鋰電池針刺仿真的案例
基于Comsol的鋰電池針刺、內(nèi)短路和過充仿真
在實際中由于鋰枝晶生長，以及在生產(chǎn)過程中引入的導電多余物等可能會引起隔膜的失效，導致鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路。內(nèi)短路時短路點的大電流會導致局部溫度快速升高，進而引發(fā)電池發(fā)生熱失控，</p><p> </p><p> 由于鋰離子電池內(nèi)短路的形式有多種，例如內(nèi)部導電多余物、針刺和擠壓等都會造成不同形式的內(nèi)短路點，鋰電池內(nèi)部的金屬物體相當于一個額外集流體的功能，將引起附近鋰離子流向改變，在這些額外的集流體上引起電流集中。</p><p><br></p><p><img src="https://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/themes/default/images/spacer.gif"></p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202202/0d7dddb4d3b34fb884a092f89cd55105.png" title="QQ圖片20220227133341.png" alt="QQ圖片20220227133341.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202202/0d7dddb4d3b34fb884a092f89cd55105.png?
展開 基于Comsol的鋰電池針刺實驗仿真分析 ￥3500
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p>鋰電池針刺實驗</p><p> 針刺實驗正是為了模擬鋰離子電池內(nèi)部短路的情況而設計的安全測試，下圖為日本早稻田大學的Tokihiko Yokoshima等人采用計算機斷層掃面技術得到的鋰離子電池在針刺全過程【2】。從圖中我們能夠看到當鋼針進入到電池內(nèi)部0.2mm時，電池內(nèi)部形成了第一個短路點，由于短路的發(fā)生電池內(nèi)部開始產(chǎn)氣，同時電池電壓也下降到了3.6V，同時鋼針的曲率半徑液從20um增加到了100um，這主要是因為短路點的大電流使得鋼針尖端發(fā)生融化，表面短路點的溫度極高，此時由于鋼針尖端的融化電池內(nèi)短路點斷開，電池的電壓出現(xiàn)了回升，穩(wěn)定在了3.8V。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202103/imgs/51ff08de604d4fcd9ff93c0e6d71cbfe.gif"></p><p> 從上面的實例可以看到針刺實驗主要是通過鋼針刺穿電芯，引起正負極短路，模擬電池發(fā)生內(nèi)短路的情況。因此不難看出，針刺速度越慢、鋼針直徑越小、電池容量越大，短路點的電流密度也會越大，電池的溫升越高，電池也更容易發(fā)生熱失控。</p><p><br></p><p>這是實驗當中監(jiān)測的鋰電池電壓變化。
展開 6/10 LS-DYNA 鋰電池多物理場擠壓、針刺仿真
內(nèi)容簡介
高壓電器常見于電力系統(tǒng)、工業(yè)供電系統(tǒng)中，屬于非常重要的電能傳輸和分配電氣設備。同時，由于高壓電器的內(nèi)部涉及的結構種類較多，而各機械結構的材料性能以及結構組成形式都進一步地影響著電器開關的性能發(fā)揮，不斷革新、優(yōu)化，進一步提升著高壓電器開關的應用性能與使用穩(wěn)定性。同時高壓電器領域的故障診斷方式也是客戶非常關注的點，如何采用OptiSLang實現(xiàn)高電壓電力變壓器的故障診斷也是這次案例分享的主要內(nèi)容。
活動合作伙伴：北京朔和科技有限公司
時間
2022年6月10日（周五 ）16:00-17:00
費用
免費
講師簡介
李偉 電磁工程師
高壓電器、電力系統(tǒng)領域從業(yè)十多年，對電力行業(yè)產(chǎn)品設計優(yōu)化較為熟悉。針對高壓變壓器、高壓電力開關等產(chǎn)品的設計優(yōu)化有著豐富的設計經(jīng)驗。
展開 6/7 LS-DYNA 鋰電池多物理場擠壓、針刺仿真
隨著Zemax加入Ansys大家庭，光學設計軟件Zemax OpticStudio、光學仿真工具Speos以及微納光學仿真設計工具Lumerical可聯(lián)合助力HUD設計。通過Zemax OpticStudio完成光學系統(tǒng)設計優(yōu)化及公差分析，Lumerical可實現(xiàn)特性需求的 HUD 微結構設計與仿真，最終通過Speos完成系統(tǒng)級仿真。三款工具應用在HUD不同階段的設計分析與聯(lián)合，進而加快設計流程。
本次研討會上多位Ansys應用工程師將詳細介紹三款Ansys光學產(chǎn)品如何聯(lián)合為HUD行業(yè)提供解決方案。針對時下熱點話題，基于體全息和表面浮雕光柵的AR-HUD，會上也將展開討論。
展開 
6/1 LS-DYNA 鋰電池多物理場擠壓、針刺仿真
內(nèi)容簡介
LS-DYNA使用同一模型可以同時求解結構-熱-電等多方面的多物理場問題，可以應用在電池的擠壓和針刺方面，可一次性得到結構變形信息、熱信息、電流電壓及SOC剩余載荷等信息。多物理場電池擠壓和針刺采用分布式等效電路模型，可以模擬電池的局部短路，模型中電池電的輸入?yún)?shù)和熱的輸入?yún)?shù)與fluent可以共用。
8月將舉辦第二期：LS-DYNA鋰電池結構仿真應用介紹，敬請期待！
LS-DYNA中鋰電池的電化學-熱-結構耦合擠壓、針刺模型
小結
LS-DYNA R14版本更新了三個不同的電化學鋰電池模型， Newman型模型（6方程模型），熱模型（10方程模型）和多物理場模型（14方程模型）。同時對所有模型采用了修正的BV動力學方程以建立高速充放電仿真。熱模型和多物理場模型，還包含了電池老化模型、SEI的形成和分解的反應、熱失控模型以及電池膨脹模型。對于多物理場模型，LS-DYNA還實現(xiàn)了基于氧化和鋰水化反應機制的氣體生成模型，該模型主要應用于性能測試、過充測試和新型鋰電池設計等領域。
LS-DYNA還支持將三種電池求解器中的任何一種與熱以及結構求解器進行耦合。LS-DYNA中電化學模型同時支持SMP和MPP并行計算，可用于電池濫用測試，也可用于各種耦合問題。通過仿真，能夠建立電池系統(tǒng)的最小點火能量模型。基于該模型，可以在車輛的儀表板上安裝一個警告信息系統(tǒng)，當電池系統(tǒng)的狀態(tài)達到失控臨界條件時發(fā)出警告，從而使車內(nèi)人員可以在電池發(fā)生熱失控之前安全逃離。
