许多应用使用多个电池通过串联或并联连接的电池系统。在Fluent中,MSMD方法已扩展到模拟电池系统。在模拟电池组时,Fluent使用连续区域法,其中在所有导电区域上连续求解两个电势方程。在单电池的情况下,两个电势方程可以解释为,其中为正极的电势场,为负极的电势。在多电池系统中,情况更加复杂,如下所述。

下图地显示了三个电池单元串联连接的示例。

电池组系统中两个电势方程的解域

一个电池的正极连接到下一个电池负极。因此,第一个电池的与第二个电池的大致相同,换言之,第一个电池的和第二个电池的问题应在同一区域中求解。我们仍然只能使用两个电势场来捕获电场,然而不能再将它们解释为正负极的电势场。

在图中,网格区域使用了不同的灰度,以演示正在求解的不同方程(为了表述方便,引入了区域的水平(level),以标记给定区域需要求解的方程):

  • 活性区(Active Zone,发生电化学反应的区域)属于两个水平。均求解:在奇数级别的区域中求解,在偶数级别的分区中求解
  • 无源区(极耳或母排)仅属于一个水平,其中仅求解一个电势方程。

例如,对于串联连接的N个电池,将有N+1个水平。除了第一个和最后一个水平外,每个水平都是孤立的,因为没有通量穿过其边界。两个水平仅通过方程源项耦合。在所有导电区上连续求解两个电势方程。然而,在无源区只求解一个电势方程,通过将电导率设置为零,排除了第二个方程。

电池组中的电池可以通过“真实连接”或“虚拟连接”进行连接。

实际连接指的是模型中的母排需要进行网格划分及物理求解。

虚拟连接是未在模型中显式解析母排或极耳体积。相反,连接信息在电池连接定义文件中提供。求解器读取该信息,并通过虚拟连接设置每个单独电池的电边界条件。

使用虚拟连接可以节省为母排与极耳生成网格的时间和精力,这些体积通常非常薄且难以网格化。缺点是在这些未解析体积中无法考虑电阻和焦耳加热。