面向锂离子电池精准设计的全三维电化学-热耦合模型快速仿真与参数优化策略

本文针对锂离子电池（LIB）仿真建模中存在的精度不足、计算成本高和数据维度有限等问题，提出了一种基于18650 LiFePO4（LFP）电池的全三维（3D）电化学-热耦合模型，并开发了跨维度（CD）映射与“中高温优先、低温二次细调”的系统参数优化策略，显著提升仿真效率与精度，为电池设计与性能预测提供重要技术支撑。

　　

Nomenclature（术语表）

Acronyms（缩写）

LIB：锂离子电池

LFP：磷酸铁锂（LiFePO₄）

3D：三维

CD：跨维度

P2D：伪二维

RMSE：均方根误差

SEP：隔膜

PE：正极

NE：负极

PCC：正极集流体

PT：正极极耳

NCC：负极集流体

NT：负极极耳

Subscripts（下标）

s：固相

e：电解液相

eff：有效值

a：阳极

c：阴极

max：最大值

ref：参考值

amb：环境

surf：表面

Full 3D electrochemical-thermal model development（全三维电化学-热耦合模型开发）

本研究以Soshine 18650磷酸铁锂（LiFePO₄）电池为研究对象，其结构包含钢壳、卷芯、集流体和极耳。卷芯由正极（PE）材料、隔膜（SEP）、负极（NE）材料及电解液组成。正极材料为LFP，负极为石墨。正极集流体（PCC）和正极极耳（PT）为铝材，负极集流体（NCC）和负极极耳（NT）为铜材。电池基本参数详见表1。

Model calibration and optimization strategy（模型校准与优化策略）

全三维卷绕式锂离子电池的电化学-热耦合模型涉及25–35个相互关联的参数，这些参数共同决定电池性能。参数选择与校准对构建精确仿真模型至关重要。这些参数分为三类：电化学参数、几何参数和固定参数。电化学参数包括固相/电解液相扩散系数、反应速率常数等；几何参数涉及电极厚度、卷绕层数等；固定参数则为材料本身特性，如密度、比热容等。

Critical sensitive parameters tuning results（关键敏感参数调优结果）

对流换热系数?决定了电池工作时的散热能力。图12(a)(b)展示了在25°C和0°C下、1C放电条件下逐步调整该系数引起的温度变化。如橙色箭头所示，随着对流换热系数增大，仿真模型的整体温升在两种温度条件下均逐渐降低，表明散热增强对温度控制具有显著影响。

Conclusion（结论）

本研究提出了一种面向全三维卷绕式锂离子电池模型的快速仿真与参数调优策略。结果表明，全三维模型能有效捕捉电池内部复杂物理现象。主要结论如下：

1. 1.
   在全三维几何模型构建过程中，卷绕单元结构设计为“PCC-PE-SEP-NE-NCC-SEP-PE”，该构型确保了电池内部结构的稳定性……