DETA蓄电池重型电动汽车双层锂离子电池组射流火焰驱动火灾传播的建模与缓解
发布时间：2026-04-08 20:29:00 点击： 次
重型电动汽车中双层电池组的部署带来了独特的火灾隐患，其中下层电池热失控产生的喷射火焰会通过辐射和对流热传递触发上层电池的级联失效。尽管实验研究已阐明此类多层热失控传播中的关键现象，但目前仍缺乏一个耦合产热、Gas排放、组分扩散及燃烧的综合多物理场模型，这阻碍了合理的安全设计。本研究提出了一个集成多物理场模型，该模型能够捕捉从初始热失控到模块间火灾传播过程中温度、压力和质流量的时空演变。该模型与实验数据(R2温度与事件时序的相关系数≈0.9），并精确复现了火焰形态。能量流动分析表明，底部界面是热能积聚与火焰传播的主要通道。据此，本研究提出一种底部安装的隔热策略。参数化模拟确定临界热阻为1.112×10−3 K·m2/W。2/W（相当于0.5毫米云母片）足以抑制火势蔓延。重复性实验证实了该缓解方法的有效性及模型的预测能力。本研究不仅揭示了垂直堆叠电池模块中的火势蔓延机制，还为提升重型应用场景中高能量密度储能系统的安全性提供了实用且低成本的设计指南。
锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和优异的循环性能，已成为关键储能技术[1][2]。目前其应用范围涵盖电动汽车、住宅储能、工业备用电源及电网级储能电站等多个领域[3]。在小型乘用车中，LIBs通常组装成电池包并安装在底盘底部[4][5]。单层电池包一般即可满足普通乘用车的日常需求。然而对于越野车、皮卡等重型车辆而言，单层电池包的能量容量往往难以满足长距离行驶需求。为应对这一需求，制造商已推出双层电池包结构，通过垂直堆叠两层电池模块，显著提升整体能量密度与续航里程。
然而，锂离子电池在极端条件下（如碰撞、挤压或穿刺）仍易发生热失控（TR）[6][7][8][9]。该失效机制可引发火灾或爆炸[10][11]，危及人员与财产安全[12][13]。热失控本质上源于电池材料内部电化学界面的失稳，一旦触发，电解液与电极材料间的剧烈放热反应会释放大量热量及可燃气体[14][15]。该过程导致温度急剧升高并喷出可燃混合物。这些气体接触空气后极易引燃，产生明火，成为电动汽车火灾事故的主要诱因[3][16][17][18][19]。因此，提升电池系统的热安全性已成为电动交通与储能领域亟待解决的科学难题[20]。
在单层电池组中，热失控传播主要通过热失控单体电池向相邻电池的热传导实现[21]。这种被称为"热传播"的序列点火过程，始于相邻电池超过临界温度阈值时[22]。双层电池组配置中的热动力学过程则显著复杂得多。上层电池不仅承受来自下层热失控电池的传导热传递，还会受到底层火焰的强烈热辐射和对流加热[23][24]。关键的是，仅持续火焰暴露即可引发上层电池发生热失控，即使层间不存在直接物理接触。这种多模式传热机制凸显了研究热失控期间可燃气体化学特性与燃烧行为的重要性。
关于锂离子电池（LIBs）的燃烧爆炸特性，Wang等[25]对比了Li(NixCoyMnz)O2(NCM)与LiFePO4(LFP)电池在热失控(TR)过程中的表现。其研究结果表明，LFP电池比NCM电池会产生具有更高爆炸超压的可燃性气体，表明其具有更强的破坏潜力[26]。此外，当电解液蒸气与可燃气体混合时，爆炸下限会进一步降低，这凸显了LFP电池热失控伴随的高爆炸风险[1][27]。热失控行为极其危险，因此模块和系统层面的热失控多维特性与早期预警至关重要。Jia等[28]的研究...