元的行為，包括電池充電率、輸出電壓和發熱量。
熱失控仿真分析
對于熱失控而言，其仿真挑戰如下：
? 熱失控描述了一個因溫度升高而加速的過程，進而釋放能量，進一步提高溫度。
? 如果一個電池過熱，熔毀將擴散，并將持續到整個電池組被摧毀。
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此方法將電池結構分為可復制及不可復制部分單元，分別對其生成面網格，然后對可復制單元進行復制陣列操 作，處理好interface后，即可生成體網格； 此方法的好處在于：面網格生成速度更快，質量更高；針對復雜模型效率高
之前方法擬合過程需要使用TUI命令進行大量過程操作，工作量大且不直觀； 現方法通過GUI直接選取文件，擬合選項等，大大減少了用戶工作量； 注意：對于多溫度擬合過程需要對NTGK及HPPC數據格式進行修改（默認300K)，請聯系井文明獲取相關程序。
此方法適用于電池材料及電極級研究，比newman P2D模型簡單，可對電池反應過程中的微觀現象進行模擬仿真。
使用此模型，我們可以模擬電池電壓在不同充電/放電速率下SOC如何變化。
通用使用FMI接口，可實現fluent與第三 方軟件間的聯合仿真，如simulink, matlab, cosmol；前提是第三方軟件可將相應模型導出為FMI2.0格式的FMU文件，如上圖，以共軛傳熱為例，將第三方 FMU導入，實時將電池總熱功率導入到 fluent中作為源項，進行共軛傳熱計算。
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同時本人也在技術鄰平臺更新新能源動力電池熱管理仿真和設計課程如下
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</p><p>3） 電解質中鋰離子的傳質過程（包括擴散與遷移）</p><p>該過程不考慮對流傳質的情況，利用Nernst—Planck方程描述，擴散過程與濃度梯度與液相擴散系數有關，遷移過程則與液相電勢分布和濃度分布。</p><p>模型中遵從兩個守恒：電流守恒與物料守恒。</p><p>電流守恒是指總電流時時刻刻等于固相電流與液相電流之和，物料守恒則是指發生變化前后物質的總量不發生變化。</p><p>在有了上述基于電化學理論的P2D模型以后，我們就可以采用數值方法對以上過程進行求解。COMSOL</p><p>Multiphysics是一種多物理場耦合軟件，通過有限元法對問題進行求解。</p><p>（以上內容轉載至：<a href="https://zhuanlan.zhihu.com/p/28899186" rel="noopener noreferrer" target="_blank">https://zhuanlan.zhihu.com/p/28899186</a>，淺談基于COMSOL的鋰離子電池仿真）</p><p><br></p><p>本模型為5層鋰電池薄層并聯模型</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201908/c86cdf03a70a4d99bc3eec3a7a003dfc.png"></p><p>每個薄層 由 ： 正集流體-正極-隔膜-負極-負集流體 5個基本構件構成，構成一個完整運行電化學充放電的最小薄層。</p><p>之后將制作5個薄層， 每個薄層正集流體連接隔壁薄層的負集流體，完成5個薄層的串聯。</p><p>本模型采用全三維的 鋰電池模塊進行建模，其核心還是Doyle等提出的P2D模型理論。
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Cradle CFD 2023.2版本來了！該版本針對新能源汽車，電子領域以及多學科聯合仿真方面不斷改進并增加了許多實用模塊，以更進一步輔助用戶提升其設計、研究和制造生產能力。
在最新版本中，scFLOW與scSTREAM模塊經過持續發展更新，具有更加穩定的求解器，計算速度最多可以提升3倍，其前處理可以幫助入門級用戶建立復雜的模型以及生成高質量的網格。scFLOW模塊在前處理及分析方面增加、迭代更新了近15+功能應用，例如增強多相流分析功能、擴展相變功能、增強DEM功能、鋰電池中P2D模型及等效電路模型得到改進并支持各向異性導熱率。scSTREAM模塊也更新增加了多項功能，不僅改進了MARS 方法、按流體材料求解壓力方程的選項、也加強了拓撲優化等。
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</p><p>（以上內容轉載至：<a href="https://zhuanlan.zhihu.com/p/28899186" rel="noopener noreferrer" target="_blank">https://zhuanlan.zhihu.com/p/28899186</a>，淺談基于COMSOL的鋰離子電池仿真）</p><p><br></p><p>本模型為5層鋰電池薄層并聯模型</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201908/c86cdf03a70a4d99bc3eec3a7a003dfc.png" height="286" width="365"></p><p>每個薄層 由 ： 正集流體-正極-隔膜-負極-負集流體 5個基本構件構成，構成一個完整運行電化學充放電的最小薄層。</p><p>之后將制作5個薄層， 每個薄層正集流體連接隔壁薄層的負集流體，完成5個薄層的串聯。</p><p>本模型采用全三維的 鋰電池模塊進行建模，其核心還是Doyle等提出的P2D模型理論。
展開 汽車鋰電池熱失控與熱管理全新解決方案及新能源電控系統優化方案介紹【8月8日直播】
