abaqus鋰電池仿真的案例
COMSOL鋰電池技術(shù)仿真與應(yīng)用(九)鋰電池電-熱-力-相全耦合模型搭建與應(yīng)用
紐曼模型框架
紐曼模型（Newman model）是用于描述鋰離子電池內(nèi)部電化學(xué)和傳輸過程的一種數(shù)學(xué)模型。該模型以電池的正負(fù)極為基礎(chǔ)，通過一組偏微分方程來描述電池內(nèi)部的電流、電壓和鋰離子濃度分布等關(guān)鍵參數(shù)。這個模型的主要目標(biāo)是理解電池的性能和響應(yīng)，以優(yōu)化電池設(shè)計和管理。
以下是紐曼模型中的主要元素和方程：
電極反應(yīng)：模型考慮了正負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)。在正極，鋰離子從電解質(zhì)中遷移到正極材料，發(fā)生氧化反應(yīng)。在負(fù)極，鋰離子從正極材料脫嵌并進(jìn)入負(fù)極材料，發(fā)生還原反應(yīng)。
擴(kuò)散：模型考慮了鋰離子在電解質(zhì)中的擴(kuò)散過程，其中Fick's第一定律用于描述鋰離子濃度梯度對擴(kuò)散速度的影響。這包括正極和負(fù)極內(nèi)的擴(kuò)散。
電解質(zhì)導(dǎo)電性：模型考慮了電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性，其中Ohm's Law用于描述電流與電場強(qiáng)度之間的關(guān)系。這部分描述了電池中的電流分布。
極化：模型還包括了由于電池材料的不完美和非均勻性而導(dǎo)致的極化效應(yīng)。這些效應(yīng)包括極化電阻、濃差極化等，會影響電池的性能和響應(yīng)。
紐曼模型的具體數(shù)學(xué)方程因電池類型和設(shè)計而異，通常需要進(jìn)行一些假設(shè)和簡化來使問題變得可行。紐曼模型中將復(fù)雜的電化學(xué)行為分為兩個相，液態(tài)電解質(zhì)相和固態(tài)電極相，共由五個微分方程組成。這五個微分方程的作用示意圖如下。
展開 鋰電池仿真熱失控仿真解決方案
本文主要分享公司某工程師關(guān)于鋰電池仿真、熱失控仿真解決方案。
本案例模型及相關(guān)操作，請與我溝通交流。
鋰離子電池的仿真模擬
以下綜述展示了針對鋰電池組件的仿真模擬實例，包括了陽極/陰極/電解質(zhì)和制造過程。本文主要使用SIESTA(第一性原理計算引擎)，介紹了在全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)中插入鋰離子到陰極/陽極以及鋰離子擴(kuò)散所引起的物理性質(zhì)變化的實例。
1．用作陽極的石墨和非晶硅吸收和解吸鋰離子而引起的體積膨脹與收縮、彈性模量和電子態(tài)密度的變化。
2．評估用作陰極的LiCoO2的體積模量。
3．評估鋰離子在固體電解質(zhì) LiZr2(PO4)3 (LZP) 中的擴(kuò)散系數(shù)。
4．評估溶解鋰鹽的溶劑的相對介電常數(shù)。
5．電極漿料涂覆
圖 1 固體電解質(zhì) LZP 結(jié)構(gòu)（左）和不同溫度下擴(kuò)散系數(shù)的 Arrhenius 圖（右）
圖 2：用于陽極的石墨（左）和吸附鋰的 LiC6（右）之間的電子態(tài)密度差異
隨著全固態(tài)電池的商業(yè)化快速發(fā)展，電動汽車電池的研究和開發(fā)正轉(zhuǎn)向探索更多材料的可能性。因此，從探索各種材料（包括所有固態(tài)電解質(zhì)）的角度來看，人們對材料模擬的期望越來越高。欲獲取全文鏈接，請與我們聯(lián)系。
展開 鋰離子電池膨脹仿真
大多數(shù)鋰離子電池模型都利用了多孔電極的均質(zhì)域公式，同時求解同一域中的電極相電位和電解質(zhì)相電位，并通過使用源項來定義電極反應(yīng)。在這些模型中，使用額外維度模擬鋰擴(kuò)散到固體電極粒子中，該維度表示電極中某一特定位置的平均粒子。在計算量相對較小時，這種建模方法具有很大優(yōu)勢，大多數(shù)模型都可以僅用一維公式來表示電極厚度 （加上用于定義粒子擴(kuò)散維度的額外維度）。但是，使用上述方法無法捕捉到某些現(xiàn)象。例如，上述粒子擴(kuò)散模型本質(zhì)上假定為笛卡爾對稱、圓柱形對稱或球形對稱，因此不允許模擬非常規(guī)粒子形狀的影響，也不允許模擬微觀和宏觀孔隙分布的影響。如果不對多孔電極執(zhí)行均質(zhì)化處理，而是在模型幾何中包含多孔電極的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。這種模型稱為異構(gòu)模型。本節(jié)描述使用三維幾何模擬的鋰離子單電池的特性，模型來自于層析成像數(shù)據(jù)，此模型可更真實的模擬電極狀態(tài)。在異構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，還可以將粒子中的鋰濃度分布與 “固體力學(xué)”接口中相應(yīng)的體積膨脹以及由此產(chǎn)生的 von Mises 應(yīng)力進(jìn)行耦合，研究充放電此過程中鋰離子脫嵌導(dǎo)致的電芯膨脹。