研究人员整合了从单体电池到整车层面的实验数据，通过融合温度、电压和压力演变的多参数分析，揭示了电动汽车电池系统中热失控（TR）传播路径。他们还建立了一个数据驱动的火灾风险评估框架和分阶段安全管理策略。Wang等[29][30]对储能电池包进行了热失控传播实验，揭示了烟雾扩散行为，并提出一种基于燃料费成分的包级安全监测预警方法。在另一项研究中，Wang等[31][32]通过失效后成分分析研究了热失控过程中的元素迁移与转化机制。Huang等[33]探究了氧气浓度对热失控行为的影响，发现低氧环境能减少喷射物质量并提高未反应残留物比例，可能降低二次燃烧风险[34]。
热失控过程中产生的瞬态喷射火焰具有极高危险性，但其毫秒级动态特性使得实验观测极具挑战性。Coman等人[35][36]率先建立了一维集总参数射流模型，将热失控过程中的Gas喷射简化为等熵流动。随后Kim等人[37]将内部压力积聚与外部喷射火焰耦合，开发出三维燃烧模型。Kong等人[17][38][39]进一步将喷射火焰行为与热传播分析相结合，阐明了火焰蔓延与传热之间的耦合机制[40]。
随着对热失控（TR）机制认识的深入，开发有效的抑制策略对降低相关危害至关重要。Bai等[41]系统综述了锂离子电池（LIBs）的各种热失控抑制技术，评估了不同灭火剂的作用机理、性能表现及应用场景。例如，ABC干粉等固体灭火剂可快速扑灭明火，但存在冷却能力有限与复燃风险较高的问题[42][43]。水性灭火剂和细水雾等液体灭火剂虽具有强效冷却作用，却存在导电性高、用量过大及可能释放有毒HF气体的缺陷。七氟丙烷和全氟己酮等气体灭火剂能快速抑制火焰，但缺乏持续冷却能力，难以有效防止复燃或中断内部链式反应[44][45]。新兴功能材料[46]——如微胶囊、纳米流体和气凝胶——在热失控（TR）初期阶段展现出高冷却效率与强传播抑制特性，而干水剂与 hydrogel-based 灭火剂在热失控后期阶段更为有效，兼具灭火与抗复燃性能[47]。此外，在电池模组内部及模组间采用耐火材料隔板进行隔热是工程实践中常用的技术手段[48][49]。
目前大多数关于热失控（TR）传播的研究都集中在单层电池模块上，其中单体电池间的热传递主要以传导为主，另外还存在两种传播途径：喷射颗粒物和喷射火焰。尽管这些研究为横向火势蔓延提供了重要见解，但未能考虑双层电池包构型中固有的垂直火焰相互作用——这种设计在重型电动汽车（如越野卡车和大型皮卡）中日益普及，以实现更高能量密度。在此类实际系统中，上层模块会遭受来自下层TR事件产生的喷射火焰的强烈辐射和对流加热，从而形成一种独特且更具破坏性的火势传播路径。尽管这种垂直堆叠电池包的应用日益广泛，但学界对其火灾动力学的全面认识仍然有限，且缺乏针对该架构的定量化安全设计方法。
为解决上述挑战，本研究建立了电池热失控（TR）与火灾传播模型，用于分析双层电池包结构内的火焰蔓延行为。基于模型分析结果，进一步提出隔热解决方案，并对抑制火灾传播所需的隔热材料临界厚度进行优化与实验验证。本工作旨在为多层电池系统的火灾传播抑制策略设计提供理论见解与实践参考，同时为成本敏感型工程应用提供量化指导依据。
引言
然而，锂离子电池在极端条件下（如碰撞、挤压或穿刺）仍易发生热失控（TR）[6][7][8][9]。该失效机制可引发火灾或爆炸[10][11]，危及人员与财产安全[12][13]。热失控本质上源于电池材料内部电化学界面的失稳，一旦触发，电解液与电极材料间的剧烈放热反应会释放大量热量及可燃气体[14][15]。该过程导致温度急剧升高并喷出可燃混合物。这些气体接触空气后极易引燃，产生明火，成为电动汽车火灾事故的主要诱因[3][16][17][18][19]。因此，提升电池系统的热安全性已成为电动交通与储能领域亟待解决的科学难题[20]。
