锂离子电池热-电-化学-力学模型的高阶瞬态多维模拟

我们基于连续介质理论构建了一个瞬态多维多物理场模型，涉及锂离子电池充放电过程中同时发生的力学、热学和电化学耦合现象。该过程产生了一个耦合非线性偏微分方程组。除了初始和边界条件外，我们重点处理了电极-电解质界面条件，该条件对应于 Butler-Volmer 反应动力学方程。我们给出了模型的强形式和弱形式的推导，以及空间和时间上的离散化过程。通过采用 $hp$ 分层网格的有限元方法，结合交错二阶半隐式时间积分，在二维情形下对离散模型进行了数值求解。无论是在空间还是时间上，其误差估计阶数均高于任何其他类似工作。模拟了在不同运行场景下的代表性电池单元几何结构。数值结果表明，与仅关注电化学耦合相比，完整模型能够得出重要的额外见解。随着应用电流的增加，无论是在放电还是充电过程中，考虑多物理场耦合变得更为重要。我们的完整模型为电池设计专业人员提供了一个优化设计并推动储能产业发展的宝贵工具。