小到玩具、无人机、手机和笔记本电脑，大到医疗设备和电动汽车，锂离子 (Li-ion) 电池为各种类型的设备提供电能。而偏离最佳工作温度会导致锂离子电池性能下降或失效，因此需要控制其工作时的内部温度分布，为不同设备高效供电。使用多物理场仿真是分析锂离子电池温度分布的一种有效方法。
这篇文章，我们将探讨如何模拟锂离子电池组中的热分布，并讨论基于该模型创建的一个仿真 App。模拟电池中的热分布
高保真建模可以详细了解电池的性能和行为，深入理解如电池单元内的电流和电势分布、电池内锂离子的浓度和传输、由于电池老化导致的容量衰减以及失效机理。虽然详细模型可以深入理解单个电池单元，但计算成本太高，无法用于预测大型电池组的性能。此外，对于从电池制造商处购买电池的汽车制造商来说，很难测量或获取建立高保真模型所需的单电池单元模型的输入参数。对于完整的电池组仿真，集总模型可以提供可接受的精度、较低的计算成本和较少的输入参数。集总模型所需的输入参数有：锂电池组设计器仿真 App 模型中，由 200 个电池组成的电池模块，文末我们将对此进一步讨论。
接下来的部分，我们将分享一个使用集总建模方法建立的电池组热模型示例。其中，电池组的几何形状被建立为 3D，集总电池接口用于定义单个电池单元的热特性。COMSOL Multiphysics® 中的集总建模方法
让我们看看如何在 4C 放电电流下模拟电池组中的温度分布。我们要模拟的电池组（或模块）由 6 对圆柱形电池组成，它们被连接在一起形成 6 节串联、2 节并联 (6s2p) 的配置，这种电池组在玩具和便携式医疗器械等小型设备中很常见。请注意，相同的建模程序可用于模拟数百个电池，例如汽车中的电池模组，详见上图中的电池模组。使用两个对称平面可以确保只需要计算三个单电池单元的温度分布。模型中添加了三个集总电池接口用于定义各自的热源，然后将它们与传热接口耦合。![]()
示例模型的几何结构。
电池组中电池的位置会影响他们工作时的温度。在该模型中，三个 21700 圆柱电芯（直径 21mm，高 70mm）彼此相邻放置。根据 6s2p 的配置，小的铝连接条位于圆柱的顶部和底部。假设整个电池组被包裹在塑料中，形成一个充满空气的域。假设每个电池的额定容量为 4Ah，额定电压为 3.7V，则该电池组的额定容量约为 178Wh。用于模拟单个圆柱电池的每个集总电池接口都包含与温度相关的欧姆电阻、交换电流和扩散时间常数参数。使用传热接口模拟温度分布，其中电池模型产生的热源使用电化学加热多物理场节点模拟。因此，每个单元都有一个单独的集总模型。在这个模型中，我们忽略包裹电池的空气域中的对流，假设其处于静止状态。使用对流冷却条件设置电池组的外边界。使用对称（无通量）条件设置面向其他电池组的内部对称平面边界。每个电池单元的热导率是各向异性的，在柱坐标系中遵循电池内部的圆柱卷绕结构定义每个电池圆柱体，该卷绕结构由电池内部的金属箔、电极和隔膜组成。圆柱卷绕电池径向方向的导热率比角方向和 z 方向的低，这是由圆柱卷绕中螺旋缠绕金属箔所导致的。电池组在 4C 放电倍率下持续放电 12 分钟，从 100% 到 20% SOC 。在不同的电池中添加了用于探测温度和电池电位的探针，以便在求解时可以直观地表示结果。12 分钟后电池组的表面温度。
可以观察到，电池组最内部的温度比最外部的温度大约高 2ºC，此温度差在更大的电池模组中可能会增加至几十度。如下图左所示，最外层电池（电池1）的放电电压略低，这是由于在较低的温度下，欧姆损耗和交换电流的略低，扩散时间系数略高。各层电池对应的温度如下图所示。放电期间的单个电池的电压。
一段时间内的平均电池温度。
模拟包含 200 个电池单元的电池组
如前文所述，上述电池组模型为 6s2p 配置。下一节我们即将讨论的锂电池组设计器仿真 App 可用于模拟包含数百个电池的电池组。在给定的工作电流下，使用该仿真 App 模拟只需要不到一分钟的时间！由仿真 App 模拟的由 200 个电池单元组成的电池组模型。
使用仿真 App 优化电池设计过程
即使是非仿真专家也可以使用 COMSOL® 软件强大的计算功能。COMSOL Multiphysics 中的 App 开发器允许仿真专家开发用户界面友好的仿真 App，这些 App 省去了相关建模细节，只保留用户希望控制的参数。COMSOL App 库中的锂电池组设计器 App 就是一个用户友好的仿真 App 示例。用户可以先使用实验数据估算出电芯的欧姆过电位、扩散时间常数、无量纲交换电流等参数，然后选择电池组设计参数(电池组类型、电池数量、配置和几何形状)、电池材料属性和运行条件。最后，使用所选电池组设计中的参数化电池单元模型，对整个电池组的动态电压和热行为进行模拟。![]()
锂电池组设计器仿真 App。
拓展阅读
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