Москва
Мероприятия
Блог
Войти
main-bg Подписаться в MAX
Блог

Как быстро нагревается элемент питания?

14.09.2018

Численное моделирование помогает детально изучить процесс сборки литий-ионных элементов при производстве высокотехнологичных аккумуляторных систем.

Характеристики и долговечность литий-ионных аккумуляторов сильно зависят от температуры их эксплуатации. При низких температурах аккумуляторы хуже работают, а при высоких – быстро деградируют. Таким образом, надежность аккумулятора снижается, что делает его потенциально небезопасным.

Благодаря промышленным исследованиям появились стандарты колебаний температур, которые должен выдерживать работающий аккумулятор. Напротив, гораздо меньше внимания уделялось температурам, воздействию которых аккумуляторы подвергаются на производстве: при плазменной предварительной обработке, ультрафиолетовом отверждении, лазерной сварке, ультразвуковом сшивании, горячей сборке и горячем склеивании. Литий-ионный аккумулятор может состоять из тысяч отдельных элементов, которые требуется собрать вместе. Сборка обычно включает в себя несколько стадий термообработки, причем при некоторых из них корпус или другие части ячеек на короткое время подвергают чрезвычайно интенсивному воздействию высоких температур.

Герд Либиг (Gerd Liebig) из Центра исследования энергетических технологий NEXT ENERGY EWE Ольденбургского университета в Германии объясняет: «Хорошо известно, что некоторые методы обработки, например сварка, сильно повышают температуру внутри аккумулятора. Однако мы не знаем, насколько высоко поднимается температура внутри аккумулятора и насколько сильно это вредит элементам».

Памина Бон (Pamina Bohn) из Ольденбургского университета и ученые из NEXT ENERGY тесно сотрудничают, чтобы узнать, наносят ли производственные процессы необратимый вред аккумуляторам, снижая их надежность и емкость из-за начинающихся процессов электрохимической деградации. Так как эксперименты требуют много времени, затрат и мер предосторожности, они решили выполнить валидацию собственной математической модели. Группа исследователей использовала численное моделирование, чтобы изучить различные условия эксплуатации и получить данные для любой точки модели. В физическом эксперименте это нецелесообразно или даже невозможно.

Эксперимент с термическими напряжениями

На первом этапе они измерили температуру в физическом эксперименте с модельным призматическим литий-ионным элементом, который подвергался кратковременному термическому напряжению. Собранные данные они использовали, чтобы проверить математическую модель и изучить влияние различных процессов при изготовлении элемента. Элемент состоял из скрученных рулоном анода и катода, имеющих двойное покрытие и разделенных полиолефиновым сепаратором. Такую скрученную конструкцию, которую обычно называют рулонной, пропитали органическими растворителями, имитирующими электролит аккумулятора. В элементе разместили восемь датчиков температуры: три в середине рулона, три на внешней поверхности намотки элемента и два на медном (анодном) и алюминиевом (катодном) коллекторах, которые называют также токосъемниками (рис. 1).

РИС. 1. Слева: модельный литий-ионный призматический элемент. Справа: геометрия CAD для моделирования элемента. Элемент снабжен восемью датчиками температуры: датчики O1, O2 и O3 на поверхности рулона, M1, M2 и M3 в середине рулона, A1 и A2 на токосъемниках. В модели COMSOL датчики расположены в тех же точках.

Моделирование тепловых режимов

Группа исследователей также воспроизвела трехмерную конструкцию коммерческого призматического литий-ионного элемента в программном пакете Autodesk Inventor и перенесла ее в программный пакет COMSOL Multiphysics. Они рассчитали модель теплопередачи теплопроводностью, в которой внешний источник тепла располагался в разных точках элемента в зависимости от различных производственных процессов, а другие области поверхности элемента обеспечивали естественное конвекционное охлаждение.

Физические и теплотехнические свойства отдельных материалов были определены экспериментально, после чего на их основе была рассчитана однородная область рулона, заключенная в призматическую стальную оболочку. «Из-за анизотропии компонентов элемента в модели необходимо учитывать зависимость тепловых параметров от направления», – комментирует Либиг.

