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锂离子电池热失控传播高效多物理场建模框架，通过三维热源集总简化实现500倍加速，误差<5%，支持不同阴极材料和几何结构的参数泛化，提升电池包安全设计效率。
郭恩智（Eunji Kwak）|郑镇镐（Jinho Jeong）|金俊亨（Jun-hyeong Kim）|吴基荣（Ki-Yong Oh）
汉阳大学机械融合工程系，韩国首尔城东区王 Sinni-ro 222 号，邮编 04763
摘要
本研究提出了一个计算效率高的多物理场框架，用于估算锂离子电池（LIB）组的热失控传播（TRP）。该框架解决了实验模型和传统模型在成本和计算负担方面的实际应用挑战，为 LIB 组的 TRP 提供了一个设计支持工具。该框架整合了热反应和放热反应以及压力子模型，并采用了一种新颖的加速策略，旨在确保 LIB 组的安全性和可靠性。具体而言，该框架通过简化 LIB 内部的放热动力学计算来减少控制偏微分方程的数量。空间分布的热生成的三维剖面也被转化为等效的集总热模型，使得计算速度比传统的有限元方法快 500 倍。值得注意的是，该框架在估算电动汽车中使用的 LIB 组的 TRP 时，总热生成的准确性保持在 5% 以内，表明其在速度和准确性方面都表现出色。基于物理信息的参数估算方法适用于各种正极化学成分和电池几何形状。使用不同模块几何形状（棱柱形和圆柱形）和正极化学成分进行的广泛实验验证证实了该框架的准确性、稳健性和适用性。因此，该框架通过提供一套稳健且通用的参数集，为 LIB 组的设计提供了支持，从而提高了实际应用中的安全性和可靠性。
引言
随着电动汽车和储能系统对高能量密度锂离子电池（LIB）需求的增加，热安全性问题日益受到关注 [1]。在潜在的危害中，TR 是最危险的故障模式之一，其特征是链式反应导致快速、自我加速的放热反应，可能引发火灾、爆炸和有毒气体释放 [2]。然而，由于锂离子电池模块和组的多物理场特性，表征或估算其热失控传播（TRP）仍然极具挑战性，尤其是在设计阶段。具体来说，LIB 的 TRP 估算需要将热力学与内部材料（如固体电解质界面（SEI）、阳极和阴极）的各种化学反应结合起来，随后还会产生气体、压力升高、火焰和结构破坏 [3]、[4]、[5]。鉴于 LIB 模块和组在 TRP 时的高度非线性和危险行为，必须通过标准化实验协议（如 UL 9540 中定义的协议）来验证其热安全性。
实验方法是研究 LIB TRP 特性的基础。加速率量热法（ARC）是测量 LIB 电池自加热特性的最基本实验方法之一，可以量化 TR 期间的热量释放率和总热生成量 [6]。ARC 提供了与不同正极化学成分相关的关键热参数，这对于理解热滥用条件下的 TR 行为和特性至关重要。差示扫描量热法和热重分析通过测量热流、质量损失和反应焓，进一步提供了有关 LIB 模块和组热稳定性的宝贵信息，有助于表征放热反应的起始和进展 [7]、[8]。气相色谱-质谱法还可以识别和量化 TR 期间释放的气体成分，为早期危险检测和有毒气体排放评估提供重要信息 [9]。然而，当应用于电池组级别的分析时，实验方法存在显著局限性，主要是因为多模态诊断工具的成本高昂且获取受限 [10]。优化 LIB 组的设计通常需要大量的迭代实验和不同的设计参数调整，包括模块间距、绝缘材料和外壳配置。然而，这些实验迭代的成本很高，并且由于时间和资源限制而受到很大限制 [11]。这些限制表明迫切需要一种能够有效考虑 LIB 模块和组 TR 行为关键特性的设计支持解决方案，从而减少实验迭代次数。
已经开发了多物理场模型来提供设计支持，这些模型可以在单个电池中再现 TR 的关键特性 [12]。单个 LIB 电池的 TR 模型通常是通过结合内部组分的热力学方程和化学反应（包括 SEI、阳极、阴极和电解质）构建的。这种方法通过解决能量平衡的偏微分方程（PDE）和具有共享变量的阿伦尼乌斯方程，形成了 TR 模型的基础结构 [13]。热-电化学耦合的 TR 模型能够详细分析空间和时间梯度以及化学降解动态，这些在实验中是无法测量的。此外，气体生成是 TR 期间的关键危险指标，涉及有毒物质，并通过计算爆炸下限（LEL）直接预示爆炸风险。因此，通过添加理想气体和纳维-斯托克斯方程的 PDE，进一步整合了包括压力升高 [14]、气体排放行为 [15] 和火焰动态在内的多物理场现象。先进的多物理场模型提高了模型的保真度，并提供了包括热传递、气体演化和压力上升在内的多模态现象，这些在实验中难以或无法同时测量。因此，这些模型为设计有效的热管理策略提供了宝贵的见解。然而，高保真度的有限元方法（FEM）由于精细的空间离散化和小的自适应时间步长，需要较大的计算负担，限制了其在全电池组规模上的应用 [16]。这也限制了对 LIB 模块和组 TRP 的分析，意味着需要进行更多研究以确保其热安全性和可靠性。
