在Fluent中，电池模型主要侧重于对电池单元或电池组进行热分析。电池在正常运行过程中会产生热量。为了计算热生成率，可以使用热-电化学耦合模拟。根据电池热行为和电化学行为的耦合方式，FLUENT提供了四种不同的求解方法：

• CHT耦合方法
• FMU-CHT耦合方法
• 电路网络求解方法
• MSMD求解方法

在前两种方法中，电池系统的电化学反应方面在Fluent中没有得到解决。在CHT及FMU-CHT方法中，电池的热生成率要么由用户直接指定，要么在其他软件中通过使用功能模型单元(FMU)获得。

在后两种方法中，Fluent处理了电池的电化学问题。

19.1.1 CHT耦合方法

共轭传热(CHT)耦合法是最简单的求解方法。在这种方法中，需要用户对电池运行过程中的发热率有明确的了解。在进行热分析过程中，能量方程中的热源是显式指定的。

此方法可以考虑无源导电区(包括电池接片和母线连接器)中的焦耳热。在被动区求解单电势方程，得到焦耳加热。总之，使用FLUENT求解以下方程： $$\frac{\partial \rho C_{p}T}{\partial t}-\nabla \cdot (k\nabla T)=\sigma |\nabla \varphi {|}^2+{\dot{q}}_{bat}+{\dot{q}}_{abuse}\text{\hspace{1em}(19.1)}$$

$$\nabla \cdot (\sigma \nabla \phi )=0\text{\hspace{1em}(19.2)}$$

式中，$\sigma$为无源材料的电导率；${\dot{q}}_{bat}$为电池的发热源。

其余项与MSMD解法相同。方程的第一项为焦耳加热项，其仅在无源传导区(passive conductive zones)添加。电池发热项仅在电池活动区添加。

19.1.2 FMU-CHT耦合方法

电池制造商和一些原始设备制造商(OEMs)可能有自己的电池电气性能电化学模型。FMU-CHT耦合方法为用户提供了使用自己的电化学模型的灵活性，特别是通过FMUs将其导入到Fluent中，用户可以使用自己的基于等效电路的模型。

在这种方法中，可以包含焦耳热。由Fluent求解的方程组与CHT耦合法相同。唯一的区别是，热生成率是在模拟过程中根据FMU计算的，而不是直接指定的。

19.1.3 Circuit Network求解方法

在电路网络方法中，每个电池被视为一个电路，电池组被视为一个电路网络。在电路网络中计算电池的电行为，包括电流和电压分布，并且可以获得每个电池内的发热率。就像前两种方法一样，电池内的发热被认为是均匀的。因此，每个电池的总热量均匀分布在其活动区域内。注意，即使假设电池组电池内的发热是恒定的，不同的电池组电池也可能产生不同的热量。此外，每个电池单元内的温度分布不均匀。

电池无源区内的焦耳热效应可以选择性地包括在模拟中。求解的方程组与CHT和FMU-CHT耦合方法相同。生成热通过电路网络计算。

19.1.4 MSMD求解方法

锂离子电池模拟的困难在于其多区域、多物理性质。与不同物理学相关的巨大不同的长度尺度使问题变得复杂。进行热分析时，求解目标是确定电池长度范围内的温度分布。控制锂离子传输的物理过程发生在阳极-隔板-阴极夹层中(电极对长度标度)。活性材料中的锂离子迁移发生在原子长度尺度上。多尺度多域(MSMD)方法处理不同解域中的不同物理问题。

电池热场和电场在计算流体力学领域中以电池单元的规模使用以下微分方程进行求解：

$$\frac{\partial \rho C_{p}T}{\partial t}-\nabla \cdot (k\nabla T)={\sigma }_{+}{\left|\nabla {\varphi }_{+}\right|}^2+{\sigma }_{-}{\left|\nabla {\varphi }_{-}\right|}^2+{\dot{q}}_{ECh}+{\dot{q}}_{\text{short }}+{\dot{q}}_{\text{abuse }}\text{\hspace{1em}(19.3)}$$

$$\nabla \cdot \left({\sigma }_{+}\nabla {\phi }_{+}\right)=-\left(j_{ECh}-j_{\text{short }}\right)\text{\hspace{1em}(19.4)}$$

$$\nabla \cdot \left({\sigma }_{-}\nabla {\phi }_{-}\right)=j_{ECh}-j_{\text{short }}$$

式中，${\sigma }_{+}$及${\sigma }_{-}$分别为正极与负极的有效电导率；${\phi }_{+}$及${\phi }_{-}$分别为正极与负极的相电位；$j_{ECH}$及${\dot{q}}_{ECH}$分别为体积电流传递率及电化学反应引起的电化学反应热。$j_{short}$及${\dot{q}}_{short}$分别为由于电池内部短路引起的电流传递率及热生成率。${\dot{q}}_{abuse}$为热滥用条件下热失控反应产生的热量。

对于正常操作条件下，${\dot{q}}_{abuse}$为零。源项$j_{ECH}及{\dot{q}}_{ECH}$通过电化学子模型进行计算。如果不存在内部短路，$j_{short}及{\dot{q}}_{short}$为零。

从简单的基于经验的电化学模型到底层的基于物理学的模型，在公开的文献中都可以找到。在Fluent中，实现了以下电化学子模型：

• Newman, Tiedemann, Gu and Kim (NTGK) model
• Equivalent Circuit Model (ECM) model
• Newman Pseudo-2D (P2D) model

此外，还可以通过UDF定义自己的电化学模型，并将其连接到Fluent MSMD电池模块。

要在任意有限体积的单元中使用MSMD方法，必须满足以下条件：

• 电池微层必须具有相同的方向
• 两个电势${\phi }_{+}及{\phi }_{-}$必须唯一确定

这些条件通常对于对齐的堆叠电池或具有延伸箔型连续电流片的卷绕电池来说是满足的。

MSMD方法可以求解电池内的电势分布，从而求解电池内的详细发热分布。由于该方法求解了两个额外的传输方程，因此与以前的方法相比，其计算成本更高。