Обновления модуля Аккумуляторы и топливные элементы

Для пользователей модуля Аккумуляторы и топливные элементы в COMSOL Multiphysics® версии 5.2a появился новый мультифизический интерфейс Reacting Flow (Реагирующий поток), связывающий поток текучей среды и реакции в газах и жидкостях, а также новый интерфейс Single Particle Battery (Одночастичная модель аккумуляторной батареи), который упрощает моделирование литий-ионных и никель-металлгидридных аккумуляторов. Дополнения к интерфейсам Lithium-Ion Battery (Литий-ионный аккумулятор) и Battery with Binary Electrolyte (Аккумулятор с бинарным электролитом) включают возможность быстрой сборки, улучшенные параметры по умолчанию для решателей и численную устойчивость при высоких и низких уровнях заряда. Ниже все обновления модуля Аккумуляторы и топливные элементы описаны подробно.

Новый интерфейс Single Particle Battery (Одночастичная модель батареи)

Новый интерфейс Single Particle Battery (Одночастичная модель аккумуляторной батареи) предлагает упрощенный подход к моделированию различных батарей, включая литий-ионные и никель-металлгидридные батареи. Уравнения, описывающие батарею, обычно применимы для малых и средних величин тока и задаются либо глобально (уменьшая вычислительную нагрузку), либо локально в геометрии. Локальный вариант можно использовать для исследования влияния неравномерного распределения температуры в больших аккумуляторных батареях.

Одночастичный подход является эффективным с вычислительной точки зрения и точным при умеренных нагрузках. Это позволяет моделировать сложные трехмерные сборки в аккумуляторных блоках при относительно низком потреблении вычислительных ресурсов. Для моделирования разрядки и перезарядки при этом используется простая одночастичная модель в каждой точке трехмерного описания аккумуляторного блока.

Путь к примеру, использующему новый интерфейс Single Particle Battery (Одночастичный аккумулятор), в Библиотеке приложений: Batteries_and_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/li_battery_single_particle

Новый мультифизический интерфейс Reacting Flow (Реагирующий поток)

Для лучшего изучения потоков текучих сред и реакций в газах и жидкостях новый мультифизический интерфейс Reacting Flow (Реагирующий поток) сочетает интерфейсы Single-Phase Flow (Однофазный поток) и Transport of Concentrated Species (Перенос концентрированных веществ). Новый мультифизический интерфейс Reacting Flow (Реагирующий поток), ранее доступный как отдельный интерфейс, позволяет лучше управлять настройками каждого интерфейса физики и мультифизической связи между ними.

Значительно улучшен процесс решения каждого из связанных интерфейсов в отдельности и совместно благодаря новой связи Reacting Flow (Реагирующий поток). Это важно для создания подходящих начальных условий при моделировании реагирующего потока и для тестирования влияния взаимосвязи на результаты. Мультифизический интерфейс Reacting Flow (Реагирующий поток) поддерживает и ламинарный, и турбулентный реагирующий поток, а также потоки и реакции в пористых средах.

Путь к учебной модели, использующей новый мультифизический интерфейс Reacting Flow (Реагирующий поток), в Библиотеке приложений:

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_withMass_and_Heat_Transfer/roundjet_burner

Посмотреть скриншот »

Новые функциональные возможности переноса концентрированных веществ: характеристики переноса веществ в пористой среде

Новый инструмент Porous Media Transport Properties (Характеристики переноса веществ в пористой среде) позволяет исследовать явление многокомпонентного переноса веществ в растворе, протекающем через пористую среду. Новые функциональные возможности включают модели для расчета наиболее эффективных характеристик переноса, зависящих от степени пористости материала в комбинации с характеристиками переноса в концентрированных растворах.

