汽车动力系统的绿色转型是解决当今能源危机和环境污染的有效途径[1,2]。凭借高能量密度和长循环寿命的优势，锂离子电池在众多储能设备中脱颖而出，成为新能源汽车的首选电源[3,4]。为了满足eVTOL（电动垂直起降）飞机的续航需求，开发高功率密度的锂离子电池已成为必然趋势[5,6]。然而，高功率电池运行过程中的高温和不均匀的温度分布对电池的寿命和安全性有显著影响[7,8]。因此，全面理解高功率锂离子电池的热特性至关重要。
明确电池内部的发热机制是研究温度分布的关键，因为电池内部的发热来源于多种热源[9]。然而，电池的运行条件极其复杂，温度、C率和充电状态都在不断变化。传统的实验方法只能测量有限的热量产生数据，且耗时和材料资源较多。因此，许多学者提出了数学建模方法来分析锂离子电池的热量产生。经过数十年的发展，现有的模型主要包括电化学-热耦合模型[[10], [11], [12], [13]]、电-热耦合模型[[14], [15], [16], [17]]和热失控模型[[18], [19], [20], [21]]。电-热耦合模型采用等效电路模型结合集总热模型，具有建模简单和计算要求低的优势，但计算精度较低。因此，它们适用于快速、粗略的温度和电压预测[22]。电化学-热耦合模型由电化学子模型和热子模型组成。电化学子模型通过考虑电化学反应来真实反映电极过程。最著名的例子是Newman的伪二维（P2D）模型，而热子模型大多基于Bernardi的发热方程构建。研究人员通常结合这些子模型来研究电池的发热机制、电化学和热特性以及热管理设计[12]。最后，热失控模型考虑了热失控过程中的反应，以模拟在机械、热和电化学滥用等极端条件下的电池发热[23]。目前，研究人员根据实际需求设计模型。
电化学-热耦合模型对于彻底理解锂离子电池的热特性是必要的。以前，由于计算限制，研究人员主要使用简化的耦合方法来研究不同条件下的热量产生和电化学行为（C率[[24], [25], [26], [27]]、环境温度[[28], [29], [30]]、快速充电[31,32]]、电极厚度[33,34]、N/P比[35]、散热条件[[36], [37], [38]]等）。例如，杜等人[39]开发了一个1D电化学-3D热耦合模型，验证了不同C率下的放电曲线和热行为。他们分析了极化和欧姆加热的贡献。康等人[34]为18650电池构建了一个1D电化学-2D旋转热模型，研究了电极厚度对整体性能的影响，发现厚度增加会降低效率，但提高了容量、功率、温度和热转换效率，因为产生了更多的热量。金等人[38]使用1D电化学-3D热模型评估了不同结构组合的电池冷却效果，发现垂直和水平管组合的集成冷却效率高于单管。因此，他们提出了比传统复合板冷却更优的方案。
随着计算能力的提高，精细建模变得越来越普遍[[40], [41], [42]]。李等人[43]为棱柱形电池建立了一个3D电化学-热耦合模型，验证了不同温度下的放电性能和电池热量产生。他们还分析了不同环境温度下的电解质锂离子分布，并研究了不同电池厚度对放电的影响。何等人[44]构建了一个忽略厚度方向温度不均匀性的3D耦合模型，研究了电化学和热特性。他们的结果表明，过电位和电流密度分布导致了热量产生率和温度的不均匀性。同样，林等人[45]综合比较了三种不同尺寸和复杂性的电化学-热耦合模型，忽略了厚度方向的温度分布，并研究了不同环境温度和散热条件对热特性的影响。在许多现有研究中，电化学-热耦合在空间分辨率或组件表示方面仍然简化，温度不均匀性通常被现象学地处理。特别是，在高倍率放电条件下，均匀和非均匀热源在塑造温度分布中的各自作用尚未得到充分探索。
在这项工作中，为无人机设计的高倍率条件下的4.4 V LiCoO2/石墨（LCO/Gr）商用软包电池开发了一个完整的3D电化学-热耦合模型。所有主要电池组件，包括正极、负极、隔膜、集流体和极耳，都采用了统一的空间分辨率，以确保电流分布、热量产生和电池内部热传导的一致处理。模型考虑了不均匀温度分布与电极反应速率之间的相互作用。为了验证模拟的温度变化和分布，使用了热电偶和红外成像设备，并与传统的P2D电化学-3D热耦合模型的模拟结果进行了比较。随后，基于电化学反应的不均匀性，定性地阐明了温度分布的变化。最后，在不同C率放电过程中定量分解了热源，并基于这种分解，进一步研究了不同冷却配置（包括单独顶部冷却、单独底部冷却和全局冷却）对电池温度分布的影响。本研究的目的不是引入新的建模框架，而是为评估软包电池的热管理策略提供一个经过高倍率验证且物理上一致的基础，提供与实际热设计相关的速率和几何依赖性见解。