展開 
仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對流換熱系數(shù)仿真估算
仿真模型
導(dǎo)語
據(jù)悉，為研究鋰離子電池熱特性機(jī)理，針對電池表面自然對流換熱系數(shù)展開研究，通過實驗得到了電池基本生熱參數(shù)并以此建立了單體鋰離子電池生熱模型，仿真分析了恒溫條件下不同放電電流的表面自然對流換熱系數(shù)。
鋰離子電池因其高比能量特性而被廣泛應(yīng)用于電動乘用車輛，其使用壽命受到自放電率、溫度等因素的制約。
研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池舒適溫度需要控制在20~35 ℃之間，溫度過高時，其不可逆反應(yīng)加劇容易產(chǎn)生自放電、熱失控等安全事故；溫度過低，則會使其容量和功率發(fā)生明顯下降。
因此，為了改善電動汽車單電池及電池成組后的安全性能，需建立較精確熱仿真模型，以此來預(yù)測動力鋰離子電池內(nèi)部溫度分布狀況及熱傳遞過程，從而精確分析出鋰離子電池熱失控因素。
01
導(dǎo)讀
目前，國內(nèi)外均針對鋰離子電池熱模型和熱行為進(jìn)行了相關(guān)研究。早期美國D.Bernardi等[1]通過研究電池溫度特性提出了電池生熱率模型，之后通過研究人員的不斷發(fā)展研究，鋰離子電池熱模型已經(jīng)呈現(xiàn)多維度趨勢發(fā)展；
Chen等[2]通過研究電池三維分層電化學(xué)-熱耦合模型仿真驗證了單體電池和成組電池包溫度分布的真實性；Lopez等[3]通過熱濫用模型實驗驗證了圓柱電池熱響應(yīng)能力比棱柱電池小；Chacko等[4]將電-熱模型應(yīng)用到恒流勻速和變電流工況中，研究發(fā)現(xiàn)變電流對電池溫升影響較高。
本文在前人研究基礎(chǔ)上，突破傳統(tǒng)仿真中將對流換熱系數(shù)、電壓溫度系數(shù)設(shè)定為常數(shù)，通過變化的電壓溫度系數(shù)來估算對流換熱系數(shù)，以此來達(dá)到更高的溫度仿真精度。
展開 卷繞鋰離子電池仿真
為了詳細(xì)研究卷繞電芯充放電過程中的溫度場分布，電流密度分布，析鋰電位分布等特征，建立了1：1全三維電化學(xué)-熱偶合模型，通過分析發(fā)現(xiàn)，卷繞電芯側(cè)邊析鋰電位分差異較大，原因是側(cè)邊的卷繞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致NP比發(fā)生變化，當(dāng)電芯充電時，NP比小的一側(cè)極易析鋰，通過此模型可以解釋邊緣析鋰問題。由于模型采用全三維結(jié)構(gòu)，可以對電芯過流能力、電位分布等進(jìn)行準(zhǔn)確分析。
鋰離子電池的仿真模擬
鋰離子電池的仿真模擬
以下綜述展示了針對鋰電池組件的仿真模擬實例，包括了陽極/陰極/電解質(zhì)和制造過程。本文主要使用SIESTA(第一性原理計算引擎)，介紹了在全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)中插入鋰離子到陰極/陽極以及鋰離子擴(kuò)散所引起的物理性質(zhì)變化的實例。
1．用作陽極的石墨和非晶硅吸收和解吸鋰離子而引起的體積膨脹與收縮、彈性模量和電子態(tài)密度的變化。
2．評估用作陰極的LiCoO2的體積模量。
3．評估鋰離子在固體電解質(zhì) LiZr2(PO4)3 (LZP) 中的擴(kuò)散系數(shù)。
4．評估溶解鋰鹽的溶劑的相對介電常數(shù)。
5．電極漿料涂覆
圖 1 固體電解質(zhì) LZP 結(jié)構(gòu)（左）和不同溫度下擴(kuò)散系數(shù)的 Arrhenius 圖（右）
圖 2：用于陽極的石墨（左）和吸附鋰的 LiC6（右）之間的電子態(tài)密度差異
隨著全固態(tài)電池的商業(yè)化快速發(fā)展，電動汽車電池的研究和開發(fā)正轉(zhuǎn)向探索更多材料的可能性。因此，從探索各種材料（包括所有固態(tài)電解質(zhì)）的角度來看，人們對材料模擬的期望越來越高。欲獲取全文鏈接：www.anscos.com
展開 鋰離子電池制造工藝仿真技術(shù)進(jìn)展