Прямоугольный источник тепла был расположен в модели точно так же, как и в физическом эксперименте. На рис. 2 показано распределение температуры через 60 секунд после того, как источник тепла приложили к поверхности элемента. В областях с высокими температурными градиентами использовали более мелкую дискретизацию, полученную адаптивным измельчением сетки, чтобы обеспечить точные результаты.

РИС. 2. Результаты численного моделирования распределения температуры через 60 секунд после того, как к оболочке элемента приложен источник тепла мощностью 50 Вт.

Выявление признаков повреждения

Мультифизическая модель достаточно хорошо воспроизводила поведение модельного физического элемента. После проверки модели исследователи были готовы к моделированию распространения температур в элементе при том или ином производственном процессе.

Рис. 3 показывает распределение на выводе элемента, к которому на четыре секунды приложили тепловую нагрузку при температуре 1100 °C, как при сварке. Тепло распространяется внутрь элемента, и температура поднимается выше 100 °C. Даже после того, как внешний источник тепла удален, температура внутри элемента продолжает подниматься. Через четыре секунды после прекращения внешнего нагрева температура внутри рулона достигает 138 °C.

Бон замечает: «Такая температура приведет к необратимым повреждениям: разложению электролита, который очень чувствителен к температуре, и изменению характеристик на границе раздела «электрод – электролит». Такие изменения не только локально повреждают материалы, но и приводят к общей потере емкости и росту сопротивления элемента».

РИС. 3 Модель распространения тепла после сварки вывода при 1100 °C. Показаны распределения температуры через четыре секунды после повышения температуры на границе (слева) и через четыре секунды после удаления источника тепла (справа).

Сварка без повреждения

Исследователи хотели убедиться, что высокая плотность мощности лазерного пучка позволяет быстро проводить сварку с ограниченной передачей тепла внутрь аккумуляторного элемента. Лазерная сварка происходит очень быстро и, благодаря высокой плотности мощности пучка, может использоваться для разных металлов.

Чтобы смоделировать лазерную сварку, исследователи приложили к выводу элемента температуру 1100 °C в течение 0,2 секунды (рис. 4). Они определили, что тепло распространяется по оболочке элемента, при этом температура не поднимается выше 36 °C и не наносит вреда компонентам аккумулятора. Смоделированное распределение температуры внутри рулона хорошо согласуется с термографическими снимками, сделанными через несколько секунд после завершения лазерной сварки на литий-ионном элементе 26650.

РИС. 4. Профили температуры датчиков через четыре секунды после повышения температуры на границе до 1100 °С.

Возможности для исследований

Либиг говорит: «Теперь у нас есть надежный инструмент для моделирования. Программный пакет COMSOL Multiphysics удобен в использовании и содержит полезный набор инструментов. Его очень легко подстроить под наши задачи: от моделирования материалов до задания граничных условий. Различные физические интерфейсы, геометрические инструменты и гибкие функциональные возможности экономят очень много времени». Группа исследователей подводит итог: «Так как для разных прикладных задач требуются аккумуляторы различных типов, не существует одного идеального материала, размера или формы. Наша модель создает отличные возможности для будущих исследований. Мы можем изменять геометрию, назначение аккумулятора и материалы. Численное моделирование позволяет нам уверенно продолжать исследования литий-ионных аккумуляторов».

Герд Либиг (Gerd Liebig) и Лидия Комсийска (Lidiya Komsiyska), NEXT ENERGY. С 26 июня 2017 NEXT ENERGY переименован в DLR Institute of Networked Energy Systems.

