Points forts de COMSOL Multiphysics^® 6.4

Pour les utilisateurs du module Battery Design, la version 6.4 de COMSOL Multiphysics^® introduit de nouvelles variables de pertes de puissance, la possibilité de définir des cycles de charge-décharge arbitraires et une modélisation nettement plus conviviale et précise du transfert de chaleur dans les batteries prismatiques. Pour en savoir plus sur les nouveautés, lisez la suite.

Variables d'évaluation des pertes de puissance

Il est désormais possible d'évaluer l'ampleur des pertes de puissance totales dans une cellule de batterie et de comparer les pertes entre les différents composants, tels que le séparateur, l'électrode et le conducteur de courant, à l'aide des nouvelles variables de pertes de puissance introduites dans les interfaces Électrochimie. Ces variables peuvent également être utilisées pour calculer le rendement énergétique aller-retour d'une cellule de batterie sous un cycle de charge-décharge en intégrant les pertes de puissance dans le temps.

Les pertes de puissance sont définies sur la base des pertes d'énergie libre de Gibbs de toutes les espèces réactives et transportées, ce qui permet de différencier les pertes ohmiques, les pertes de concentration et les pertes d'activation. Dans les interfaces de batterie qui prennent en charge l'intercalation de particules, des variables de pertes de transport d'intercalation distinctes sont également définies. Ces variables sont disponibles localement sur les domaines et les frontières, sous forme de valeurs intégrées sur l'ensemble de la cellule ou par noeud individuel de l'arborescence du modèle. Les contributions de surtension de chaque mécanisme de perte (ohmique, d'activation et de transport) peuvent être calculées en les divisant par le courant total.

Cette fonctionnalité est illustrée dans le nouveau tutoriel Power Losses in a Lithium-Ion Battery.

Pertes de puissance liées à l'électrode négative, au séparateur et à l'électrode positive d'une batterie lithium-ion lorsqu'elle est soumise à un test de caractérisation de la puissance d'impulsion hybride.

Cycle de charge

Afin de simplifier la configuration des schémas de cyclage complexes, une nouvelle fonctionnalité Cycle de charge a été ajoutée à la plupart des interfaces Électrochimie. Cette fonctionnalité peut être utilisée pour définir des cycles de charge-décharge arbitraires, dans lesquels des étapes Tension, Puissance, Courant, Taux C et Repos peuvent être ajoutées dans n'importe quel ordre. Pour chaque étape du cycle de charge, un ou plusieurs critères de continuation ou d'interruption (commutation) dynamiques peuvent être définis, qui peuvent être basés sur des limites de temps, de tension ou de courant, ainsi que sur des conditions définies par l'utilisateur à l'aide d'expressions de variables arbitraires. Outre les options polyvalentes de définition des cycles de charge, la nouvelle fonctionnalité permet également de définir automatiquement les sondes de courant et de tension, ainsi que les conditions d'arrêt du solveur.

Avec la sous-fonctionnalité Sous-boucle, il est possible, par exemple, de combiner des tests de cycles de charge-décharge à long terme avec des tests de performance de référence. Notez que les sous-fonctionnalités Puissance et Sous-boucle ne sont disponibles que dans le module Battery Design et le module Fuel Cell & Electrolyzer.

Les tutoriels suivants ont été mis à jour afin d'illustrer cette fonctionnalité :

• li_battery_1d
• lib_base_model_1d
• lib_diffusion_induced_stress
• lib_internal_resistance
• 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

Modélisation de batterie à l'aide de la nouvelle fonctionnalité Cycle de charge. Dans ce modèle, la séquence du cycle de charge est composée d'une étape de courant imposé (décharge), une étape de repos, une étape de courant imposé (charge) et une étape finale de repos.

Transfert thermique dans les batteries prismatiques

Afin de faciliter la modélisation précise du transfert thermique dans les batteries prismatiques, une nouvelle option de configuration de couche Ovale plat (prismatic) a été ajoutée au nœud Couches de batterie dans les interfaces -Transfert de chaleur.

