一个基于数据的数据框架，用于建模和优化电力NEC锂电池中热流体机械耦合，以实现安全导向结构设计

热失控引起的膨胀、变形及随之而来的结构失效，是锂离子电池面临的关键安全挑战。本研究建立了耦合热-流体-固体多物理模拟框架，系统评估和优化动力电池在热失控期间压力释放前的结构响应。首先，比较了约翰逊-库克（J-C）和人工神经网络（ANN）模型在描述A3003铝合金高温流动行为中的预测能力。随后，利用Box-Behnken设计（BBD）和响应面方法（RSM）高效构建了一个数据驱动的替代模型，分析热产生速率、果冻滚（JR）位置和细胞高度对内部气体压力和等效塑性应变（PEEQ）的影响。基于该替代模型，进行了全局敏感性分析以量化每个参数的影响，并使用非支配排序遗传算法II（NSGA-II）进行了多目标优化。分析表明，虽然胶状滚转位置是影响流场和结构响应的最重要单一因素，但当多个因素耦合时，热贡献变得占主导地位。优化结果预测，通过合理配置设计参数，峰值气体压力和等效塑性应变分别可降低37%和82%。该数据驱动框架整合预测与优化，为下一代电池的安全导向设计提供了高效的分析工具和宝贵参考。

图形摘要

应对能源短缺和环境污染这一主要挑战需要加快新能源的开发和利用，这已成为社会讨论的焦点[1,2]。在汽车领域，锂电池因其优越特性，包括高能量密度、延长循环寿命和极小自放电，已被广泛采用为新能源汽车（NEV）的主要动力来源[3,4]。为了满足汽车对功率输出和续航的严格要求，电池必须具有高能量密度。然而，机械变形、电气过载或热滥用等异常状况可能引发电池热失控，导致车辆火灾和爆炸，严重威胁个人安全[[5]， [6]， [7]]。热失控（TR）通常发生在异常运行条件下，如内部短路或过热。在热失控过程中，锂离子电池内部的反应释放大量热量，产生易燃和有毒气体[[8]， [9]， [10]]。温度波动不仅会引发热失控的风险，还会引发热应力[11]。同时，热失控释放的巨大气体压力对电池外壳施加额外压力，可能导致破裂并带来安全隐患。因此，分析电池中热失控的膨胀行为具有重要意义。
在微观尺度上，持续的研究致力于阐明电极和颗粒尺度上的热膨胀行为。Masmoudi 等人[12]开发了一个耦合的电极粒子机械、热和化学模型，证明适中的外部压力可以延长电池寿命。陈等人为SiC复合阳极电池制定了力-化学耦合模型，确定其设计容量为650 mAh/g，设计极限容量为1150 mAh/g。学者们进一步探讨了各向异性[13]、变形[14]、相分离[15]、裂纹扩展[16]和粒子间接触应力[17]等条件下的力-化学耦合模型。Kazuhiko 等人[18]利用X射线衍射测量观测了Li [LixMn2 − x] O4晶体结构的热膨胀，最终推导出其各向异性热膨胀系数。这些研究对理解电极材料在微观尺度上的热膨胀行为有重要贡献。在中观层面，诸如微观重建[19]和均质化[20,21]等方法被广泛采用。粒子应力主要通过上述模型进行研究[22,23]。然而，由于电极材料复杂的堆叠结构，电池层面的宏观热力学膨胀行为仍然更为复杂。Filippo等人[24]设计了一个分析模型，用于模拟层压结构电池的体积膨胀。该模型使得层间应力大小的研究成为可能，并研究电化学膨胀引起的分层损伤风险。在锂电池正常充放电过程中分析的膨胀模型包括现象学模型[25,26]、均质化模型[27]、等效力学模型[28]和多物理模型[29]。最近，曹等人[30]基于物理模型对锂电池进行了建模分析，有效预测了自由和受限条件下的膨胀行为，并进行了实验验证。Mei等人[31]建立了热力学耦合模型，用于分析不同容量下的电池膨胀。模拟结果揭示了在不同放电深度和电流下，冯·米塞斯应力和位移在三个方向（宽度、厚度和高度）的现象。
上述模型主要描述电池在正常工作条件下的膨胀。然而，锂离子电池在异常条件下如内部短路和过热时容易发生热失控[32]。热失控后进行定向排气对于确保电池结构安全至关重要。因此，开发针对热失控场景的膨胀模型以识别结构薄弱点至关重要。在热失控过程中，会产生大量热量和易燃气体。Fernandes等人[33]证明，这些气体主要源于电解质的分解。尽管已有大量研究研究单细胞的热失控行为，但大多数研究集中在圆柱形和小容量棱柱形细胞[34,35]。Wang等人[36]通过实验研究了一个高容量280Ah电池中发生热失控的气体产生和火焰行为，得出结论：电荷状态（SOC）对表面温度的影响大于火焰暴露。在现有锂离子电池热失控研究中，学者们主要关注材料热稳定性[37]、安全阀打开后的压力释放[38]、热传播[39,40]和燃烧行为[6,41,42]等问题。然而，热机械耦合和通气前结构变形仍相对未被充分探索。
文献综述表明，大多数电池膨胀模型主要关注正常运行条件下的热机械耦合行为。尽管高温和热失控期间快速产生气体引起的结构失效问题亟需关注，但关于热-流体-固体耦合多场相互作用及其对安全通风口激活前结构完整性影响的研究仍然相对不足。更重要的是，现有研究很少将高精度多物理模型与高效的数据驱动优化算法结合起来，以提供结构安全设计的系统且快速迭代框架，以实现压力释放前的改进。这一差距限制了电池设计师在设计初期快速评估和优化结构应对极端热滥用场景的能力。
因此，本研究的核心贡献是构建一个综合分析框架，整合高精度模拟、数据驱动替代模型和多目标优化算法。该框架旨在深入理解并优化电力电池在热失控时安全通风口打开前的结构响应。我们首先开发了一个三维耦合热-流体-固体多物理模型，用于捕捉电池在压力释放前的变形和应力状态。随后，通过科学采样策略建立了替代模型，使不同尺寸电池的变形行为能够快速预测。基于该模型，我们系统性地研究了三个关键设计参数（热量产生率、果冻滚（JR）位置和电池高度）的影响，并提出了优化方向，旨在提升结构韧性和降低失效风险，从而为更安全的电池设计提供理论指导和高效的工程工具。