摘要: 鋰離子電池的綜合性能不僅取決于材料和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，還與制造工藝及相關(guān)設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步息息相關(guān)。目前電池制造廠商針對不同體系的電池工藝開發(fā)多采用窮舉法進(jìn)行實驗試錯，在工藝仿真技術(shù)方面還存在較大的發(fā)展空間。面向電池高質(zhì)量制造發(fā)展和數(shù)智化升級的行業(yè)發(fā)展趨勢，本文結(jié)合宏觀電池制造設(shè)備和微觀電池電極結(jié)構(gòu)兩個角度，對電池制造工藝仿真研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，分析了各工序工藝仿真技術(shù)機(jī)理研究、結(jié)構(gòu)發(fā)展及應(yīng)用前景，并進(jìn)一步指出當(dāng)前研究的不足及未來的發(fā)展趨勢，旨在為優(yōu)化鋰離子電池的制造流程和提高其綜合性能提供理論參考。
關(guān)鍵詞: 鋰離子電池 ; 電極制造 ; 電池制造工藝仿真 ; 電極微觀結(jié)構(gòu) ; 電池制造設(shè)備
前言
能源存儲是人類在21世紀(jì)面臨的重大挑戰(zhàn)之一［1］，作為電動汽車的主要儲能設(shè)備，鋰離子電池以其優(yōu)異的電化學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)在全球儲能設(shè)備中發(fā)揮著不可替代的作用［2］。為進(jìn)一步提高鋰離子電池的綜合表現(xiàn)，探究鋰離子制造工藝參數(shù)與電極微觀結(jié)構(gòu)以及電池整體電化學(xué)性能之間的相對關(guān)系，基于此建立對應(yīng)的模型化表達(dá)已成為目前行業(yè)的研究熱點之一［3-4］。近年來學(xué)界對鋰離子電池單體、模組、電池包及整車系統(tǒng)的宏觀仿真模擬發(fā)展已趨于成熟［5-6］，但在微觀尺度下依據(jù)鋰離子電池各制造工藝機(jī)理進(jìn)行建模并探究對電池性能影響的研究仍在起步階段［7］。探究電池制造工藝對電極結(jié)構(gòu)的影響，并建立電極微觀結(jié)構(gòu)與鋰離子電池整體電化學(xué)性能的關(guān)系，以此為基礎(chǔ)對鋰離子電池制造工藝流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計顯得尤為重要［8］，圖1所示為鋰離子電池從電極材料選擇到整車系統(tǒng)設(shè)計的多尺度處理和仿真示意圖。
圖1 鋰離子電池制造從材料探究到系統(tǒng)設(shè)計的多尺度處理和模擬示意圖
鋰離子電池本身是一個極復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，其性能受到多個物理場內(nèi)不同因素的影響，表現(xiàn)出時變性和不可觀測性［10］。
展開 基于comsol的磁場對鋰電池的影響仿真
的鋰電池疊片電化學(xué)耦合熱分析</a><br></strong></p><p><strong> <a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1787167" target="_blank" title="基于Comsol的超聲探測鋰電池SOC狀態(tài)仿真分析" textvalue="基于Comsol的超聲探測鋰電池SOC狀態(tài)仿真分析">基于Comsol的超聲探測鋰電池SOC狀態(tài)仿真分析</a><br></strong></p><p><strong> <a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1856248" target="_blank" title="基于comsol的磁場對鋰電池的影響仿真">基于comsol的磁場對鋰電池的影響仿真</a><br></strong></p><p><strong><br></strong></p><p><strong>磁場主要機(jī)制</strong></p><p> 磁現(xiàn)象的起源來自于電荷的運動。
展開 國內(nèi)鋰電池CAE仿真軟件的突破口
另一方面，國內(nèi)鋰電池CAE軟件公司需要注重加強(qiáng)與電池企業(yè)的合作，更好地積累測試和實際制造的數(shù)據(jù)，以此優(yōu)化仿真軟件性能，更好地實現(xiàn)設(shè)計仿真與制造工藝協(xié)同。總之，要充分利用好我國掌握鋰電全產(chǎn)業(yè)鏈這一龐大制造規(guī)模的優(yōu)勢，因為海量測試和制造數(shù)據(jù)中蘊藏著巨大的數(shù)據(jù)優(yōu)勢，利用好這些數(shù)據(jù)資產(chǎn)，有利于國內(nèi)鋰電池CAE軟件公司加速發(fā)展起來。
