基于COMSOL多物理场仿真的锂电池电芯内部温度场仿真与热失控温升预测、散热结构优化研究

锂电池充放电、快充、滥用工况下内部产热分布极不均匀，极耳、集流体、活性颗粒区域易形成局部热点，常规单点热电偶测试仅能采集电芯外壁温度，无法捕捉内部微观温度梯度、界面焦耳热与极化热耦合演化规律。COMSOL Multiphysics多物理场仿真可耦合电化学、固体传热、流体散热、相变分解多场方程，精准复现电芯从正常充放电到热失控全过程温度演化，提前预判热点位置、量化温升速率，指导极片结构、液冷流道、隔热层、汇流排散热优化，大幅降低实物迭代测试成本。但仿真模型依赖精准电化学热物性参数、界面接触热阻、副反应放热动力学方程，参数偏差会造成仿真与实测温升出现显著偏移，需结合热失控平台标定修正模型。本文完整阐述COMSOL锂电热仿真建模流程、多场耦合控制方程、仿真标定方法，对比不同散热结构仿真结果，给出适配PACK系统的电芯热仿真优化方案。

一、锂电池COMSOL多物理场仿真核心耦合物理场与控制方程

1. 电化学产热场

电芯总产热包含四大热源，全部嵌入COMSOL电化学接口： 1）欧姆焦耳热：极片、铜铝集流体、极耳导电损耗产热； 2）浓差极化热：高低倍率充放电锂浓度梯度引发极化产热； 3）活化极化热：电化学反应界面活化能损耗产热； 4）副反应放热：SEI膜分解、电解液氧化、正极释氧热失控链式放热（内置阿伦尼乌斯分解动力学模型）。 总产热密度作为固体传热模块体积热源双向耦合。

2. 固体传热场

求解电芯正负极、隔膜、电解液、铝塑膜固体导热方程，设置各向异性导热系数（极片横向/纵向导热差异大），极耳与汇流排、电芯与冷板之间添加接触热阻边界条件，模拟界面导热损耗。

3. 流体散热场（液冷/风冷PACK）

引入层流流体接口，仿真冷却液在冷板流道流速、换热系数分布，耦合固体传热实现电芯-冷板对流换热计算，对比不同流道截面、流量、排布方式散热效果。

4. 热失控相变产气辅助场

高温电解液相变汽化、固态电解质分解产气可添加稀物质传递模块，同步仿真内部气压膨胀、产气阻碍散热加剧温升的耦合效应。

二、COMSOL电芯热仿真完整建模步骤

1. 几何建模：建立电芯极片卷绕/叠片三维简化几何，忽略微米级微小孔隙以降低计算量，保留极耳、集流体关键发热结构；
2. 材料参数赋值：录入正负极导热系数、比热容、电导率、电解液离子电导率、各副反应放热焓变；
3. 多物理场耦合搭建：电化学产热→固体传热→流体散热双向耦合；
4. 边界条件设置：环境对流散热系数、冷板恒温边界、充放电电流载荷、初始25℃常温；
5. 网格划分：极耳、极片界面加密网格，电芯外壳粗网格平衡计算精度与求解速度；
6. 稳态/瞬态求解：稳态仿真满充静态温度分布；瞬态仿真持续快充、针刺触发热失控动态温升曲线；
7. 模型标定：使用thermsafe.cn加速热失控平台实测温升数据修正接触热阻、副反应动力学参数，消除仿真误差。

三、仿真核心输出指标与典型仿真对比数据

仿真量化规律：无液冷结构电芯快充过程极耳温升速率是极片中部12倍；流道加宽、冷却液流量提升可降低电芯最大温差，但流量超过阈值后散热增益趋近饱和，仿真可快速寻优经济流量区间；叠片电芯相较卷绕电芯内部温度均匀性提升约15%。

四、仿真模型常见误差来源与标定修正方法

1. 接触热阻偏差：极片与冷板、极耳焊接界面热阻难以理论计算，采用平台实测温升反向拟合修正；
2. 副反应动力学参数不准：高温热失控阶段电解液分解、释氧放热焓变通过差示扫描量热DSC测试导入仿真；
3. 几何简化损耗：过度简化极耳、集流体微小结构会低估局部焦耳热，关键发热区域必须加密几何与网格；
4. 各向异性导热忽略：极片横向导热远高于厚度方向，单一导热系数会大幅低估电芯纵向温差。

行业通用标定流程：24小时常温恒流充放电温升测试，提取电芯表面多点温度曲线，迭代修正COMSOL热阻与产热参数，完成标定后仿真与实测温升吻合度可达95%以上。

五、基于仿真的PACK散热结构优化工程方案

1. 电芯本体结构优化

仿真对比不同极耳宽度、厚度、引出位置温度场：加宽极耳、双极耳对称引出可降低极耳热点温升30%；叠片结构替换卷绕电芯改善内部温度均匀性，降低局部析锂风险。

2. 液冷系统流道优化

COMSOL流体仿真对比直流道、蛇形流道、微通道散热：微通道冷板换热效率更高，但流阻提升、水泵能耗增加；仿真可同步权衡散热性能与能耗，确定最优流道截面与排布间距。

3. 模组隔热缓冲优化

热失控蔓延仿真对比不同厚度气凝胶隔热层：2mm气凝胶可将相邻模组温升抑制至安全区间，过厚隔热会提升正常工况电芯工作温度，仿真可平衡隔热与常规散热矛盾。

六、仿真应用局限与工程落地建议

COMSOL多物理场仿真属于数值预测工具，无法完全替代实物热失控针刺、挤压安全测试，仅适用于前期结构迭代、参数寻优，大幅减少试验次数；硫化物固态电池、高截止电压4.80V高压电芯副反应机理复杂，现有标准电化学模块数据库不全，需补充材料热物性DSC、ARC加速量热测试数据完善模型。 量产PACK开发流程建议：先COMSOL仿真多方案对比筛出3组最优结构→热失控平台实物测试标定模型→再仿真细化尺寸参数，兼顾开发效率与安全可靠性。热安全数据库thermsafe.cn配套电芯热物性、副反应焓变数据集，可直接导入COMSOL缩短建模标定周期。

七、总结

COMSOL多物理场耦合仿真能够直观呈现锂电池三维内部温度场、动态温升速率、热点分布，量化电芯结构、液冷、倍率、电压对热安全的影响规律，为电芯结构、PACK散热系统轻量化、低成本优化提供数值支撑。建模精度核心在于精准材料热物性参数与实物温升标定，完成标定后仿真可高效预判热失控风险，指导热管理与BMS预警阈值设计，是动力电池热安全开发不可或缺的数字化仿真手段。

参考文献

• 孙浩, 周明, 吴凯. 基于COMSOL多物理场仿真的锂离子电池内部温度场及热失控预测与散热优化[J]. 电池, 2025, (4): 718-725. DOI: 10.19535/j.1001-1579.2025.04.010.
• 锂电池全套热物性+COMSOL仿真标定测试数据集：https://www.batterypub.com/thesisDetails?columnId=127042478