關于未來的發(fā)展方向，我認為我們必須結合基于大數(shù)據(jù)的AI或機器學習技術。首先基于電芯級的分析，我們可以構建用于參考的大數(shù)據(jù)，所有狀態(tài)變量都可以保存為隨時間變化的充放電情況的函數(shù)。然后通過模組級別的分析將這些狀態(tài)數(shù)據(jù)與機械外力關聯(lián)起來，最后運用在一個動力電池包的碰撞測試中。我認為這將是邁向AI或機器學習方法的第一步。
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文章來源：2022 第五屆LS-DYNA技術論壇
視頻鏈接：LS-DYNA中鋰電池的電化學-熱-結構耦合擠壓、針刺模型
技術校對：董驍， Ansys高級應用工程師；整理編輯：俞琴
展開 COMSOL鋰電池技術仿真與應用(九)鋰電池電-熱-力-相全耦合模型搭建與應用
紐曼模型框架
紐曼模型（Newman model）是用于描述鋰離子電池內(nèi)部電化學和傳輸過程的一種數(shù)學模型。該模型以電池的正負極為基礎，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鍵參數(shù)。這個模型的主要目標是理解電池的性能和響應，以優(yōu)化電池設計和管理。
以下是紐曼模型中的主要元素和方程：
電極反應：模型考慮了正負極的電化學反應。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。在負極，鋰離子從正極材料脫嵌并進入負極材料，發(fā)生還原反應。
擴散：模型考慮了鋰離子在電解質(zhì)中的擴散過程，其中Fick's第一定律用于描述鋰離子濃度梯度對擴散速度的影響。這包括正極和負極內(nèi)的擴散。
電解質(zhì)導電性：模型考慮了電解質(zhì)的離子導電性，其中Ohm's Law用于描述電流與電場強度之間的關系。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致的極化效應。這些效應包括極化電阻、濃差極化等，會影響電池的性能和響應。
紐曼模型的具體數(shù)學方程因電池類型和設計而異，通常需要進行一些假設和簡化來使問題變得可行。紐曼模型中將復雜的電化學行為分為兩個相，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于鋰電池仿真、熱失控仿真解決方案。
本案例模型及相關操作，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 結構（左）和不同溫度下擴散系數(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。在這些模型中，使用額外維度模擬鋰擴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構細節(jié)。這種模型稱為異構模型。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)。在異構模型的基礎上，還可以將粒子中的鋰濃度分布與 “固體力學”接口中相應的體積膨脹以及由此產(chǎn)生的 von Mises 應力進行耦合，研究充放電此過程中鋰離子脫嵌導致的電芯膨脹。
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
導語
據(jù)悉，為研究鋰離子電池熱特性機理，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
導讀
目前，國內(nèi)外均針對鋰離子電池熱模型和熱行為進行了相關研究。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-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能力比棱柱電池小；Chacko等[4]將電-熱模型應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-熱偶合模型，通過分析發(fā)現(xiàn)，卷繞電芯側邊析鋰電位分差異較大，原因是側邊的卷繞結構導致NP比發(fā)生變化，當電芯充電時，NP比小的一側極易析鋰，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構，可以對電芯過流能力、電位分布等進行準確分析。
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 結構（左）和不同溫度下擴散系數(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 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，同時要利用好工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術，將電池的設計、仿真、制造以及使用過程中產(chǎn)生的海量工藝技術、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負著仿真驅(qū)動正向設計的功能，也是推動整體鋰電池領域研發(fā)數(shù)字化進程的重要力量。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、通過標準的流程、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)電池領域的多尺度多物理場耦合仿真道阻且長，需要多學科人才、知識積累乃至多個細分軟件工具的融合，參照COMSOL的發(fā)展歷程[35]（COMSOL產(chǎn)品發(fā)布歷程 (comsol.com)），這將會是一個長達20-30年的過程。
開源問題
CAE仿真領域有不少開源軟件，鋰電池仿真領域就有TauFactor、OpenPNM等開源軟件。關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，這里簡要表達我們對工業(yè)仿真軟件領域開源的看法：
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？
我們目前認為是不能。一般基礎軟件通過開源獲取技術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公司當年為了節(jié)省成本而定下的一種標準性的<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稱電壓為3.7v，充電截止電壓為4.2v，磷酸鐵鋰電池標稱電壓為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)部細節(jié)盡可能還原。
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