Автор: Дженнифер Хэнд (Jennifer Hand)

Новости, истории и события
Смотреть все
Защищенные АРМы «Барьер» от «Инферит Безопасность» (кластер «СФ Тех» ГК Softline) подтвердили соответствие ФСТЭК России
Новости

Защищенные АРМы «Барьер» от «Инферит Безопасность» (кластер «СФ Тех» ГК Softline) подтвердили соответствие ФСТЭК России

09.10.2026

ВЭБ.РФ перешел на отечественное ПО от ГК Softline
Новости

ВЭБ.РФ перешел на отечественное ПО от ГК Softline

07.10.2026

ПАО «Софтлайн» проведет конференц-звонок по новым выпускам облигаций 8 октября 2026 года
Новости

ПАО «Софтлайн» проведет конференц-звонок по новым выпускам облигаций 8 октября 2026 года

07.10.2026

Команда ПАО «Софтлайн» организовала экскурсию для сотрудников ПАО «Сбербанк» на производство инновационных лазерных решений VPG LaserONE и компьютерного оборудования «Инферит»
Новости

Команда ПАО «Софтлайн» организовала экскурсию для сотрудников ПАО «Сбербанк» на производство инновационных лазерных решений VPG LaserONE и компьютерного оборудования «Инферит»

06.10.2026

ГК Softline провела киберучения для студентов ДГТУ на платформе Ampire
Новости

ГК Softline провела киберучения для студентов ДГТУ на платформе Ampire

05.10.2026

Группа «Борлас» fabricaONE.AI (акционер – ГК Softline) зарегистрировала продукт на базе ИИ – Borlas.AI:Verio
Новости

Группа «Борлас» fabricaONE.AI (акционер – ГК Softline) зарегистрировала продукт на базе ИИ – Borlas.AI:Verio

02.10.2026

ГК Softline масштабирует «Софтлайн Цифровой актив», расширяя возможности платформы
Новости

ГК Softline масштабирует «Софтлайн Цифровой актив», расширяя возможности платформы

02.10.2026

ГК Softline отмечена наградой Content AI за вклад в развитие долгосрочного технологического сотрудничества
Новости

ГК Softline отмечена наградой Content AI за вклад в развитие долгосрочного технологического сотрудничества

01.10.2026

ActiveCloud обеспечила переход HCM-платформы Stafflow в российское облако
Новости

ActiveCloud обеспечила переход HCM-платформы Stafflow в российское облако

30.09.2026

Bell Integrator fabricaONE.AI (акционер – ГК Softline) приняла участие в проекте по расширению клиентских сервисов для юридических лиц в цифровом канале дистанционного обслуживания крупного банка
Новости

Bell Integrator fabricaONE.AI (акционер – ГК Softline) приняла участие в проекте по расширению клиентских сервисов для юридических лиц в цифровом канале дистанционного обслуживания крупного банка

30.09.2026

ПАО «Софтлайн» объявляет о планируемых выпусках облигаций объемом не менее трех миллиардов рублей
Новости

ПАО «Софтлайн» объявляет о планируемых выпусках облигаций объемом не менее трех миллиардов рублей

30.09.2026

ГК Softline на ИТ-форуме РУССОФТ 2026: от суверенитета к реальным решениям для отрасли
Новости

ГК Softline на ИТ-форуме РУССОФТ 2026: от суверенитета к реальным решениям для отрасли

29.09.2026

ГК Softline объявляет о старте приема заявок на хакатон «ИИкузница»: прототип ИИ-решения для бизнеса за 48 часов
Новости

ГК Softline объявляет о старте приема заявок на хакатон «ИИкузница»: прототип ИИ-решения для бизнеса за 48 часов

28.09.2026

Листингу акций ПАО «Софтлайн» исполнилось три года
Новости

Листингу акций ПАО «Софтлайн» исполнилось три года

28.09.2026

ГК Softline включила операционную систему Astra Linux в экосистему «Софтлайн Цифровой актив»
Новости

ГК Softline включила операционную систему Astra Linux в экосистему «Софтлайн Цифровой актив»

25.09.2026

«Софтлайн Решения» (ГК Softline) победила в номинации «Проект года» премии HR Force Awards 2026
Новости

«Софтлайн Решения» (ГК Softline) победила в номинации «Проект года» премии HR Force Awards 2026

