バッテリデザインモジュール

バッテリシステムを理解, 設計, 最適化する

バッテリのモデル化では, シミュレーションの目的に応じて様々な詳細レベルが必要となります. 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であり, バッテリの多孔質電極の詳細な構造から, 熱管理システムを含むバッテリパックのスケールまで, 幅広いスケールの記述を網羅しています.

荷電種と中性種の輸送, 電荷バランス, 化学反応と電気化学反応, ジュール熱と電気化学反応による熱効果, 熱伝達, 体の流れなど, バッテリシステムを理解する上で重要な物理現象が記述されています.

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ヒートカメラのカラーテーブルで視覚化された, 200個のバッテリーで構成されるバッテリーパックモデル.

リチウムイオン電池

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

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.

汎用電池

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.

バッテリデザインモジュールでモデル化できるもの

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.

紫のブロブのようなフォーメーションを移動する, 紺色から白へのカラーグラデーションの流線を示す3D モデル.

不均質モデルと均質モデル

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.

1C での SEI 層の電位降下を示す1D プロット. y 軸に SEI 層の電位降下, x 軸にサイクル数を示します.

固体電解質インターフェース (SEI) の成長

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.

y 軸に Pa, x 軸に正規化された粒子寸法を使用した拡散誘起応力の1D プロット.

拡散注入応力

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. 1

ヒートカメラのカラーグラデーションで囲まれた黄色で表示された円柱の拡大図.

短絡

電池の内部短絡を調べる.

温度が虹色で示されている12個の円筒形電池の電池パックモデル.

疑似次元

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.

y 軸に濃度, x 軸に nm の1D 静電容量プロット.

二層静電容量

電気化学容量とナノ電極をモデル化.

銅と黒の円筒形バッテリーモデルで, バッテリーの下の流れがヒートカメラのカラーテーブルに流線で示されています.

ニッケル水素電池とニッカド電池

アルカリ二成分 (1:1) 電解質を使用して電池をモデル化.

虹で視覚化されたリードフロー.

流体電池

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.

A 1D plot showing relative capacity loss.

金属メッキ

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.

y 軸に多孔性, x 軸に正極の無次元の厚さを示す1D プロット.

電解質の分解

多孔質媒体中の種の輸送に影響される化学反応をモデル化.

シミュレートされたインピーダンス NCA とリファレンスを青で, 実験インピーダンス NCA とリファレンスを緑で示した1D プロット. 2本の線は0.0016まで厳密に一致しています.

インピーダンス分光法

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.

セル電位 (ボルト) を y 軸に, 時間を秒 (x 軸) に, モデル化されたセル電圧を青で, 実験セル電圧を緑で示した1D プロット.  2つの線は厳密に一致しています.

パラメーター推定を伴う一括モデル

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. 2

  1. 構造力学モジュールが必要
  2. 最適化モジュールが必要

バッテリデザインモジュールの特徴と機能性

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.

COMSOL Multiphysics UI は, 電圧損失ノードが強調表示されたモデルビルダー, 対応する設定ウィンドウ, およびヒートカメラのカラーテーブルで温度を視覚化するバッテリーパックモデルを示しています.

簡略化された電池のモデル化

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, 物理学に基づいており, 電気化学方程式を多次元空間で解く集中モデルが含まれています.

単一粒子バッテリインターフェースは, 電池の正極と負極にそれぞれ1 つの単粒子モデルを使用して, 電池内の電荷分布をモデル化します. 集中バッテリインターフェースでは, 集中パラメーターの小さなセットを使用して, オーム抵抗や, オプションとして電荷移動拡散プロセスに起因する, 電池内のすべての電圧損失の合計に対する寄与を追加します. さらに, バッテリ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.

COMSOL Multiphysics UI は, 多孔質電極反応ノードが強調表示されたモデルビルダー, 対応する設定ウィンドウ, およびモデルの電解質濃度の1D プロットを示しています.

任意の数の電気化学反応を伴う多孔質電極

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.

COMSOL Multiphysics UI は, 周波数領域摂動ノードが強調表示されたモデルビルダー, 対応する設定ウィンドウ, およびモデルのインピーダンスの1D プロットを示しています.

完全に過渡的およびインピーダンス分光法スタディ

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.

COMSOL Multiphysics UI は, リチウムイオンバッテリーノードが強調表示されたモデルビルダー, 対応する設定ウィンドウ, および赤, オレンジ, 黄色, 青緑色のピークを持つ円形の青いモデルを含むグラフィックスウィンドウを示しています.

高忠実度電池のモデル化

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.

バイナリ電解質を備えたバッテリ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.

COMSOL Multiphysics UI は, 粒子インターカレーションノードが強調表示されたモデルビルダー, 対応する設定ウィンドウ, およびモデルの NCA と LMO のさまざまな混合フラクションの電圧プロファイルの1D プロットを示しています.

二峰性細孔構造におけるインター挿入化学種と輸送

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.

COMSOL Multiphysics UI は, リチウムイオンバッテリーノードが強調表示されたモデルビルダー, 対応する設定ウィンドウ, およびヒートカメラのカラーテーブルに視覚化された温度のバッテリーパックモデルを示しています.

組込みの熱力学と材料特性

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では, 入力データを収集し, それを一貫して使用することが, 時間とエラーの発生しやすいステップの1つです. 例えば, 正極と負極を同じ基準系で定義することが重要です. また, 平衡電極 (半電池) 電位は, 同じ電池系モデルに組み込む前に, 同じ基準電極, 電解質, 温度に対して測定または較正する必要があります.

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

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