COMSOL電池模塊
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時(shí)間：2023-04-12
COMSOL電池模塊的視頻教程
COMSOL電池模塊的實(shí)例教程
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</div><p> </p><p> 此次采用Comsol的鋰電池模塊和固體傳熱模塊，模擬不同情況下的內(nèi)短路和針刺。</p><p>1、半徑毫米級(jí)的5歐姆電阻，在單層電芯內(nèi)部連接正負(fù)集流體。
展開(kāi) 蓋世汽車(chē)訊 6月10日，全球領(lǐng)先汽車(chē)和動(dòng)力系統(tǒng)硬件和軟件開(kāi)發(fā)服務(wù)供應(yīng)商FEV采用“電池到模塊”（cell-to-module）的方法推出一種創(chuàng)新型高性能電池系統(tǒng)，可應(yīng)用于混動(dòng)汽車(chē)。除成本和封裝優(yōu)化的T骨設(shè)計(jì)外，該模塊化、高度集成的概念系統(tǒng)還采用創(chuàng)新型主動(dòng)母線(xiàn)冷卻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)最高功率密度。該電池系統(tǒng)功率密度高達(dá)2 kW/kg，能量為2 kWh，且重量?jī)H為50kg時(shí)，可以提供功率100kW，因此可很好地為混動(dòng)汽車(chē)提供支持。
（圖片來(lái)源：FEV）
帶集成冷卻功能的T骨結(jié)構(gòu)
FEV和沃爾沃汽車(chē)公司示范并驗(yàn)證了該電池概念。此概念基于中央、功能集成的T骨元件創(chuàng)建，可用于具有集成冷卻功能的電池機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而提供成本、重量和封裝均優(yōu)化的模塊設(shè)計(jì)。
FEV集團(tuán)首席執(zhí)行官Stefan Pischinger教授表示：“該系統(tǒng)顯著減少了組件數(shù)量和組裝步驟。我們還為功能集成的T骨結(jié)構(gòu)元件選擇了擠壓工藝，從而確保高度靈活性，并進(jìn)一步推動(dòng)降低成本。此外，該模塊采用緊湊設(shè)計(jì)，可堆疊多個(gè)模塊。”
電芯可通過(guò)導(dǎo)熱粘合劑連接到T骨結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。為使電芯與T骨載體電絕緣，還采用了粉末涂層。通過(guò)這種方式，該涂層和導(dǎo)熱粘合劑的層厚可使得冷卻劑和電池電芯間的熱接觸電阻達(dá)到最小。
為補(bǔ)償電池在T骨結(jié)構(gòu)元件長(zhǎng)度導(dǎo)致的電芯容差，以及使電池電芯外殼彼此絕緣，每個(gè)電池電芯間都會(huì)采用自粘壓縮泡沫。為了將電池組機(jī)械地固定到載體上，它們通過(guò)兩個(gè)端板被壓到一個(gè)既定長(zhǎng)度，然后通過(guò)穿過(guò)端板的螺釘固定到T骨結(jié)構(gòu)元件的端件上。
展開(kāi) 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(guò)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(guò)一組偏微分方程來(lái)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(gè)模型的主要目標(biāo)是理解電池的性能和響應(yīng)，以?xún)?yōu)化電池設(shè)計(jì)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(guò)程，其中Fick's第一定律用于描述鋰離子濃度梯度對(duì)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(chǎng)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(huì)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(lèi)型和設(shè)計(jì)而異，通常需要進(jìn)行一些假設(shè)和簡(jiǎn)化來(lái)使問(wèn)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(gè)相，液態(tài)電解質(zhì)相和固態(tài)電極相，共由五個(gè)微分方程組成。這五個(gè)微分方程的作用示意圖如下。
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基于comsol的帶狀溫差發(fā)電模塊
全球市場(chǎng)新格局下，電池產(chǎn)業(yè)亟待加速新技術(shù)/新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)管理、高效的設(shè)計(jì)/仿真一體化能力、以及更精準(zhǔn)的碳排放/ESG碳管理等，達(dá)索系統(tǒng)致力于推動(dòng)全球可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)用和實(shí)踐，一直以來(lái)，與電池行業(yè)先鋒客戶(hù)通過(guò)數(shù)字化手段，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展和快速創(chuàng)新，共同推動(dòng)電池產(chǎn)業(yè)成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
