Points forts de COMSOL Multiphysics^® 6.3

Pour les utilisateurs du module Battery Design, la version 6.3 de COMSOL Multiphysics^® introduit de nouvelles fonctionnalités pour la modélisation d'électrodes à particule unique, une nouvelle interface pour modéliser le transport dans n'importe quelle solution électrolytique, et la possibilité de spécifier les courants en termes de taux C. Découvrez ces nouveautés ci-dessous.

Fonctionnalités de modélisation d'électrodes à particule unique

Une option de modèle Deux électrodes a été ajoutée à l'interface Modèle réduit de batterie qui peut être utilisée pour définir le potentiel d'électrode, la capacité de stockage initiale et le degré de conversion individuellement pour les deux électrodes d'une batterie. Cette fonctionnalité permet également aux utilisateurs de définir les propriétés individuelles des électrodes afin de tenir compte de l'activation ohmique et des surtensions de concentration. Lorsque les surtensions de concentration sont prises en compte, le modèle réduit de batterie Deux électrodes devient identique à ce que l'on appelle communément dans la littérature un modèle à particule unique (SPM).

En outre, une fonctionnalité Électrode poreuse mince a été ajoutée aux interfaces Batterie lithium-ion et Batterie avec électrolyte binaire. Elle peut être utilisée pour définir des électrodes aux frontières d'un domaine plutôt que de devoir créer un domaine. Cette fonctionnalité met en oeuvre un SPM en supposant que la distribution de courant et la composition de l'électrolyte sont constantes le long de l'épaisseur de l'électrode — par exemple, lors de charges modérées. Il est également possible de combiner cette fonctionnalité de frontière avec la théorie du transport d'électrolyte concentré dans le domaine du séparateur, cette approche de modélisation étant appelée modèle à particule unique avec dynamique de l'électrolyte (SPMe) dans la littérature scientifique.

Ces fonctionnalités sont illustrées dans le tutoriel Single-Particle Modeling of Lithium-Ion Batteries.

Les réglages de l'interface Modèle réduit de batterie et les courbes de tension en fonction du temps pour différents types de modèles, dont le nouveau modèle à particule unique. Dans le graphique, le modèle complet utilise comme référence le modèle Doyle-Fuller-Newman (DFN). Les modèles SPM réduit, SPM et SPMe sont des simplifications du modèle DFN.

Option de taux C pour la spécification des courants totaux

Un réglage permettant de spécifier le courant en termes de taux C aux frontières du collecteur de courant est désormais disponible. Un taux 1C correspond au courant nécessaire pour charger ou décharger complètement une batterie en une heure. L'option Multiple du taux C est disponible dans toutes les caractéristiques d'électrodes où une condition de courant total peut être spécifiée, par exemple, dans l'interface Modèle réduit de batterie et, lorsque la caractéristique Etat de charge et distribution de charge initiale est activée, dans les interfaces Batterie lithium-ion et Batterie avec électrolyte binaire. Les modèles suivants illustrent cette nouvelle fonctionnalité:

• lmo_decomposition (nouveau)
• li_battery_multiple_materials_1d
• li_battery_solid_electrolyte
• li_battery_thermal_2d
• li_plating
• lib_single_particle
• lumped_li_battery_capacity_loss
• pouch_cell_utilization
• sei_formation

Définition d'une condition aux limites de courant de taux C dans le tutoriel Electrode Utilization in a Large-Format Lithium-Ion Battery Pouch Cell.

Transport d'électrolyte concentré

Une interface Transport d'électrolyte concentré est maintenant disponible pour modéliser le transport dans n'importe quelle solution d'électrolyte avec un nombre arbitraire d'espèces chargées et non chargées. Cette interface d'électrochimie est basée sur la théorie des solutions concentrées, pour laquelle les équations de transport sont définies en utilisant des coefficients de diffusion binaires de Maxwell-Stefan en supposant une électroneutralité locale. Contrairement aux équations de Nernst-Planck, la théorie de la solution concentrée ne suppose pas que les espèces électrolytiques soient diluées dans un solvant neutre de concentration constante. Les électrolytes typiques qui peuvent être modélisés comprennent les liquides ioniques, les sels fondus et les solutions hautement concentrées présentant des gradients de concentration non négligeables des espèces porteuses de charge. Le nouveau tutoriel Molten Carbonate Transport illustre cette fonctionnalité.

Les réglages d'un électrolyte de carbonate fondu et la fraction d'ions K⁺ (graphique) par rapport au nombre total de cations dans l'électrolyte d'un sel de carbonate fondu.

Formulation logarithmique pour le transport de masse dans l'électrolyte

Une formulation logarithmique de la concentration en sel de l'électrolyte a été ajoutée aux interfaces Batterie lithium-ion et Batterie avec électrolyte binaire. La nouvelle formulation élimine les problèmes liés aux valeurs négatives de concentration en sel dans l'électrolyte (dues à des erreurs numériques durant la résolution). Cette fonctionnalité améliore la convergence lors de la résolution des équations de modèles présentant des taux de charge et/ou de décharge élevés, qui peuvent entraîner un appauvrissement local de l'électrolyte dans les électrodes. La formulation logarithmique est particulièrement utile dans le cadre de l'estimation de paramètres ou de l'apprentissage de modèles de substitution pour améliorer la convergence dans tout l'espace des paramètres. Les tutoriels Surrogate Model Training of a Battery Rate Capability Model et Surrogate Model of a Battery Test Cycle illustrent cette nouveauté.

