用于建模电极动力学，离子传输，电荷保护，质量传输，流体流量和1D，2D和3D传热的软件
建模电池需要根据模拟的目的不同级别的细节。电池设计模块是Comsol多物理学的附加组件®从电池的多孔电极中的详细结构到电池组比例尺（包括热管理系统），包含大量尺度上的描述的软件。
这些描述涉及物理现象，例如电荷和中性物种的运输，电荷平衡，化学和电化学反应，由于电化学反应，热传递，流体流动以及其他物理现象而对理解理解的理解很重要电池系统。对于知名和经过验证的系统，可以使用集总模型，并且可以基于物理学或基于等效电路。
请注意，该产品的名称从电池和燃料电池模块变为电池设计模块，同时保留了所有功能。对于建模燃料电池和电解器的用户，这是一个新的燃料电池和电解液模块可用。
您可以使用电池设计模块进行建模
锂离子电池系统
由于其高功率和能量密度，锂离子电池是便携式应用最受欢迎的电池。电池设计模块具有用于锂离子电池的最先进型号。所谓的纽曼模型在模块中预定了科学文献中的最新发现。例如，内置了不同的衰老机制，例如SEI的生长，金属镀层，短路和电解质降解。这些高保真模型可用于1D，2D和完整的3D建模，并具有对电极颗粒中锂插入的插入的附加伪维度。
除了对电化学反应进行建模外，与传热结合时，还添加了全能量平衡。当您与锂插入的膨胀和收缩引起的结构应力和菌株还可以考虑到与锂插入的结构应力和菌株结构力学模块。
对于电池建模的最新趋势，该模块还包括异质模型的功能，其中可以为电池的代表性单元格对多孔电极和孔电解质的详细结构进行建模。这样的模型可用于更深入地了解电池微观结构的影响。
铅 - 酸电池系统
电池设计模块包含用于模拟铅酸电池的最先进的电池型号之一。该软件包括电解质（分离器和孔电解质）中离子电位的因变量，固体电极中的电势（以及电流收集器/进料器），电解质的组成以及电极的孔隙率。该模块还包含用于铅酸电池的热力学和动力学参数数据库。
一个典型的用途是研究设计参数对电池性能的影响，例如电极和分离器的厚度和几何形状，当前收集器和馈线的几何形状，电极的孔隙率，几何和组成，分离器，几个。
可以进行的研究包括完整的瞬态研究，包括双层电容的影响以及频域中的阻抗光谱研究。
通用电池系统
电池设计模块的主力是带正电极，负电极和分离器的电池单位单元的详细模型。在电极中，孔电解质与分离器中的电解质接触。
电极中的多孔结构均匀化，这意味着孔电解质和固体电极材料在空间中到处都存在，并且体积分数决定了各个相的特性。纽曼在书中设计的，用所谓的多孔电极理论对传输方程和电化学和化学反应进行处理电化学系统。
通过对多孔电极的通用描述，您可以定义电极中的任何数量的竞争反应，并将其搭配到任意组合物的电解质。例如，模块的应用程序库中包含了钒电池的教程模型。
可以用浓缩电解质，稀释电解质（Nernst – Planck方程）和支持电解质的理论来描述分离器中的孔电解质和电解质。
具有二进制电解质电池的特定版本可作为预定义功能。您可以使用它来对NIMH和NICD电池进行建模，并允许在固相（例如氢）中进行插入材料。
大型锂离子电池袋牢房中的电流分布和电极利用。该模型是一个完整的3D纽曼模型，在代表电极颗粒半径的电极中的每个点中具有第四维。
电流密度和电势电极中的电势分布。
这个钒流量电池的2D教程演示了如何将离子交换膜的第三纪电流分配模型与两个不同的流量电池的两个不同的自由电解质室的三级电流分配模型。该模型总计7种不同的离子。
电池设计模块中的功能和功能
具有任意数量电化学反应的多孔电极
