用于模拟锂离子CAT蓄电池热失控的控制体自由元法
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-10-20 11:01:52 点击： 次
摘要
锂离子电池的安全性是一个关键问题，本文介绍了一种利用控制体积自由元法（CVFrEM）进行热失控模拟的新方法。该方法独特地将无网格技术的几何适应性与有限体积法固有的局部守恒特性相结合。电池内部产热和传热的控制方程通过CVFrEM框架进行离散化，从而确保在局部控制体积层面上的严格能量守恒。为了准确捕捉控制内部反应的非线性阿伦尼乌斯动力学，CVFrEM公式中实现了一种耦合求解算法。所提出的方法经过实验数据和参考结果的严格验证，证实了其预测准确性和卓越的数值稳定性，特别是在涉及陡峭热梯度的场景中。总体而言，这项工作为预测热失控事件提供了一种有前景的数值工具，并为推进电池安全模拟提供了宝贵的见解。
锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率，已成为电动垂直起降飞行器（eVTOL）的主流储能技术[1然而，随着对更高能量密度的需求不断增加，充放电速率提高，工作环境也变得更加恶劣，关于热失控的安全问题已成为限制锂离子电池进一步发展的关键瓶颈。2,3]. Thermal runaway is a catastrophic chain reaction characterized by a rapid, uncontrollable rise in temperature, often leading to fire, explosion, and the release of toxic gases [4,5]. To mitigate these risks, accurate prediction and simulation of the thermal runaway process are essential for the design of effective battery thermal management systems and safety protection strategies.
热失控的模拟需要全面理解电池内部发生的复杂电化学和热力学现象[6]. This process is typically initiated by abusive conditions—mechanical, electrical, or thermal—that set off a cascade of exothermic reactions. Common abuse scenarios include nail penetration, overcharging, and external heating. The chain of events generally begins with the breakdown of the solid electrolyte interphase (SEI) layer, which subsequently triggers reactions between the anode and the electrolyte and between the cathode and the electrolyte, as well as electrolyte decomposition [7,8].
从数学上讲，这些过程由控制热传递和物质守恒的耦合偏微分/常微分方程来描述。产热速率通常使用阿伦尼乌斯动力学进行建模，这使得系统具有高度的非线性和刚性。虽然一维和二维模型已被广泛用于研究电池层级的行为[9,10]，但三维模拟对于捕捉电池模块中温度场的空间异质性和热失控的传播变得越来越必要[11].
由于剧烈的温度梯度以及传热、电场和化学反应的耦合，热失控控制方程的数值求解具有挑战性。商业软件（如ANSYS Fluent或COMSOL Multiphysics）中采用的主要数值方法是有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）[11].
FVM将计算域离散化为控制体，并应用控制方程的积分形式，确保穿过控制体边界的通量保持平衡[12]. 这种方法对于涉及对流主导传热和复杂边界条件的问题具有鲁棒性。有限体积法（FVM）因其严格的质量和能量守恒而在计算流体力学（CFD）和传热领域受到广泛青睐，特别是在模拟锂离子电池热滥用场景方面非常有效 [13]. However, FVM can struggle with accurately capturing sharp thermal fronts and steep gradients, which are characteristic of thermal runaway events.
有限元法（FEM）也广泛用于模拟锂离子电池的热行为。它对复杂几何形状和边界条件具有高精度，使其适用于详细的电芯级热分析 [14]。有限元法利用变分原理最小化控制方程的残差，从而得到一个可以数值求解的代数方程组。然而，有限元法的计算成本远高于有限体积法，因为它需要进行区域积分，并且使用的系数矩阵带宽更大。
此外，有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）都是依赖网格的方法。因此，网格质量将直接影响计算精度。而且，对于高度非线性问题，扭曲的单元可能导致迭代过程中发散。为了克服网格扭曲问题，研究人员探索了无网格方法[15,16,17]，例如平滑粒子流体动力学（SPH）[18]和无单元伽辽金（EFG）方法[19]。Lin和Wang提出了一种时空无网格方法，用于模拟电池等多孔介质中的传热过程[20]. Susuki等人使用界面修正的再生核粒子法模拟了锂离子电池的热失控过程[21]。他们的研究展示了无网格方法在模拟热失控方面的巨大潜力。然而，这些方法在强制执行边界条件[22]和局部守恒定律方面存在困难，而这些对于准确捕捉热失控事件期间的能量平衡至关重要。
控制体自由单元法（CVFrEM）已成为一种极具前景的数值技术。CVFrEM将无网格方法的几何灵活性与有限体积法（FVM）的局部守恒特性相结合[23]。此外，有限元法（FEM）中使用的等参数单元及其形状函数被用于计算场变量及其梯度[24]. Unlike traditional FEM/FVM, CVFrEM does not require a predefined mesh topology; instead, it uses scattered nodes to construct local elements, with a control volume defined around each node to ensure the conservation of mass, momentum, and energy. Because of the delta property of the shape functions, the boundary conditions can be easily enforced [25], which is particularly advantageous for simulating the complex boundary conditions and multi-physical problems.
在本文中，我们提出了一种基于CVFrEM的新型数值框架，用于模拟锂离子电池的热失控过程。本研究的主要贡献如下：
- 公式：我们使用CVFrEM方案推导了电池产热和传热的离散控制方程，确保在局部控制体层面满足能量守恒。
- 耦合：我们在CVFrEM框架内实现了一种耦合算法，以处理化学反应的非线性阿伦尼乌斯动力学。
- 验证：所提出的方法通过实验数据和参考结果进行了验证，证明了其在处理陡峭热梯度时的准确性和卓越的稳定性。
本研究旨在提供一种稳健且无网格的数值工具来预测电池热失控，为电池安全模拟提供新的见解。
2. 材料与方法
2.1. 电池中的传热
固体中的通用传热方程可以表示为：
