バッテリシステムを理解, 設計, 最適化する
バッテリのモデリングでは, シミュレーションの目的に応じて異なる詳細度が求められます. バッテリデザインモジュールは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのアドオン製品であり, バッテリの多孔質電極内の詳細構造からバッテリパックのスケールでの熱管理システムまで, 幅広いスケールにわたる記述を網羅しています.
荷電化学種および中性化学種の輸送, 電荷収支, 化学反応および電気化学反応, ジュール加熱および電気化学反応による熱効果, 電力損失, 伝熱, 流体流れなどの物理現象, ならびにバッテリシステムの理解に重要なその他の物理現象が含まれます.
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バッテリデザインモジュールでは, リチウムイオン電池の最新モデルを用意しています. 1D, 2D, フル3D で利用可能なニューマンモデルなど, エージングモデルと高忠実度モデルのさまざまなメカニズムを備えています. 電気化学反応を単独でモデル化するだけでなく, 熱伝達と組み合わせたり, リチウムのインターカレーションによる膨張収縮で生じる構造的な応力やひずみを考慮することができます. また, このモジュールには, 細孔電解質や電極粒子の実際の形状を記述した異種モデルを設定する機能もあります. このように, バッテリの微細構造を調べることで, バッテリの性能をより深く理解することができます.
鉛蓄電池のシミュレーション用に, ソフトウェアには, 電解質のイオン電位と組成, および固体電極の電位と多孔性を従属変数として設定しています. このモデルでは, 固体の溶解と堆積を考慮しています. また, 電極やセパレーターの厚さやジオメトリ, 集電体や給電体のジオメトリなど, さまざまな設計パラメーターがバッテリの性能にどのように影響するかを調べることができる機能も搭載されています.
バッテリデザインモジュールの主力機能は, 正極, 負極, セパレーターを備えた電池ユニットセルの詳細モデルです. 多孔質電極の汎用的な記述により, 電極内での競合反応をいくつでも定義でき, さらに任意の組成の電解質と結合させることができます. このモジュールでは, 多孔質電極理論と組み合わせた濃縮, 希薄 (ネルンスト・プランク方程式), 支持電解質の理論を用いて, 任意の組成の細孔電解質とセパレーター内の電解質を記述することができます.
COMSOL® ソフトウェアを使って, 電池の様々な電気化学的解析を実行できます.
電池の代表的なユニットセルにおける多孔質電極と細孔電解質の詳細な構造をモデル化.
リチウムイオン電池の負極グラファイト電極の経年変化をモデル化.
膨張と収縮によって生じるインターカレーション応力とひずみを計算.
電池の内部短絡を調べる.
電極粒子へのリチウムのインターカレーションをモデル化.
電気化学容量とナノ電極をモデル化.
ニッケル水素 (Ni–MH) 電池およびニッケルカドミウム (NiCd) 電池を含む, アルカリ性2元 (1:1) 電解質を用いる電池をモデル化.
適用された充放電負荷サイクル時の鉛蓄電池とバナジウム流体電池をシミュレート.
高率充電時にリチウム金属のメッキが発生しないように, 電極のホスト容量を指定.
多孔質媒体中の化学種輸送の影響を受ける化学反応をモデル化.
物理ベースの高忠実度モデルを使用して, 電池の高調波応答を解析.
忠実度の高いモデルの結果を実験結果に適合させる集中定数の小さなセットに基づいて, 簡略化された電池モデルを定義.
イベントベースの熱源を使用して, バッテリモジュールまたはバッテリパックにおける熱暴走伝播をシミュレート
バッテリデザインモジュールには, さまざまな動作条件でのバッテリの性能をシミュレーションするための専用ツールが用意されています.
3Dバッテリパックの熱解析を高速化するには, パック内の各電池に対して, 検証済みの集中モデル (簡略化モデル) を使用することができます. 集中モデルは, 一度検証されると, 特定の動作範囲内で優れた精度を発揮します. バッテリデザインモジュールには, 2電極単一粒子モデルなど, 物理ベースであり, 複数の空間次元で電気化学方程式を解く集中モデルが含まれています.