电池系统和化学物质通常会受到电极上不必要的侧反应的负担，您可以研究它们对电荷和放电周期的影响以及自我释放。有一个用于预定义反应的数据库，但是您可以向电极添加任意副反应。
您能够模型的典型副反应包括氢的演化，氧气演化，固体电解质界面的生长，金属镀层，金属腐蚀和石墨氧化。
插入物种和双峰孔结构中的运输
多孔电池电极中的颗粒可以是固体（锂离子电极）或多孔（铅 - 酸，NICD）。
在固体颗粒的情况下，在包装颗粒之间发现电极中的孔隙率。然而，对于小原子（例如氢和锂原子）的固体颗粒中可能会发生运输和反应。这些插入物种是用沿固体颗粒半径定义的单独扩散反应方程进行建模的。插入物种的通量在颗粒的表面与在颗粒之间的孔电解质中运输的物种耦合。对于锂离子电池而言，插入物种和反应是预定的，但是，您可以使用相同的功能来模拟氢在例如NIMH电池中的插入。
在多孔颗粒的情况下，获得了双峰孔结构：包装颗粒和颗粒内部的微孔结构之间的大孔结构。多孔颗粒中的反应扩散方程的定义与固体颗粒中物种的插入相似。这在模块的应用程序库中包含的NICD教程模型中举例说明了这一点。
完全瞬态和阻抗光谱研究
电池系统通常是在操作过程中难以研究的封闭系统。可以使用瞬态方法，例如潜在步骤，电流中断和阻抗光谱法来表征操作过程中的电池。
瞬态研究的原理是他们能够在不同的时间尺度上分离过程。例如，动力学和扩散通常是具有不同时间常数的过程。因此，它们会在不同的频率和时间尺度上产生阻抗效果。
通过进行瞬态研究，我们可以在不同的时间尺度和频率下运行参数估计，以分离可能导致电池老化的欧姆，动力学，运输和其他损失。使用瞬态技术，建模和参数估计，我们可以非常准确地估计电池系统的健康状况。
简化和总电池系统
如果我们使用完整的3D型号进行电化学，电池组的热分析可能会很耗时。一种替代方法是为包装中的每个电池使用经过验证的总（简化）型号。一旦得到验证，混合模型可能会在特定（也许有限的）操作范围内具有出色的精度。
电池设计模块包含基于物理的总模型，并以1D和伪维度（粒子尺寸）求解电化学方程；0d加上伪维度；例如，纯0D模型，例如等效电路模型。
从详细的3D模型到集团0D模型，多组分模型可能包含完整的保真度。这些模型被合并为多组件模型文件中的单独组件。因此，当需要更新汇总模型并为新的操作范围进行验证时，很容易在集团模型之间交替并使用详细的模型。
电池系统的内置热力学和材料特性
电池系统建模中更耗时和错误的步骤之一是收集输入数据并始终如一地使用它。例如，重要的是要在同一参考系统中定义正极和负电极。在将它们合并到相同的电池系统模型中之前，必须测量或校准平衡电极（半电池）电位。
该模块中包含的电池材料数据库包含许多常见电极和电解质的条目，从而大大减少了创建新电池型号所需的工作量。
铅 - 酸电池中的正电极可能会受到用户界面中添加的氧气进化反应。该图显示了电解质盐浓度（孔电解质和分离剂）作为在20℃下排出期间的时间的函数。
NICD电池的模型，具有详细的电化学和多孔微结构中氢离子的运输。
AC阻抗光谱的参数估计，具有锂离子电池的完整基于物理（Newman）模型的参数估计。电池设计模块包括阻抗光谱作为预定义的研究。
简化了基于物理的电化学模型，用于锂离子电池与3D传热分析结合使用。背面的每个电池单位单元都有简化的温度依赖性电化学模型。
电极电位的功能是不同电极的电荷状态（SOC）的函数，并且可以从内置数据库中获得许多化学物质的电子导体的电导率以及电子导体的电导率。
每个业务和每个模拟都需要不同。
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