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BatteryFOAM：基于OpenFOAM的锂离子电池电化学-电气-热耦合求解器
BatteryFOAM: A comprehensive electrochemical-electrical-thermal solver with OpenFOAM for computational battery dynamics
1. 主要摘要
本文开发了BatteryFOAM，一种基于OpenFOAM的锂离子电池（LIB）多物理场仿真求解器。BatteryFOAM采用NTGK（Newman-Tiedemann-Gu-Kim）半经验模型，集成电化学、电气和热模型，能够预测电池放电过程中的工作电压、传输电流、温度分布和热释放率。为了处理阳极区域不适定的Poisson型电势方程，提出了一种基于泰勒展开的新数值方法。研究表明，在0.3–6C倍率下，仿真工作电压与实验结果吻合良好（传输电流密度相对误差<0.06%），并在3C倍率和90%放电深度下预测出中心温度为320 K。此求解器可扩展至短路、过放电等异常工况的热失控仿真，为锂电池安全性和设计优化提供了理论支持。
2. 引言
随着全球电动汽车需求的快速增长，锂离子电池因其高能量密度、长寿命和环境友好性成为能源存储的主流选择。然而，电池内部的电化学反应和伴随的热效应可能导致性能退化甚至热失控，因此亟需高保真多物理场模型进行安全管理和设计优化。本文开发了一种基于开源软件OpenFOAM的电化学-电气-热耦合求解器，称为BatteryFOAM，能够高效模拟电池内部物理过程。
3. 主要内容
1. 电化学、电气和热模型的数学描述
1.1 电气模型
1.2 电化学模型
1.3 热模型
2. 数值实现与模型验证
2.1 数值求解方法
2.2 模型验证
3. 仿真结果与分析
3.1 热分布与热点位置
3.2 热生成机制分析
3.3 热失控风险评估
4. 主要结论
1. BatteryFOAM实现了高精度的多物理场耦合仿真，提升了锂离子电池性能预测能力。
提出的求解器能够准确模拟锂电池在不同倍率下的工作电压、热分布和电流密度，具有较高的计算效率和稳定性。
2. 极化热是锂电池主要的热源，需重点关注其热失控风险。
仿真结果表明，放电初期和末期的极化热生成显著增加，高热区集中于电极标签附近，需通过优化冷却系统有效降低局部热点温度。
3. BatteryFOAM为锂离子电池的热管理和安全设计提供了重要支持。
该求解器可扩展至复杂工况（如短路和过充）的热失控分析，为锂电池的可靠性和安全性改进提供了理论和实践工具。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—PBI膜的形态调控及其在锂金属电池中的性能提升
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