23.09.2026

Проекты Группы «Борлас» fabricaONE.AI (акционер – ГК Softline) стали победителями конкурса «1С:Проект года»
Новости

Проекты Группы «Борлас» fabricaONE.AI (акционер – ГК Softline) стали победителями конкурса «1С:Проект года»

22.09.2026

«Инфосекьюрити Сервис» (ГК Softline) будет проверять кибербезопасность судовых систем
Новости

«Инфосекьюрити Сервис» (ГК Softline) будет проверять кибербезопасность судовых систем

22.09.2026

ЦОД: основные компоненты, классификация и системы безопасности
Блог

ЦОД: основные компоненты, классификация и системы безопасности

07.10.2026

Бизнес теряет деньги на ИТ-закупках. Сокращаем издержки с помощью «Софтлайн Цифровой актив»
Блог

Бизнес теряет деньги на ИТ-закупках. Сокращаем издержки с помощью «Софтлайн Цифровой актив»

06.10.2026

ИИ-помощники для бизнеса: как искусственный интеллект меняет клиентский сервис
Блог

ИИ-помощники для бизнеса: как искусственный интеллект меняет клиентский сервис

01.10.2026

Критическая информационная инфраструктура: все, что нужно знать о КИИ
Блог

Критическая информационная инфраструктура: все, что нужно знать о КИИ

30.09.2026

Где искать деньги на внедрение российского ПО и оборудования: полный гид по мерам государственной поддержки в 2026 году
Блог

Где искать деньги на внедрение российского ПО и оборудования: полный гид по мерам государственной поддержки в 2026 году

23.09.2026

Осторожно, ИТ-аутсорсинг! Подробный разбор главных ошибок и чек-лист, как их избежать
Блог

Осторожно, ИТ-аутсорсинг! Подробный разбор главных ошибок и чек-лист, как их избежать

21.09.2026

ESM: когда компании пора переходить к сервисной модели
Блог

ESM: когда компании пора переходить к сервисной модели

16.09.2026

Платежные терминалы: что это такое, какие они бывают и как их выбрать
Блог

Платежные терминалы: что это такое, какие они бывают и как их выбрать

09.09.2026

Бухгалтерские архивы: обзор систем для хранения финансово-хозяйственных документов
Блог

Бухгалтерские архивы: обзор систем для хранения финансово-хозяйственных документов

04.09.2026

Востребованные профессии в ИТ в 2027 году: зарплаты, спрос и влияние ИИ
Блог

Востребованные профессии в ИТ в 2027 году: зарплаты, спрос и влияние ИИ

28.08.2026

Топ-20 мифов об аутсорсинге ИТ-услуг: комментарии эксперта
Блог

Топ-20 мифов об аутсорсинге ИТ-услуг: комментарии эксперта

26.08.2026

Аналоги решений Adobe в России в 2026
Блог

Аналоги решений Adobe в России в 2026

21.08.2026

Как искусственный интеллект меняет сферу образования
Блог

Как искусственный интеллект меняет сферу образования

14.08.2026

HaaS: что обсудить с провайдером до подписания договора
Блог

HaaS: что обсудить с провайдером до подписания договора

12.08.2026

Обмен файлами в компании: как избавиться от технологического зоопарка SFTP-серверов и скриптов
Блог

Обмен файлами в компании: как избавиться от технологического зоопарка SFTP-серверов и скриптов

05.08.2026

Российские системы управления проектами: какие решения заменили Jira и Trello — опыт компаний
Блог

Российские системы управления проектами: какие решения заменили Jira и Trello — опыт компаний

04.08.2026

Реестровое оборудование 2026: тренды российского рынка и экономия на налоговых льготах
Блог

Реестровое оборудование 2026: тренды российского рынка и экономия на налоговых льготах

03.08.2026

Какие бизнес-процессы автоматизировать в 2026 году для быстрого результата
Блог

Какие бизнес-процессы автоматизировать в 2026 году для быстрого результата

03.08.2026