Путь в Библиотеке приложений к примеру, использующему новый инструмент Porous Media Transport Properties (Характеристики переноса веществ в пористой среде) в интерфейсе Transport of Concentrated Species (Перенос концентрированных веществ):

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_Porous_Catalysts/carbon_deposition

Распределение пористости в реакторе пиролиза метана на основе твердотельного катализатора Ni-Al2O3 исследуется с помощью инструмента Porous Media Transport Properties (Характеристики переноса веществ в пористой среде). Пористость уменьшается при образовании кокса в результате пиролиза. Распределение пористости в реакторе пиролиза метана на основе твердотельного катализатора Ni-Al2O3 исследуется с помощью инструмента Porous Media Transport Properties (Характеристики переноса веществ в пористой среде). Пористость уменьшается при образовании кокса в результате пиролиза.
Распределение пористости в реакторе пиролиза метана на основе твердотельного катализатора Ni-Al2O3 исследуется с помощью инструмента Porous Media Transport Properties (Характеристики переноса веществ в пористой среде). Пористость уменьшается при образовании кокса в результате пиролиза.

Новый интерфейс Nernst-Planck-Poisson Equations (Уравнения Нернста – Планка – Пуассона)

Новый мультифизический интерфейс Nernst-Planck-Poisson Equations (Уравнения Нернста – Планка – Пуассона) может быть использован для изучения распределения зарядов и ионов в двойном электрохимическом слое без условия нейтральности заряда. Интерфейс Nernst-Planck-Poisson Equations (Уравнения Нернста – Планка – Пуассона) добавляет к модели интерфейсы Electrostatics (Электростатика) и Transport of Diluted Species (Перенос растворенных веществ) с заранее заданными взаимосвязями для потенциалов и пространственной плотности зарядов.

Новое граничное условие External Short (Внешнее короткое замыкание)

Новое граничное условие External Short (Внешнее короткое замыкание) позволяет накоротко замыкать электроды, поверхности электродов и пористые электроды через внешнее сосредоточенное сопротивление. Новое граничное условие подходит, например, для изучения короткого замыкания в батареях или для задач защиты от коррозии с соединенными протяженными электрохимически активными объектами.

Посмотреть скриншот »

Новый мультифизический узел Electrochemical Heat Source (Электрохимический источник тепла)

Новый мультифизический интерфейс Electrochemical Heat Source (Электрохимический источник тепла) предлагает еще одну возможность связать электрохимические источники тепла с интерфейсом теплопередачи.

Посмотреть скриншот »

Новый тип кинетики Thermodynamic Equilibrium (Термодинамическое равновесие)

Для электродных реакций теперь доступен новый тип кинетики электродных процессов (в интерфейсе Secondary Current Distribution (Вторичное распределение тока) указывается как Primary Condition (Первичное условие)), который предполагает нулевое значение перенапряжения (пренебрежимо малые потери напряжения).

Посмотреть скриншот »

Поддержка сопротивления пленки, а также растворения и осаждения веществ в боковых и пористых электродах

Узлы Porous Electrode (Пористый электрод) и Edge Electrode (Боковой электрод) теперь поддерживают добавление сопротивления пленки, а также растворения и осаждения веществ. Ранее эти функциональные возможности были доступны только для узла Electrode Surface (Поверхность электрода). Сопротивление пленки, а также растворение и осаждение веществ в пористых электродах могут быть использованы, например, для моделирования образования границы «твердое тело — электролит» (SEI) в литий-ионных аккумуляторах.

Посмотреть скриншот »

Новая опция быстрой сборки в интерфейсах Lithium-Ion Battery (Литий-ионный аккумулятор) и Battery with Binary Electrolyte (Аккумулятор с бинарным электролитом)

Включив опцию Fast assembly in particle dimension (Быстрая сборка в размерности частиц) в узле Porous Electrode (Пористый электрод), вы значительно уменьшите время вычисления для некоторых моделей аккумуляторов, использующих переслоение частиц. Этот эффект более всего выражен для одномерных моделей, когда число элементов сетки сравнимо с числом элементов в размерности частиц. Однако при использовании этой опции вы не сможете провести постобработку данных, полученных из решения вдоль оси в размерности частиц; также не поддерживается задание переменных свойств материалов, например коэффициента диффузии в размерности частиц.

Посмотреть скриншот »

Улучшенные значения по умолчанию для решателей в интерфейсах Lithium-Ion Battery (Литий-ионный аккумулятор) и Battery with Binary Electrolyte (Аккумулятор с бинарным электролитом)

В двухмерных и трехмерных исследованиях переслаивающиеся концентрации выделены в отдельные группы в отдельных решателях. Это изменение снижает требования к памяти компьютера для больших задач и ускоряет вычисления.

