DETA蓄电池锂离子电池模组热失控传播中的传热路径分析
发布时间：2026-04-01 22:36:51 点击： 次
本研究分析了锂离子电池模组中热失控的传播过程，重点关注相邻电池单体间的热量传递。热失控传播受两种机制影响：一是释放气体燃烧产生的对流传热，主要作用于电池外围区域；二是副反应导致的导流传热，主要影响电池中心部位。随着该现象在多性向电池间扩散，总产热量持续增加，从而加剧热失控强度。本研究量化了热失控触发位置与荷电状态(SOC)对热失控蔓延的影响。当热失控在模组中心触发时，由于多性向电芯同时发生反应，其产生的热量比边缘触发时多160千瓦，持续时间则缩短37秒。此外，荷电状态从33%提升至100%时，热量输出增加189千瓦，最高温度上升170°C。在最危险工况下——即100%荷电状态时中心触发热失控——热量输出达到402千瓦，持续时间为78秒。这些发现为锂离子电池安全性研究提供了关键见解，揭示了热失控蔓延特性与触发位置及荷电状态的依存关系。该研究成果可为设计更安全的电池模组提供理论依据。
由于具有工作电压高、能量密度大和响应速度快等特点，锂离子电池作为现代能源系统电气化的主要能源之一受到了广泛关注[1]。然而，这类电池也存在热失控风险，可能引发火灾甚至造成重大财产损失。这种与热失控相关的潜在安全隐患可能阻碍电池市场的发展[2][3]。因此，必须明确理解锂离子电池热失控的机制及其在相邻电池间的传播规律。
热失控是指电池组件间链式反应引发的剧烈放热反应，导致温度不可控上升、气体释放及起火现象[4]。部分研究者对热失控机制作出如下解释：当锂离子电池因受热温度超过80℃时，固体电解质界面膜（SEI）开始分解并产生大量热量，该放热反应会进一步推高电池温度。当温度达到约200°C时，电解液开始分解，可能诱发内部短路并导致温度急剧上升[5][6]。最终温度将飙升至600℃以上[7]。另有研究分析了热失控过程中释放的气体成分，指出满电锂离子电池热失控时会释放23%的H2，36% CO2，9% CO，16% CH4，及16% C2[8][9]。此类释放气体的燃烧效应对热失控现象的影响亦被阐明。燃烧热会加速电池内部副反应，导致热失控较预期更早发生[10][11]。尽管这些研究揭示了热失控的发生机制，但仅针对单体电池进行分析。为理解热失控在电池组中的传播规律，必须解析热失控过程中电池模块内相邻单体间热量传递的机理。4 [8], [9]. The effects of the combustion of such released gases on the thermal runaway phenomenon have also been explained. The combustion heat accelerates the side reactions in the battery, causing thermal runaway to start earlier than expected [10], [11]. Although these studies have explained the mechanism of thermal runaway, they considered only a single cell. To understand how thermal runaway propagates across cells, the mechanism of heat transfer between adjacent cells in a battery module during thermal runaway must be analyzed.
已有少数研究分析了电池单体间的传热机制。一项针对由20个18650型锂离子电池单体组成的电池模块在快充过程中温度分布的研究表明[12][13]，当通过狭窄汇流排施加20A大充电电流时，与汇流排连接的电池顶部区域比其他部位温度升高8℃，热量主要通过电池顶部向相邻单体传递。其他研究则分析了由六个方形锂离子电池单体组成的高倍率放电电池模块的温度分布特性[14][15]。在2C放电倍率下，放电反应在电池内部广泛发生，导致电芯中部温度比其他区域高出3℃，因此热量主要通过电池单体的中心区域进行传导转移。然而，这些研究主要集中于电池单体在正常工况下的热传递行为；关于热失控过程中电池单体间传热机制的研究则鲜有报道。部分学者尝试通过分析燃烧电动汽车(EV)的热失控传热机制来阐明该问题[16][17]。为理解电动汽车火灾特性，研究团队对一款电池能量容量为64 kWh的燃烧电动汽车进行了案例分析。然而，电动汽车火灾主要由乘客舱内的可燃材料而非锂离子电池引发；因此，电芯间在热失控状态下的传热机制仍需明确阐释。最新研究已开始系统解耦并量化主导热失控传播的传热路径。半封闭构型下的分阶段分析表明，传导主导了预点火加热阶段（68.6-78.8%），而辐射则在点火后占据主导地位（81.1-86.8%）[18]。然而，在模组尺度上由泄放气体释放与火焰驱动加热所伴随的对流贡献，其定量归因研究鲜见报道，且热传播过程中相邻电芯间传导与对流对传热的相对贡献仍不明确。
