バッテリデザインモジュールアップデート
COMSOL Multiphysics® バージョン6.4では, バッテリデザインモジュールをご利用のユーザー向けに, 新たなパワー損失変数の導入, 任意の充放電負荷サイクルの定義機能, および角形電池における伝熱のモデリング精度と操作性が大幅に向上しました. これらのアップデート内容の詳細については以下をご覧ください.
パワー損失評価変数
電気化学 インターフェースに新たに導入されたパワー損失変数を使用することで, 電池セルにおける総パワー損失の大きさを評価し, セパレータ, 電極, 電流導体などの個々の構成要素間の損失を比較することが可能になりました. これらの変数は, 充電・放電負荷サイクル下での電池セルの往復エネルギー効率を, 時間経過に伴うパワー損失を積分することで計算するのにも使用できます.
パワー損失は, 反応および輸送される全物質のギブズ自由エネルギーの損失に基づいて定義され, オーム損失, 濃度損失, 活性化損失を区別することができます. 粒子挿入をサポートする電池インターフェースでは, 個別の挿入輸送損失変数も定義されます. これらの変数は, ドメインおよび境界上でローカルな値として, セル全体にわたる積分値として, もしくは個々のモデルツリーノードごとの値として利用可能です. 各損失メカニズム (オーム損失, 活性化損失, 輸送損失) の過電圧寄与は, 総電流で除算することで計算できます.
この機能は, 新しいチュートリアルモデル リチウムイオンバッテリの電力損失 で確認できます.
負荷サイクル
複雑なサイクル設定の簡便なセットアップを可能にするため, ほとんどの 電気化学 インターフェースに新たな 負荷サイクル 機能が追加されました. この機能を使用すると, 電圧, パワー, 電流, C レート, 休止 ステップを任意の順序で追加し, 任意の充放電負荷サイクルを定義できます. 負荷サイクルの各ステップでは, 時間, 電圧, 電流の制限値, および任意の変数式を用いたユーザー定義条件に基づく, 1つまたは複数の動的継続/中断 (切り替え) 基準を定義できます. 多様な負荷サイクル定義オプションに加え, この新機能では電流・電圧プローブの自動定義やソルバー停止条件の設定も可能です.
サブループ サブ機能を使用すると, 例えば, 長期の充放電サイクル試験と基準性能試験を組み合わせて実施することができます. なお, パワー および サブループ サブ機能は, バッテリデザインモジュールおよび燃料電池 & 電解槽モジュールでのみご利用いただけます.
この機能を説明するために, 次のチュートリアルモデルが更新されました:
- li_battery_1d
- lib_base_model_1d
- lib_diffusion_induced_stress
- li_rate_capability
- lib_drive_cycle
- lib_single_particle
- li_battery_multiple_materials_1d
- li_plating_with_deformation
- zn_ago_battery_1d
- lithium_sulfur
- li_battery_thermal_2d_axi
- li_battery_thermal_3d
- li_battery_pack_3d
角形電池における伝熱
角形電池の伝熱を正確にモデリングしやすくするため, 伝熱 インターフェースの 電池層 ノードに, 新しい フラット側面楕円形 (角柱状) 層構成オプションが追加されました.
半円筒形選択 および 長方形ブロック選択 サブ機能により, 電池層 機能は, 角形電池ジェリーロール内の異方性熱伝導率テンソルを正しく指定するために必要な, 円筒座標系と直交座標系の組み合わせを自動的に定義できるようになりました. これにより, 異なる電池構成層とその巻き取りを考慮した, ジェリーロール内の熱伝導率を正確に記述できます. この新機能は, チュートリアルモデル 液冷角柱型バッテリパック および 角柱型電池の冷却 でご覧いただけます.
バッテリパックの2電極モデルオプション
バッテリパックの各セルにおける個々の電極挙動をモデル化するため, 従来 集中電池 インターフェースで利用可能だった 2電極 モデルオプションが, 新たに バッテリパック インターフェースでも利用可能になりました.
このモデルオプションを使用すると, 各セル内の2つの電極に対して, 電極電位, 初期ホスト容量, および変換度を個別に定義できます. また, 抵抗性過電圧, 活性化過電圧, 濃度過電圧を考慮する個別の電極特性を定義するのにも使用できます. 濃度過電圧を含める場合, この 2電極 モデルは文献で一般的に単粒子モデル (SPM) と呼ばれるものに相当します. この機能は, 新しいチュートリアルモデル 液冷角柱型バッテリパック でご覧いただけます.
水性電解質輸送
弱酸, 弱塩基, 両性イオン, および一般的な複合種を特徴とする水性電解質のモデリング, ならびに機構論的腐食モデリング, 生物系の電気化学モデル, 電気化学センサーモデリングなどの用途向けに, 新しい 水性電解質輸送 インターフェースが追加されました. これは, 希薄水性電解質中の電位および化学種の濃度場を計算します. この輸送は, 拡散, マイグレーション, 対流に加え, 電気中性と水の自己イオン化平衡反応 (自己プロトロシス) を組み込んだネルンスト・プランク方程式によって定義されます. 方程式反応のより効率的な処理とモデル設定の容易さから, この新しいインターフェースは, より汎用的な 3次電流分布 (ネルンスト・プランク) インターフェースよりも, 使用が適当な場合があります.
イオン交換膜モデルの自動初期化
電気的中性とドナン平衡の遵守のため, 3次電流分布 (ネルンスト・プランク) インターフェースの イオン交換膜 機能に 初期値に Donnan シフトを追加オプション が追加されました. このオプションは, 有効な イオン交換膜 ドメインノードの 初期値 機能で指定された初期濃度および電位値を自動的にシフトします. これは, ユーザー定義値が膜と平衡状態にあるバルク液体電解質の値を表すと仮定しています. シフトされた初期値はソルバーの初期値として使用されます. このオプションを有効にすると, 追加の解析ステップで膜の固定空間電荷を所定の非ゼロ値までスイープする必要がなくなるため, モデル設定が簡略化されます. この機能はチュートリアルモデル 電気透析セルでの脱塩 でご覧いただけます. この機能は Vanadium Redox Flow Battery チュートリアルモデルで確認できます.
周期条件
ダルシー則 および リチャーズ方程式 インターフェースに新たな 周期条件 機能が追加され, 2つ以上の境界間の流れに対して周期性を容易に強制できるようになりました. さらに, 圧力ジャンプを直接指定するか, 質量流量を規定することで, ソース境界と行先境界間に圧力差を生成することが可能です. 周期条件は, 代表体積要素のモデル化や, 均質化された多孔質媒体の有効特性の計算に一般的に用いられます.
自由および多孔質流れカップリングにおける圧力ジャンプオプション
自由および多孔質流れカップリング には, 自由媒体と多孔質媒体の境界における圧力ジャンプを考慮する新オプションが追加されました. これにより, 例えば多孔質スペーサー材料で支持された半透膜における浸透圧や, 多相流における毛管圧力による圧力ジャンプなどのモデル化が可能になります.
新規およびアップデートされたチュートリアルモデル
COMSOL Multiphysics® バージョン 6.4 では, バッテリデザインモジュール にいくつかの新規およびアップデートされたチュートリアルモデルが追加されました.
液冷角柱型バッテリーパック
リチウムイオン電池の開回路電圧と差動電圧のモデリング
リン酸鉄リチウム (LFP) 電極における電圧ヒステリシス
リチウムイオン電池の充電時間の最小化
リチウムイオン電池の電力損失