Avec les sous-fonctionnalités Sélection du demi-cylindre et Sélection de bloc rectangulaire, la fonctionnalité Couches de batterie peut désormais définir automatiquement les systèmes de coordonnées cylindriques et cartésiennes combinés nécessaires pour spécifier correctement les tenseurs de conductivité thermique anisotrope dans les enroulement de batteries prismatiques. Cela permet d'obtenir une description précise de la conductivité thermique, tenant compte des différentes couches de composants de la batterie et de leur enroulement. Examinez cette nouvelle fonctionnalité dans les tutoriels Liquid-Cooled Prismatic Battery Pack et Cooling of a Prismatic Battery.

Un modèle de pack de batteries utilisant la nouvelle option de configuration de couche Ovale plat (prismatic) pour définir la conductivité thermique des jelly rolls.

Option de modèle à deux électrodes dans les pack de batteries

Pour modéliser le comportement individuel des électrodes dans chaque cellule d'une batterie, l'option de modèle de type Deux électrodes, auparavant disponible dans l'interface Modèle réduit de batterie, est désormais également disponible dans l'interface Pack batterie.

Cette option de modèle peut être utilisée pour définir séparément le potentiel des électrodes, la capacité initiale de stockage et le degré de conversion pour les deux électrodes dans chaque cellule. Elle peut également être utilisée pour définir les propriétés individuelles des électrodes afin de tenir compte des surtensions ohmiques, d'activation et de concentration. Lorsque les surtensions de concentration sont prises en compte, le modèle « Deux électrodes » correspond à ce qui est communément appelé dans la littérature le modèle à particule unique (single particle model). Découvrez cette fonctionnalité dans le nouveau tutoriel Liquid-Cooled Prismatic Battery Pack.

Modèle de batterie utilisant la nouvelle option Deux électrodes pour définir la composition chimique des cellules.

Transport d'électrolyte aqueux

Pour la modélisation d'électrolytes aqueux contenant des acides faibles, des bases faibles, des ampholytes et des espèces complexes génériques, ainsi que pour des applications telles que la modélisation du mécanisme de la corrosion, les modèles électrochimiques de systèmes biologiques et la modélisation de capteurs électrochimiques, une nouvelle interface Transport d'électrolyte aqueux calcule les champs de potentiel et de concentration d'espèces dans un électrolyte aqueux dilué. Le transport est défini par les équations de Nernst-Planck, qui intègrent la diffusion, la migration et la convection, ainsi que l'électroneutralité et la réaction d'équilibre d'auto-ionisation de l'eau (autoprotolyse). En raison de son traitement plus efficace des équations de réactions et de sa configuration plus simple, la nouvelle interface peut être préférable dans certains cas à l'interface plus générique Distribution de courant tertiaire, Nernst-Planck.

Définition de la stoechiométrie et de la cinétique d'une réaction électrochimique dans l'interface Transport d'électrolytes aqueux.

Initialisation automatique des modèles de membranes d'échange ionique

Afin de garantir l'électroneutralité et la conformité avec les équilibres de Donnan, la fonctionnalité Membrane d'échange ionique de l'interface Distribution de courant tertiaire, Nernst-Planck comprend désormais une option Ajouter le décalage de Donnan aux valeurs initiales. Cette option modifie automatiquement les valeurs initiales de concentration et de potentiel spécifiées dans la fonctionnalité Valeurs initiales pour le noeud de domaine actif Membrane d'échange ionique, en supposant que les valeurs définies par l'utilisateur représentent les valeurs d'un électrolyte liquide en équilibre avec la membrane. Les valeurs initiales décalées sont ensuite utilisées comme valeurs initiales pour le solveur. L'activation de cette option simplifie généralement la configuration du modèle en éliminant la nécessité de balayer la charge spatiale fixe de la membrane jusqu'à une valeur non nulle souhaitée via une étape d'étude supplémentaire. Découvrez cette fonctionnalité dans le tutoriel Vanadium Redox Flow Battery.