La nouvelle formulation logarithmique est activée dans l'application Surrogate Model Training of a Battery Rate Capability Model afin d'assurer la convergence dans l'espace des paramètres durant l'étape Apprentissage du modèle de substitution.

Fonctionnalité de liste d'événements explicites dans l'interface Evènements

Un événement explicite est souvent utilisé dans l'interface Evènements pour arrêter momentanément le solveur temporel, redéfinir la valeur d'une ou plusieurs variables d'état à un moment explicite donné, avant de relancer le solveur. La définition des changements de charge dans un modèle de batterie à l'aide d'événements plutôt que de fonctions continues dépendant du temps peut entraîner des gains de performance considérables, car la transition continue entre les étapes de courant de charge n'a pas à être résolue dans le temps. Dans l'interface Evènements, une nouvelle fonctionnalité Liste d'événements explicites permet de définir plusieurs événements explicites à l'aide d'une liste de temps et de valeurs de variable correspondantes pour une variable d'état commune. La saisie se fait sous forme de tableau, ce qui signifie que la liste d'événements peut être chargée à partir d'un fichier texte. Le tutoriel 1D Lithium-Ion Battery Drive-Cycle Monitoring a été mis à jour pour utiliser cette nouvelle fonctionnalité.

Résultats de la simulation du cycle de charge dans le tutoriel 1D Lithium-Ion Battery Drive-Cycle Monitoring, utilisant la nouvelle fonctionnalité Liste d'événements explicites.

Modèles de résultats dans les interfaces de transport d'espèces chimiques

La création de graphiques pertinents et visuellement attrayants de systèmes réactifs peut se révéler chronophage, car il y a souvent de nombreux réactifs et donc de nombreux champs de concentration à représenter. Pour gagner du temps, il existe plusieurs nouveaux Modèles de résultats dans les interfaces Transport d'espèces chimiques. Parmi ceux-ci, des modèles de réseaux de graphiques sont maintenant disponibles pour inclure jusqu'à quatre concentrations d'espèces simultanément dans la fenêtre Graphiques. Les Modèles de résultats sont disponibles pour toutes les interfaces de Transport d'espèces chimiques, indépendamment du produit complémentaire, mais sont particulièrement utiles pour les interfaces de transport multicomposants incluses dans les modules CFD, Porous Media Flow, Subsurface Flow, et Microfluidics.

La fenêtre Modèles de résultats et un réseau de graphiques représentant tous les champs de concentration modélisés dans le tutoriel Fine Chemical Production in a Plate Reactor.

Nouveaux tutoriels et mises à jour de tutoriels

La version 6.3 de COMSOL Multiphysics^® enrichit le module Battery Design de plusieurs tutoriels nouveaux ou mis à jour.

Lithium Plating and Stripping

Perte d'inventaire de lithium en fonction du temps au cours d'un cycle de charge à différentes températures.

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

Copper Current-Collector Dissolution

Tension de cellule en fonction du temps de décharge pour une batterie lithium-ion à oxyde de manganèse (LMO)-graphite. En raison de la dissolution du matériau actif LMO, la capacité diminue au cours du cyclage.

Nom de l'application:
lmo_decomposition
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LMO Decomposition

Tension de cellule en fonction du temps de décharge pour une batterie lithium-ion à oxyde de manganèse (LMO)-graphite. En raison de la dissolution du matériau actif LMO, la capacité diminue au cours du cyclage.

Nom de l'application:
lmo_decomposition
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Surrogate Model of a Battery Test Cycle

Cette application montre comment utiliser une fonction de modèle de substitution pour prédire la tension de la cellule, la tension de la cellule en circuit ouvert et la résistance interne d'une cellule de batterie lithium-nickel-manganèse-cobalt (NMC111)-graphite subissant un cycle de test de batterie.

Nom de l'application:
lib_test_cycle_surrogate
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Heterogeneous Lithium-Ion Battery

Niveaux de lithiation des matériaux d'électrodes actifs, pour le silicium et le graphite (électrode négative) et le NMC (électrode positive).

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

Single-Particle Modeling of Lithium Ion-Batteries

Tension en fonction du temps pour différents modèles utilisant les nouvelles fonctionnalités de modélisation à particule unique.

Nom de l'application:
lib_single_particle
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Digital Twin Analyzer of an Electric Scooter Battery

Cette application collecte les données de l'application Digital Twin Simulator et évalue l'état de santé (SOH) et l'état de charge (SOC) de la batterie via une estimation de paramètres. L'application Digital Twin Analyzer of an Electric Scooter Battery représente le jumeau numérique d'une batterie de trottinette électrique.

Application Library Titles:
lib_digital_twin_analyzer
lib_digital_twin_simulator
Lien de téléchargement de l'application