Электрохимические аккумуляторы

Моделирование аккумуляторных батарей

Для быстрых оценочных расчётов тепловых режимов аккумуляторов можно воспользоваться проверенными (упрощёнными) сосредоточенными моделями для каждой батареи в блоке. Верифицированные модели с сосредоточенными параметрами могут работать с высокой точностью, особенно в определённом диапазоне параметров. В состав модуля «Электрохимические аккумуляторы» входят сосредоточенные физические модели, в рамках которых решаются электрохимические уравнения различной пространственной размерности.

Одночастичная модель, реализованная в интерфейсе Single Particle Battery, позволяет рассчитать распределение плотности тока и в положительном, и в отрицательном электродах батареи. В модели, представленной интерфейсом Lumped Battery, используется небольшой набор сосредоточенных параметров для учёта различных механизмов потерь в батарее, начиная от омического сопротивления и заканчивая конечной скоростью переноса заряда и диффузии. Для настройки и соединения нескольких сосредоточенных моделей в трёхмерных задачах предназначен интерфейс Battery Pack, с помощью которого можно моделировать тепловые режимы аккумуляторных батарей. Обычно этот интерфейс используется вместе с интерфейсом Heat Transfer, который позволяет описывать изменение тепловых условий для анализа режима теплового убегания. Также модель батареи можно построить с помощью произвольного числа элементов эквивалентной электрической цепи, доступных в интерфейсе Battery Equivalent Circuit.

Произвольное число электрохимических реакций на пористых электродах

В аккумуляторных батареях очень часто протекают нежелательные побочные реакции, влияние которых на циклы заряда-разряда, а также на саморазряд батареи можно проанализировать. Обычно к таким побочным реакциям относят выделение водорода и кислорода, увеличение межфазной поверхности твёрдого электролита, гальванизацию, коррозию металла и окисление графита.

Нестационарные исследования и спектроскопия электрохимического импеданса

Часто аккумуляторные батареи представляют собой закрытые системы, работу которых сложно контролировать во время эксплуатации. Эксплуатационные характеристики батареи можно оценить на основе анализа переходных процессов, таких как пошаговое изменение потенциала, прерывание тока и спектроскопия импеданса.

С помощью нестационарных исследований можно проводить оценки параметров на разных масштабах времени и на разных частотах, чтобы разделить омические, кинетические, диффузионные и другие типы потерь, приводящих к старению батареи. Применение нестационарных методов моделирования и оценки параметров позволяет очень точно оценивать состояние аккумуляторной батареи.

Высокоточные модели аккумуляторов

Интерфейс Lithium-Ion Battery предназначен для расчёта распределения электрического потенциала и плотности тока в литий-ионных батареях. В модели можно использовать различные интеркалирующие материалы электродов, а также учесть потери напряжения вследствие образования слоёв на границе «твёрдая фаза — электролит».

Интерфейс Battery with Binary Electrolyte предназначен для расчёта распределения электрического потенциала и плотности тока в универсальной модели батареи. Можно использовать различные интеркалирующие материалы электродов, а также учесть потери напряжения вследствие образования плёнки на поверхности пористых электродов.

Интеркалирующие компоненты и процессы переноса в пористых средах

Частицы в пористых электродах аккумуляторной батареи могут быть либо твёрдыми (электроды литий-ионных батарей), либо пористыми (свинцовые, никель-кадмиевые батареи). В случае твёрдых частиц пористость электродов определяется пространством между частицами. Однако процессы переноса и реакции с участием мелких атомов, таких как атомы водорода и лития, могут осуществляться внутри твёрдых частиц. Интеркаляционные процессы моделируются с помощью отдельного одномерного уравнения диффузии (и реакции), которое решается вдоль радиуса твёрдых частиц. Поток интеркаляционных агентов на поверхности частиц связывается с потоком компонентов, движущихся в поровом пространстве между частицами. Для литий-ионных батарей имеются встроенные описания интеркаляционных агентов и реакций, но пользователь может воспользоваться этим же функционалом для моделирования интеркаляции водорода и в других типах батарей, например никель-металлогидридных.

В случае пористых частиц пористая структура имеет бимодальное распределение пор по размерам: макроскопическая структура, сформированная частицами, и микроскопическая структура внутри твёрдых частиц. Уравнения диффузии и реакций в пористых частицах решаются аналогичным способом, как и в случае интеркаляции в твёрдых частицах.

Встроенный справочник термодинамических и физических свойств

Справочник свойств материалов, включённый в состав модуля, содержит данные для некоторого количества широко применяемых материалов электродов и электролитов, что существенно сокращает объём работы и упрощает построение новых моделей аккумуляторных батарей.

Получение исходных данных и их корректное применение, пожалуй, один из самых трудоёмких этапов моделирования аккумуляторных батарей, на котором очень легко допустить ошибку. К примеру, очень важно, чтобы параметры положительного и отрицательного электродов были определены в единой системе отсчёта. Равновесные потенциалы электродов должны измеряться при одинаковых температурах с использованием одинаковых электродов сравнения и электролитов, только тогда эти данные можно использовать в модели соответствующей аккумуляторной батареи.