Cradle CFD軟件具備鋰電池的簡易平衡模型，同時還具備詳細電化學P2D模型，可以對單電池以及整體電池包進行熱仿真。針對電池熱失控問題，現有1D-3D耦合方法計算量大、輸入參數多、計算時間長等問題存在，Cradle CFD軟件開發了新的電池組的半經驗模型，可以給工程師提供高效的工作流程，快速計算開發出強大的鋰電池產品。
本期海克斯康直播講堂請到了流體仿真專家李晶博士為我們詳細講解鋰電池熱失控和熱管理全新解決方案，同時幫助用戶了解并結合機器學習優化新能源電控系統解決方案，最后傳遞IGBT等快速傳熱分析所用的BCI-ROM新方法，超多干貨，精彩不容錯過！
8月8日 14:00
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直播內容聚焦
?? 電池整體解決方案：
解決多尺度問題
解決多物理場問題
?? 電池熱安全解決方案；
?? BCI-ROM解決方案。
本場講師：李晶
?？怂箍礐FD仿真專家
日本大阪大學工程熱物理博士
具有20年以上的流體仿真工程經驗，廣泛了解國內外客戶對CFD仿真需求以及發展現狀，針對客戶的需求能提供有效、合理、針對性的流體解決方案，為客戶解決實際應用問題。
技術鄰簡介:
技術鄰專注于工科技術社區，從最早的CAE技術社區（中國CAE聯盟）發展而來，在CAE領域有20年的教學和咨詢服務經驗。
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Cradle CFD 2023.1發布要點
電池的P2D模型
該模型基于物理方程，如固體中的電荷守恒方程、液體中的電荷守恒方程、Butler-Volmer方程、固體中的擴散方程和液體中的擴散方程，計算電池內部微觀尺度上的鋰濃度分布和電場。因此，您可以 更精確地預測電池單元的行為，包括電池充電率、輸出電壓和發熱量。
通過動態負載平衡加強網絡自適應加密
在動態網格自適應加密中，由于網格劃分集中在一些MPI進程上，可能會導致計算成本的偏高，并行性能變差。動態負載平衡解決了分析過程中的這種偏差，提高了計算速度。左邊的卡門渦街的例子顯示計算時間減少了40%，而潰壩的例子顯示計算時間減少了60%。
拓撲優化的增強
通過這一改進，可以使用新的目標函數，如體積流量、平均表面溫度、速度、溫度或表面溫度的不均勻度。限制體積流量不僅對流量優化有用，而且對熱優化也有用，因為它可以根據各種熱源的布局實現多個出口之間的最佳流量分配。同時使用平均表面溫度和非均勻性值作為目標函數，一個作為主目標函數，另一個作為次目標函數，可以給你一個無最熱區域的最佳設計。下面的例子顯示了在考慮溫度和壓力最小化的情況下對散熱器的優化（上圖）與在目標函數中加入溫度均勻性的情況（下圖）。添加溫度均勻性的目標函數后，均勻性指數提高了4.5%。
增強HeatPathView的功能
這項改進允許你輸出一個CSV格式的文件，其中包括零件本身的位置和零件之間的接觸位置以及視圖因素。
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鋰離子電池 P2D 模型
2.1 P2D 模型的理解與分析
2.2 COMSOL 中電池 P2D 模型構建
2.2.1 模型參數輸入
2.2.2 模型構建及模型材料設置
2.2.3 電池物理方程及參數設置
2.2.4 網格劃分與求解器設置
2.3 電池典型充放電過程仿真及后處理技巧
第二天
上午
3.
展開 設計仿真 | Cradle CFD 2023.1新功能介紹
僅使用逆變器中的功率半導體、PCB、TIM和機箱的部分模型進行驗證，表明可以以非常小的誤差構建1D模型。
設計仿真 | 解讀 Cradle CFD 2024.1 新功能
顯著的生產力增強包括對彎曲幾何特征的自動網格細化、改進的邊界層網格創建、提高 CAD 操作速度以及為渦輪機械提取高效的單葉片通道模型。此版本還擴展了對 scFLOW 的 ARM 架構的支持。這些改進凸顯了我們致力于將復雜行為轉化為可操作的工程見解，更好的應對并解決現實世界的流體動力學和熱管理挑戰。
發布亮點
電池電化學增強功能
基于電化學方程的 P2D 模型現在支持三維網格。此功能可以與電池級電流分析相結合，并且可以在電池內部均勻地處理電池充電狀態變量。直接研究多個電池參數的影響，例如電極的厚度或標簽的位置及其對電池熱性能的影響。
新的用戶界面會自動分配局部坐標，以設置圓柱形各向異性導熱系數。此功能顯著提高了模塊級熱電池分析的生產率。
一種預測風扇噪聲的新方法
scFLOW2Actran 現在具有預測風扇噪聲的功能。根據流體計算的結果創建以環形排列的多個偶極子聲源，并從這些聲源預測風扇噪聲。
此功能的優點：
? 現在，風扇噪聲可以通過環形偶極子源方法進行預測，該方法使用一種平衡精度和成本的獨特方法。
? 存儲成本降低，因為聲源是根據 CFD 計算的葉片壓力創建為偶極子源的，并且可以通過將多個偶極子源排列在一個環中來解釋旋轉效應。
? 整個工作流程，從CFD和聲學網格劃分到源生成設置和求解器執行，都可以在單個用戶界面中執行，而無需離開scFLOW。
多 相 流
用于過冷沸騰的非平衡壁沸騰模型允許用戶模擬過渡沸騰和從壁到氣相的熱傳遞。非平衡壁沸騰模型提高了換熱器、散熱器和直接浸沒式冷卻系統熱性能的預測精度。
離散元法 （DEM）
擴展Edinburgh-Elasto-Plastic-Adhesion (EEPA) 模型已添加到我們的 DEM 功能中。
展開 
泰森多邊形-二維或者三維voronoi-通過批量嵌入cohesive模擬晶粒開裂
、全程親自教學、各種模型調試及解答問題等等，傾囊相教）</p><p><img src="http://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/themes/default/images/spacer.gif"></p><p><br></p>
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