Большая численная стабильность при высоких и низких уровнях заряда в интерфейсах Lithium-Ion Battery (Литий-ионный аккумулятор) и Battery with Binary Electrolyte (Аккумулятор с бинарным электролитом)

Численная устойчивость вычислений при использовании раздела Lithium insertion kinetics (Кинетика внедрения лития) в узле Porous Electrode Reaction (Реакции в пористых электродах) была улучшена для значений уровня заряда, близких к 0 % или к 100 %. Улучшенные уравнения кинетики будут по умолчанию использоваться для новых моделей. Чтобы использовать их в старой модели, выберите соответствующую опцию в разделе Advanced Insertion Kinetics Expression Settings (Настройки улучшенных выражений для кинетики внедрения), доступном при включенной опции Advanced Physics Options (Расширенные настройки физики).

Посмотреть скриншот »

Новая учебная модель: Internal Short Circuit of a Lithium-Ion Battery (Внутреннее короткое замыкание в литий-ионном аккумуляторе)

При внутреннем коротком замыкании в аккумуляторе два электрода соединяются, что приводит к локальному росту плотности тока. Внутренние короткие замыкания в литий-ионном аккумуляторе могут случиться, например, из-за образования дендритов лития или ударной волны сжатия. Длительные внутренние короткие замыкания ведут к саморазряду и локальному росту температуры. Рост температуры важен потому, что электролит при повышении температуры может начать разлагаться в экзотермической реакции, что приводит к неконтролируемому и небезопасному росту температуры.

Эта учебная модель исследует локальный рост температуры из-за появления сквозной металлической нити, проходящей через сепаратор, разделяющий два пористых электродных материала. Физика задачи определяется интерфейсами Lithium-Ion Battery (Литий-ионный аккумулятор) и Heat Transfer (Теплопередача). С точки зрения химии аккумулятор состоит из графитового отрицательного электрода и никель-марганец-кобальтового положительного электрода, а также электролита с гексафторфосфатом лития.

Путь к учебной модели Internal Short Circuit of a Lithium-Ion Battery (Внутреннее короткое замыкание в литий-ионном аккумуляторе) в Библиотеке приложений:

Batteries_and_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/internal_short_circuit

Распределение температуры в поперечном сечении литий-ионного аккумулятора вокруг тонкой сквозной нити и температура на поверхности нити. Распределение температуры в поперечном сечении литий-ионного аккумулятора вокруг тонкой сквозной нити и температура на поверхности нити.
Распределение температуры в поперечном сечении литий-ионного аккумулятора вокруг тонкой сквозной нити и температура на поверхности нити.

Обновленная учебная модель: Capacity Fade (Снижение емкости)

Побочные реакции и процессы разложения могут привести ко многим нежелательным эффектам, снижая емкость литий-ионного аккумулятора. Обычно старение аккумулятора обусловлено множеством сложных явлений и реакций, одновременно происходящих в разных элементах аккумулятора, а скорость ухудшения характеристик меняется во время циклов нагрузки в зависимости от потенциала, локальных концентраций, температуры и направления течения тока. Различные материалы ячейки стареют по-разному, и некоторые комбинации материалов могут еще более ускорять старение аккумулятора из-за взаимного влияния электродных материалов.

Этот пример моделирует процесс старения графитового отрицательного электрода в литий-ионном аккумуляторе, в котором образование паразитного граничного слоя «электролит – твердое тело» ведет к необратимой потере циклируемого лития. Модель учитывает эффект падения напряжения из-за сопротивления растущей на частицах электрода пленки граничного слоя «электролит – твердое тело», а также влияние снижения объемной доли электролита на перенос заряда.

Эта учебная модель обновлена по сравнению с предыдущей версией COMSOL Multiphysics® и теперь включает более новые данные о старении аккумуляторов из научной литературы. Также был введен масштаб времени для ускорения вычислений при большом числе циклов.

Путь к учебной модели Capacity Fade (Снижение емкости) в Библиотеке приложений:

Batteries_and_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/capacity_fade

Напряжение ячейки при разряде 1 Кл в зависимости от числа циклов. Напряжение ячейки при разряде 1 Кл в зависимости от числа циклов.
Напряжение ячейки при разряде 1 Кл в зависимости от числа циклов.