集中電池 インターフェースは, オーム抵抗に起因し, オプションで電荷移動および拡散プロセスにも起因する, 電池内のすべての電圧損失の合計に対する寄与を追加するために, 少数の集中パラメーターのセットを使用します. 複数の集中電池モデルをセットアップし, 3Dジオメトリ内で接続するために, サーマルパック管理をモデル化できる バッテリパック インターフェースが利用可能です. 通常, このインターフェースは 伝熱 インターフェースと一緒に使用され, 熱暴走伝播問題を研究するための熱イベントを特徴としています. さらに, 電池等価回路 インターフェースを使用して, 任意の数の電気回路要素に基づいて電池モデルを定義できます.
電池系や化学反応は, 電極での不要な副反応が負担となることが多く, 充放電サイクルや自己放電への影響を解析することができます. あらかじめ定義された反応のデータベースが用意されていますが, 任意の副反応を電極に追加することもできます.
モデル化できる代表的な副反応としては, 水素発生, 酸素発生, 固体電解質インターフェースの成長, 金属腐食, グラファイト酸化などが挙げられます.
電池系は閉鎖系であることが多く, 動作中の解析は困難です. 電位ステップ, 電流遮断, インピーダンス分光法などの過渡的な方法を使用して, 動作中の電池の特性を調べることができます.
過渡的スタディを実行することで, 異なる時間スケールと周波数でパラメーター推定を行い, 電池の経年劣化の原因となるオーム損失, 反応速度損失, 輸送損失, およびその他の損失を分離することができます. 過渡的な手法, モデル化, およびパラメーター推定を使用して, 電池系の状態を非常に正確に推定できます.
リチウムイオン電池 インターフェースは, リチウムイオン電池の電位と電流の分布を計算するために使用されます. 複数のインターカレーション電極材料を使用でき, SEI 層による電圧損失も含まれます.
2次電解質電池 インターフェースは, 一般的な電池の電位と電流の分布を計算するために使用されます. 複数の挿入電極材料を使用することができ, 多孔質電極上での膜形成による電圧損失も含めることができます.
多孔質電池電極の粒子は, 固体 (リチウムイオン電極) または多孔質 (鉛酸, NiCd) のいずれかです. 固体粒子の場合, 電極の多孔性は充填された粒子の間に見られます. しかし, 水素やリチウム原子などの小さな原子の場合, 固体粒子内で輸送や反応が発生することがあります. これらの挿入化学種は, 固体粒子の半径に沿って定義された別個の拡散反応方程式でモデル化されます. 挿入化学種の流束は, 粒子の表面で, 粒子間の細孔電解質内で輸送される種と結合します. 挿入化学種と反応はリチウムイオン電池用に事前定義されていますが, 同じ機能を使用して, たとえば NiMH 電池での水素の挿入をモデル化することもできます.
多孔質粒子の場合, 充填粒子間のマクロ多孔質構造と, 粒子内部のミクロ多孔質構造の二つの二峰性の細孔構造が得られます. 多孔質粒子の反応拡散方程式は, 固体粒子への化学種の挿入と同様の方法で定義されます.
モジュールに含まれる電池材料データベースには, 一般的な電極や電解質の項目が多数含まれているため, 新しい電池モデルの作成に必要な作業量が大幅に削減されます.
電池系のモデリングにおいて, 比較的時間がかかり, エラーが発生しやすいステップの 1 つは, その後一貫して使用する必要がある入力データを収集することです. たとえば, 正極と負極が同じ参照系で定義されていることが重要です. 平衡電極 (半電池) ポテンシャルは, 同じ電池系モデルに組み込まれる前に, 同じ参照電極, 電解質, および温度に対して測定または校正されている必要があります.
シミュレーションのニーズはそれぞれ異なります.
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