綜合本文前述內(nèi)容，鋰電池仿真軟件的突破，要實現(xiàn)多尺度、多物理場、全生命周期的仿真服務(wù)，同時要利用好工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，將電池的設(shè)計、仿真、制造以及使用過程中產(chǎn)生的海量工藝技術(shù)、工況數(shù)據(jù)形成數(shù)字化資產(chǎn)。
鋰電池仿真軟件不僅僅擔(dān)負(fù)著仿真驅(qū)動正向設(shè)計的功能，也是推動整體鋰電池領(lǐng)域研發(fā)數(shù)字化進(jìn)程的重要力量。由獨立于上下游企業(yè)主體的第三方軟件公司驅(qū)動行業(yè)研發(fā)數(shù)字化、通過標(biāo)準(zhǔn)的流程、功能完善的仿真平臺帶動，實現(xiàn)上下游研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同。
目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)一些鋰電池仿真軟件公司，如易來科得、屹艮科技、鴻陽智能、海仿科技等。
實現(xiàn)電池領(lǐng)域的多尺度多物理場耦合仿真道阻且長，需要多學(xué)科人才、知識積累乃至多個細(xì)分軟件工具的融合，參照COMSOL的發(fā)展歷程[35]（COMSOL產(chǎn)品發(fā)布?xì)v程 (comsol.com)），這將會是一個長達(dá)20-30年的過程。
開源問題
CAE仿真領(lǐng)域有不少開源軟件，鋰電池仿真領(lǐng)域就有TauFactor、OpenPNM等開源軟件。關(guān)于開源是否能夠加速國產(chǎn)CAE仿真軟件的發(fā)展，也曾被多次討論過，這里簡要表達(dá)我們對工業(yè)仿真軟件領(lǐng)域開源的看法：
軟件開源能否提高國產(chǎn)工業(yè)軟件迭代升級、向歐美成熟工業(yè)軟件追趕的速度？
我們目前認(rèn)為是不能。一般基礎(chǔ)軟件通過開源獲取技術(shù)迭代助力的邏輯并不適用于工業(yè)軟件。
展開 基于comsol的18650鋰電池電化學(xué)仿真 ￥3500
</p><p><img src="https://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_rar.gif"><a href="https://oss.jishulink.com/upload/201909/a499fcb218e44e2ab8c23ab6ac03311f.rar" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(0, 102, 204);">18650電池模型.rar</a></p><p> 18650是鋰離子電池的鼻祖--日本SONY公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標(biāo)準(zhǔn)性的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E9%94%82%E7%A6%BB%E5%AD%90" rel="noopener noreferrer" target="_blank">鋰離子</a>電池型號，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池。常見的18650電池分為鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池。鋰離子電池電壓為標(biāo)稱電壓為3.7v，充電截止電壓為4.2v，磷酸鐵鋰電池標(biāo)稱電壓為3.2V，放電截止電壓為3.6v，容量通常為1200mAh-3350mAh，常見容量是2200mAh-2600mAh。</p><p><br></p><p>這是一個一維耦合三維的18650鋰電池模型，將鋰電池內(nèi)部細(xì)節(jié)盡可能還原。
展開 
基于comsol的磁場對鋰電池的影響仿真分析模擬
磁導(dǎo)向和功能化的sepiolite（KFSEP）納米線為PEO全固態(tài)鋰電池提供高離子傳導(dǎo)性。
高穩(wěn)定性的定向納米線具有抑制Li枝晶形成的功能，并為Li+擴(kuò)散提供了快速移動的通道。這種方法與上述通過磁性取向制備的移動式鋰離子膜相似。磁場可增強(qiáng)Li+擴(kuò)散和抑制SEI損傷。
四、磁場在鋰電池回收、材料分選中的作用，以及磁共振輔助快速檢測鋰電池性能。