達(dá)索2024探索之旅第二季系列會(huì)議“達(dá)索系統(tǒng)賦能新電池產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字仿真一體化協(xié)同解決方案
研究?jī)?nèi)容：
傳統(tǒng)的聲學(xué)吸收器被用于具有與工作波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)暮穸鹊慕Y(jié)構(gòu)，這在低頻范圍的實(shí)際應(yīng)用中造成了主要障礙。我們提出了一種基于超表面的完美吸收體，能夠在極低頻區(qū)域?qū)崿F(xiàn)聲波的完全吸收。具有深亞波長(zhǎng)厚度至特征尺寸k＝223的超表面由多孔板和螺旋共面氣室組成。基于完全耦合的聲學(xué)熱力學(xué)方程和理論阻抗分析的模擬被用于揭示基礎(chǔ)物理和聲學(xué)性能，顯示出極好的一致性。
3 總結(jié)和展望
在鋰離子電池的研究中，仍存在許多科學(xué)問(wèn)題尚未解決，這些問(wèn)題嚴(yán)重影響著鋰離子電池的安全性能和使用壽命。例如，鋰枝晶的生長(zhǎng)演化、SEI膜的形成和破裂演化、正極顆粒在循環(huán)中的破裂、電池壽命預(yù)測(cè)、熱失控、以及電池組的電池狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè)和管理等問(wèn)題。這些問(wèn)題涉及到電場(chǎng)、濃度場(chǎng)、力場(chǎng)和溫度場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)之間的耦合，很難通過(guò)單一的實(shí)驗(yàn)表征手段對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分別觀測(cè)，更難以給出多場(chǎng)耦合的綜合結(jié)果
研究背景：
由于傳統(tǒng)材料的能量耗散較弱，低頻吸聲一直是研究人員面臨的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。近年來(lái)，聲學(xué)超材料發(fā)展迅速，具有前所未有的優(yōu)異低頻性能。已經(jīng)設(shè)計(jì)了一系列亞波長(zhǎng)厚度的超材料，以實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻聲音的100%吸收。例如，由彈性膜和剛性盤(pán)組成的膜型超材料可以吸收某些頻率下幾乎所有的入射聲能，其厚度甚至比峰值吸收波長(zhǎng)小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，由于薄膜柔軟，它很容易受到機(jī)械損傷。卷曲空間超材料是另一種重要的聲學(xué)超材料
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磁場(chǎng)主要機(jī)制
磁現(xiàn)象的起源來(lái)自于電荷的運(yùn)動(dòng)。原子是所有宏觀物質(zhì)的基本單位，由原子核和核外電子組成。所有的原子都因其電子運(yùn)動(dòng)而具有磁矩。因此，磁性是所有材料的固有屬性，并可根據(jù)其磁特性進(jìn)一步分為二磁、順磁、鐵磁和反鐵磁。
磁場(chǎng)在鋰電池中的應(yīng)用可以追溯到近二十年前
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(guò)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(guò)一組偏微分方程來(lái)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(gè)模型的主要目標(biāo)是理解電池的性能和響應(yīng)
本工作以某型集裝箱內(nèi)的電池模塊為研究對(duì)象，通過(guò)在電池模塊內(nèi)布置導(dǎo)流板來(lái)改善電池模塊內(nèi)的流場(chǎng)分布特性從而改善電池散熱面的溫度分布特性，從而為電池提供一個(gè)較好的工作環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于導(dǎo)流板的布置規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，為解決工程實(shí)際提供技術(shù)參考。
1 數(shù)值計(jì)算方法
1.1 電池模塊模型參數(shù)
集裝箱內(nèi)的電池模塊布置模型如圖1 所示。電池模塊的幾何尺寸為698 mm×455 mm×188 mm，每個(gè)電池的尺寸為
鈉損耗
鈉離子電池 的電極材料也存在電化學(xué)循環(huán)中的鈉損失問(wèn)題，從而導(dǎo)致其循環(huán)性能惡化。鈉離子電池中的不可逆容量損失的原因主要如下：
①電解液分解形成固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜)。鈉離子電池的電解液主要由碳酸酯類(lèi)溶劑和鈉鹽組成，電解液在低電位下易發(fā)生不可逆分解反應(yīng)形成