为了提高电池组级别 TRP 估算的计算效率，已将降阶模型（ROM） [17] 整合到 TR 模型中。具体来说，ROM 和集总参数热阻网络通过减少控制方程和维度的数量，实现了从电池到电池组的 TR 建模的可扩展性 [18]。这种简化旨在减少在计算多个 PDE 时非线性对自适应时间步长的影响，特别是在温度在几秒钟内上升数百摄氏度的刚性区域。维度也从 3D 简化为 1D 或 0D，从而显著减少了时间步数和自由度（DOF），表明 ROM 在计算上非常高效。ROM 的这些优势不仅实现了 TR 模型的电池组级别扩展，还考虑了 LIB 模块和组 TRP 的重要特性。然而，这些方法忽略了 LIB 电池的多个多物理场现象，包括化学分解动力学、复杂的气体生成机制以及 TRP 期间的热-气体耦合现象 [19]。由于 ROM 依赖于特定案例的数据或经验拟合，它们在不同操作条件或电池配置下的通用性较差 [20]。这些限制降低了其在多种电池配置和滥用场景下的可靠性和预测能力，强调了需要一种新的建模方法，以在计算效率和多物理场保真度之间取得平衡。
为了解决以往研究中的局限性和挑战，本研究提出了一个计算效率高的多物理场框架，用于估算 LIB 模块和组的 TRP。该框架的创新之处在于计算 LIB 组的多物理场现象，并提供了一套从电池级别到电池组级别都适用的通用参数集，这使其区别于范围和适应性有限的传统 ROM。本研究的主要贡献和进展总结如下：
-本研究提出了一个快速且准确的 LIB 组 TRP 多物理场模型，该模型结合了简化和加速策略，以高精度保留总热生成量。通过将三维热生成梯度简化为集总项，该模型实现了大约 500 倍的计算速度提升，同时保持了 5% 的总体热生成量准确性，从而实现了 LIB 模块和组 TRP 的高效估算。
-该框架整合了热力学和电化学方程，准确捕捉 TR 期间化学分解和热响应之间的耦合多物理场相互作用。该集成框架允许虚拟估算气体生成，分析关键安全参数，并适用于各种正极材料、电池几何形状和模块或电池组规模。
-该方法通过结合热反应和放热反应模型，为 NMC 和 LFP 电池、模块和电池组确定了一套基于物理信息的参数集。这种方法大大减少了在不同配置和优化场景下进行经验参数估算所需的计算工作。
-全面的分析和与实验的定量比较证明了该框架的准确性、稳健性和通用性。结果证实，该模型能够可靠地预测不同几何形状、模块排列和正极化学成分下的 LIB 组 TRP。这种多功能性凸显了其重要的实际价值，使其成为优化 LIB 组配置的设计支持工具，以及电池热管理系统中 TR 分析的数字孪生模型。
-本文的其余部分安排如下。第 2 节描述了所提出的框架，包括 LIB 组的多物理场 TR 模型和模型中应用的加速策略。第 3 节描述了用于验证所提出框架的实验。第 4 节深入讨论了模型验证。最后，第 5 节提出了结论和未来研究的建议。
部分摘录
提出的框架
本研究提出了一个计算效率高的多物理场框架，用于估算 LIB 组的 TRP。该框架旨在通过结合三种多物理场现象和一种新颖的加速策略，快速准确地估算可扩展和多用途 LIB 组的 TRP，从而提供实用的设计支持解决方案（图 1）。
首先，热模型使用能量平衡方程来模拟 LIB 组的热力学行为，包括热传递
实验
本研究对每种 NMC 和 LFP 电池进行了 TR 实验，以估算参数并验证所提出的框架。参考文献 [32]、[33]、[34]、[35] 中的实验数据用于验证和证明所提出框架的有效性。图 2（a）显示了使用实验数据进行的参数估算、验证和确认的三个详细阶段。NMC 和 LFP 电池的规格列在表 1 中。请注意，所有电池均在 100% 的条件下进行测试
结果与讨论
在本节中，我们将深入讨论所提出的方法。具体来说，4.1 小节介绍了从文献中获取的 LIB 电池参数以及所提出加速方法中的可调参数。4.2 小节验证了所提出加速方法的基本假设。4.3 小节使用 LIB 模块进行了准确性验证，4.4 小节定量比较了所提出方法的估算 TR 传播与
结论
本研究提出了一个计算效率高的多物理场框架，用于预测 LIB 组的 TRP。该模型整合了热、放热反应和气体生成子模型，以捕捉 TR 期间的复杂多物理场相互作用。本研究的主要发现和贡献总结如下：
•高速计算和高保真度：通过将热生成简化为集总项，新型加速策略实现了 500 倍的速度提升，同时误差仅为 5%
CRediT 作者贡献声明
吴基荣（Ki-Yong Oh）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。金俊亨（Jun-hyeong Kim）：资源提供。郑镇镐（Jinho Jeong）：资源提供。郭恩智（Eunji Kwak）：撰写 – 原稿撰写、软件开发、项目管理、方法论、数据管理、概念化
资金信息
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府（MSIT）提供，项目编号 RS-2025-00514361），以及韩国国家消防局（NFA）资助的“运输和储存阶段可重复使用电池的消防安全标准开发”项目（项目编号 RS-2024-00408270）的支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
