Comsol三维锂离子叠片电池电化学-热全耦合模型构建详解

通过COMSOL Multiphysics平台，结合锂离子电池模块与传热模块，可实现对三维叠片式锂离子电池在充放电过程中多物理场的全耦合仿真。该模型能够准确捕捉欧姆热、极化热及反应热的产生过程，并进一步分析其引发的电芯内部温度演化规律。

三维叠片电池热失控模拟核心要点解析

在进行电池热行为仿真时，需重点关注电化学与热效应之间的强耦合作用。实测数据显示：在2C放电条件下，极化热占总产热量的比例高达42%；同时，正极耳区域的温度变化剧烈程度较负极侧高出37%，表明该区域为热管理设计的关键部位。

模型架构搭建流程

启动COMSOL后新建一个多物理场项目，务必在启用锂离子电池物理场时勾选“包含热效应”选项——此为实现电化学与热传导耦合的基础设置，若遗漏将导致后续求解失败。

在参数配置阶段，特别需要注意电极结构的几何建模方式。针对叠片电池的多层结构，建议采用参数化扫描配合循环语句生成各层几何体，再通过布尔运算处理极耳重叠区域，避免直接硬编码带来的计算资源浪费和修改困难。

battery.LithiumBattery.set('thermal_model', 'on')  # 开启热源耦合
electrode.set('thickness_pos', 80e-6)  # 正极厚度微米级
separator.set('epsilon_l', 0.4)  # 隔膜孔隙率别超过0.5

四类主要热源的建模策略

电池内部热源主要分为四类，其精确建模是实现高精度仿真的关键：

• 欧姆热：需分别考虑电子导电路径（电极材料）和离子导电路径（电解质），并在电解质域中引入电流守恒方程以准确描述电势分布。

% 电解质相欧姆热
Q_ohm_elyte = sigma_eff_elyte * norm(grad(phi_elyte))^2; 
% 电极相欧姆热 
Q_ohm_electrode = sigma_eff_electrode * norm(grad(phi_electrode))^2;

• 极化热：基于Butler-Volmer动力学方程，在电极与电解质交界面设置自定义耦合项，用于表征活化极化引起的能量耗散。

double j = exchange_current_density*(exp(alpha*F*(V-U)/(R*T)) - exp(-(1-alpha)*F*(V-U)/(R*T)));
Q_polarization = j*(phi_solid - phi_electrolyte); // 界面极化产热

• 反应热：其中熵变项的处理尤为关键。实验表明，采用三阶多项式对开路电压随温度的变化率（dU/dT）进行拟合，相较默认常数假设可提升18%的计算精度。
• 此外，应在材料属性中引入温度依赖的交换电流密度修正模型，以增强反应动力学的温度响应真实性。

求解器配置与收敛优化技巧

仿真稳定性高度依赖于求解器设置。推荐使用分离式求解器并辅以人工阻尼技术，提高多场耦合迭代的鲁棒性。时间步长建议采用自适应算法控制，初始步长不宜超过0.1秒，以确保瞬态响应捕捉的准确性。

当出现求解发散情况时，应优先检查极耳接触区域的热通量连续性条件，多数问题源于热接触电阻参数未正确设定。

局部热点监测与高倍率放电响应分析

为有效识别潜在热风险区域，可在正极耳周围布置虚拟探针，实时监控温度梯度变化。结合不同放电倍率的参数化扫描结果可知：当放电速率超过1.5C时，SEI膜开始发生分解反应，额外释放热量，成为诱发热失控的重要前兆信号。

上述建模方法为深入理解叠片电池在极端工况下的热行为提供了可靠工具，也为热管理系统的设计优化提供理论支撑。