为理解热失控在电池单体间的传播机制，必须评估相邻单体间热量传递与顺序性热失控的相互作用关系。
本研究通过分析相邻电池单体间的传热相互作用，探究了电池模组内热失控传播行为。在不同触发条件下对传播特性进行评估。首先从相邻单体间传热角度研究热失控的底层机制，继而考察荷电状态（SOC）与触发位置对模组内传播特性的影响规律，最终评估不同触发条件下的热失控强度。研究结果揭示了电池模组中热失控传播的内在规律，阐明了传播特性随工作条件与触发条件的变化机制。
引言
热失控是指电池组件间链式反应引发的剧烈放热反应，导致温度不可控上升、气体释放及起火现象[4]。部分研究者对热失控机制作出如下解释：当锂离子电池因受热温度超过80℃时，固体电解质界面膜（SEI）开始分解并产生大量热量，该放热反应会进一步推高电池温度。当温度达到约200°C时，电解液开始分解，可能诱发内部短路并导致温度急剧上升[5][6]。最终温度将飙升至600℃以上[7]。另有研究分析了热失控过程中释放的气体成分，指出满电锂离子电池热失控时会释放23%的H2，36% CO2，9% CO，16% CH4，及16% C2[8][9]。此类释放气体的燃烧效应对热失控现象的影响亦被阐明。燃烧热会加速电池内部副反应，导致热失控较预期更早发生[10][11]。尽管这些研究揭示了热失控的发生机制，但仅针对单体电池进行分析。为理解热失控在电池组中的传播规律，必须解析热失控过程中电池模块内相邻单体间热量传递的机理。4 [8], [9]. The effects of the combustion of such released gases on the thermal runaway phenomenon have also been explained. The combustion heat accelerates the side reactions in the battery, causing thermal runaway to start earlier than expected [10], [11]. Although these studies have explained the mechanism of thermal runaway, they considered only a single cell. To understand how thermal runaway propagates across cells, the mechanism of heat transfer between adjacent cells in a battery module during thermal runaway must be analyzed.
已有少数研究分析了电池单体间的传热机制。一项针对由20个18650型锂离子电池单体组成的电池模块在快充过程中温度分布的研究表明[12][13]，当通过狭窄汇流排施加20A大充电电流时，与汇流排连接的电池顶部区域比其他部位温度升高8℃，热量主要通过电池顶部向相邻单体传递。其他研究则分析了由六个方形锂离子电池单体组成的高倍率放电电池模块的温度分布特性[14][15]。在2C放电倍率下，放电反应在电池内部广泛发生，导致电芯中部温度比其他区域高出3℃，因此热量主要通过电池单体的中心区域进行传导转移。然而，这些研究主要集中于电池单体在正常工况下的热传递行为；关于热失控过程中电池单体间传热机制的研究则鲜有报道。部分学者尝试通过分析燃烧电动汽车(EV)的热失控传热机制来阐明该问题[16][17]。为理解电动汽车火灾特性，研究团队对一款电池能量容量为64 kWh的燃烧电动汽车进行了案例分析。然而，电动汽车火灾主要由乘客舱内的可燃材料而非锂离子电池引发；因此，电芯间在热失控状态下的传热机制仍需明确阐释。最新研究已开始系统解耦并量化主导热失控传播的传热路径。半封闭构型下的分阶段分析表明，传导主导了预点火加热阶段（68.6-78.8%），而辐射则在点火后占据主导地位（81.1-86.8%）[18]。然而，在模组尺度上由泄放气体释放与火焰驱动加热所伴随的对流贡献，其定量归因研究鲜见报道，且热传播过程中相邻电芯间传导与对流对传热的相对贡献仍不明确。
为理解热失控在电池单体间的传播机制，必须评估相邻单体间热量传递与顺序性热失控的相互作用关系。
本研究通过分析相邻电池单体间的传热相互作用，探究了电池模组内热失控传播行为。在不同触发条件下对传播特性进行评估。首先从相邻单体间传热角度研究热失控的底层机制，继而考察荷电状态（SOC）与触发位置对模组内传播特性的影响规律，最终评估不同触发条件下的热失控强度。研究结果揭示了电池模组中热失控传播的内在规律，阐明了传播特性随工作条件与触发条件的变化机制。