關(guān)于磁場的反應(yīng)機(jī)制的系統(tǒng)研究很少。具體來說，磁場導(dǎo)致電化學(xué)性能改善的機(jī)制還沒有被完全揭示。
此次采用Comsol仿真不同磁場強(qiáng)度下對鋰離子傳輸?shù)挠绊懀治鲭娦拘阅艿挠绊懀渲型ㄟ^引入磁泳力轉(zhuǎn)換為電流密度，來耦合磁場對電化學(xué)的影響。
不同磁場強(qiáng)度下充放電曲線的變化。
不同磁場溫度下的電池放電溫度變化，可以看到順磁場方向可以幫助降低鋰電池工作溫度。
針對磁場對鋰電池的影響，可以嘗試磁場幫助提升電池工作和存儲的安全性、降低電池組工作溫度等等，深入分析磁場對電池的影響，有助于擴(kuò)展鋰電池在強(qiáng)磁場環(huán)境的應(yīng)用。
展開 鋰離子單體電池仿真熱分析
01
鋰離子電池因其低成本、高性能、大功率、綠環(huán)境等諸多優(yōu)勢，現(xiàn)已成為新能源的典型代表，廣泛應(yīng)用于3C數(shù)碼產(chǎn)品、移動電源以及電動汽車等領(lǐng)域。
隨著鋰離子電池的不斷推廣，鋰離子電池的安全性越來越受到人們的關(guān)注，由于電池本身技術(shù)原因或是使用不當(dāng)?shù)葐栴}都可能會造成鋰離子電池爆炸，引起火災(zāi)等安全事故。尤其近幾年以電動汽車為主的電動交通工具市場對鋰離子電池的需求不斷加大，在發(fā)展大功率鋰離子電池體系過程中，電池安全問題引起了廣泛重視，存在的問題急需進(jìn)一步解決。
鋰離子電池熱失控過程
近幾年出現(xiàn)的電池熱失控引起的火災(zāi)的案例中，都是由于電池的生熱速率遠(yuǎn)高于散熱速率，且熱量大量累積而未及時散發(fā)出去所引起的。
展開 鋰電池全三維電化學(xué)-熱偶合仿真 ￥600
針對NCM811和磷酸鐵鋰鋰離子電池，在COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件中搭建了全三維電化學(xué)-熱耦合模型，分析了鋰離子電池工作過程中的電極電位分布、電流密度分布和溫度場分布特性。結(jié)果表明，通過建立的全三維電化學(xué)-熱耦合模型可以得到電池局部電位分布和電流密度分布等傳統(tǒng)實驗方法難以獲得的結(jié)果；在鋰離子電池恒流放電過程中，單電極對內(nèi)部存在明顯的溫度梯度，特別是在極耳和極板的過渡區(qū)，電池溫度梯度變化最大；放電過程中電池不同位置的溫升速率并不相同，放電前期，極耳區(qū)域溫升速率最大，遠(yuǎn)離極耳的電池底部區(qū)域溫升速率相對較小，但是，放電后期有增大趨勢。
展開 基于Comsol的鋰電池針刺實驗仿真分析 ￥3500
</p><p><img src="https://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/themes/default/images/spacer.gif"></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202103/2dcea3ff8729498f9eaa5e13040cf95b.png" alt="QQ圖片20210331094941.png"></p><p><br></p><p>此次采用Comsol 鋰電池、傳熱模塊和PDE模塊，對針刺過程的電化學(xué)、熱進(jìn)行仿真分析。</p><p>鋰電池在滿電狀態(tài)下一定倍率放電，鋼針以一定的速率進(jìn)行刺穿。</p><p>以下是鋰電池穿刺過程的熱變化以及 鋰電池內(nèi)部電化學(xué)電流的流線分布變化。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202103/b20aeec77e35448696c1b76775ad0aad.gif" alt="Untitled.gif"></p><p><br></p><p><a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/comsol" rel="noopener noreferrer" target="_blank">comsol</a>電化學(xué)仿真計算出來的電壓變化曲線，在刺穿不同電化學(xué)層時，體現(xiàn)出來的電壓臺階。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202103/ca4eba30c446479eb81f5afb112cfe7c.png" height="297" width="616"></p><p><br></p><p>穿刺過程中的熱功耗變化曲線。
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