Fenêtre de réglages de la fonctionnalité Membrane d'échange ionique dans l'interface Distribution de courant tertiaire. La nouvelle option Ajouter le décalage de Donnan aux valeurs initiales est activée par défaut.

Condition périodique

Une nouvelle fonctionnalité Condition périodique a été ajoutée aux interfaces Loi de Darcy et Equation de Richards pour imposer facilement la périodicité de l'écoulement entre deux frontières ou plus. En outre, il est possible de créer une différence de pression entre les frontières source et destination, soit en précisant directement le saut de pression, soit en imposant un flux massique. La condition de périodicité est généralement utilisée pour modéliser des volumes élémentaires représentatifs et pour calculer les propriétés effectives à utiliser dans des milieux poreux homogénéisés.

Utilisation de la nouvelle fonctionnalité Condition périodique pour estimer la perméabilité d'un milieu poreux constitué d'un réseau périodique de sphères.

Option saut de pression pour le Couplage de l'écoulement en milieu libre et poreux

Le Couplage de l'écoulement en milieux libre et poreux comporte une nouvelle option pour inclure un saut de pression à travers la frontière libre-poreux. Cela permet de modéliser, par exemple, la pression osmotique au niveau d'une membrane semi-perméable, soutenue par un matériau intercalaire poreux, ou un saut de pression dû à la pression capillaire dans le cas d'un écoulement multiphasique.

Utilisation de la nouvelle option Inclure le saut de pression à travers la frontière libre-poreux pour le Couplage de l'écoulement en milieux libre et poreux pour modéliser la pression osmotique au niveau d'une membrane semi-perméable fine dans une unité de dessalement.

Nouveaux tutoriels et modèles mis à jour

La version 6.4 de COMSOL Multiphysics^® enrichit la bibliothèque de modèles du module Battery Design avec de nombreux tutoriels, nouveaux ou mis à jour depuis la dernière version.

Liquid-Cooled Prismatic Battery Pack

Un modèle de batterie prismatique montrant la répartition de la température dans les jelly rolls, les conducteurs de courant et les busbars.

Nom de l'application:
prismatic_battery_pack_cooling
Lien de téléchargement de l'application

Open-Circuit Voltage and Differential Voltage Modeling of a Lithium-Ion Battery

Tension de la cellule en fonction de l'état de charge (SOC) de 0 % à 100 %. Les lignes bleues représentent la cellule à l'état neuf, tandis que les lignes vertes correspondent à une cellule présentant une perte de 20 % de son stock de lithium. Les lignes pleines indiquent la tension de la cellule ; les lignes pointillées indiquent la tension différentielle.

Nom de l'application:
lfp_voltage_hysteresis
Lien de téléchargement de l'application

Voltage Hysteresis in a Lithium Iron Phosphate (LFP) Electrode

Tension de la cellule vs Capacité pendant la délithiation-lithiation.

Nom de l'application:
lfp_voltage_hysteresis
Lien de téléchargement de l'application

Minimizing the Charging Time of a Lithium-Ion Battery

Caractéristiques de charge optimale par rapport à la charge initiale. La ligne bleue continue représente la fonction de taux C optimisé (taux C, axe des ordonnées à gauche), qui permet de charger la batterie de 0 % à 90 % SOC en environ 26 minutes. Les courants parasites de vieillissement correspondants (lignes vertes) sont représentés sur l'axe des ordonnées à droite.

Nom de l'application:
lib_charge_rate_optimization
Lien de téléchargement de l'application

Power Losses in a Lithium-Ion Battery

Pertes de puissance résultant de différents phénomènes dans une batterie lithium-ion.

Nom de l'application:
lib_power_losses
Lien de téléchargement de l'application