在单层电池组中，热失控传播主要通过热失控单体电池向相邻电池的热传导实现[21]。这种被称为"热传播"的序列点火过程，始于相邻电池超过临界温度阈值时[22]。双层电池组配置中的热动力学过程则显著复杂得多。上层电池不仅承受来自下层热失控电池的传导热传递，还会受到底层火焰的强烈热辐射和对流加热[23][24]。关键的是，仅持续火焰暴露即可引发上层电池发生热失控，即使层间不存在直接物理接触。这种多模式传热机制凸显了研究热失控期间可燃气体化学特性与燃烧行为的重要性。
关于锂离子电池（LIBs）的燃烧爆炸特性，Wang等[25]对比了Li(NixCoyMnz)O2(NCM)与LiFePO4(LFP)电池在热失控(TR)过程中的表现。其研究结果表明，LFP电池比NCM电池会产生具有更高爆炸超压的可燃性气体，表明其具有更强的破坏潜力[26]。此外，当电解液蒸气与可燃气体混合时，爆炸下限会进一步降低，这凸显了LFP电池热失控伴随的高爆炸风险[1][27]。热失控行为极其危险，因此模块和系统层面的热失控多维特性与早期预警至关重要。Jia等[28]的研究...研究人员整合了从单体电池到整车层面的实验数据，通过融合温度、电压和压力演变的多参数分析，揭示了电动汽车电池系统中热失控（TR）传播路径。他们还建立了一个数据驱动的火灾风险评估框架和分阶段安全管理策略。Wang等[29][30]对储能电池包进行了热失控传播实验，揭示了烟雾扩散行为，并提出一种基于燃料费成分的包级安全监测预警方法。在另一项研究中，Wang等[31][32]通过失效后成分分析研究了热失控过程中的元素迁移与转化机制。Huang等[33]探究了氧气浓度对热失控行为的影响，发现低氧环境能减少喷射物质量并提高未反应残留物比例，可能降低二次燃烧风险[34]。
热失控过程中产生的瞬态喷射火焰具有极高危险性，但其毫秒级动态特性使得实验观测极具挑战性。Coman等人[35][36]率先建立了一维集总参数射流模型，将热失控过程中的Gas喷射简化为等熵流动。随后Kim等人[37]将内部压力积聚与外部喷射火焰耦合，开发出三维燃烧模型。Kong等人[17][38][39]进一步将喷射火焰行为与热传播分析相结合，阐明了火焰蔓延与传热之间的耦合机制[40]。
随着对热失控（TR）机制认识的深入，开发有效的抑制策略对降低相关危害至关重要。Bai等[41]系统综述了锂离子电池（LIBs）的各种热失控抑制技术，评估了不同灭火剂的作用机理、性能表现及应用场景。例如，ABC干粉等固体灭火剂可快速扑灭明火，但存在冷却能力有限与复燃风险较高的问题[42][43]。水性灭火剂和细水雾等液体灭火剂虽具有强效冷却作用，却存在导电性高、用量过大及可能释放有毒HF气体的缺陷。七氟丙烷和全氟己酮等气体灭火剂能快速抑制火焰，但缺乏持续冷却能力，难以有效防止复燃或中断内部链式反应[44][45]。新兴功能材料[46]——如微胶囊、纳米流体和气凝胶——在热失控（TR）初期阶段展现出高冷却效率与强传播抑制特性，而干水剂与 hydrogel-based 灭火剂在热失控后期阶段更为有效，兼具灭火与抗复燃性能[47]。此外，在电池模组内部及模组间采用耐火材料隔板进行隔热是工程实践中常用的技术手段[48][49]。
目前大多数关于热失控（TR）传播的研究都集中在单层电池模块上，其中单体电池间的热传递主要以传导为主，另外还存在两种传播途径：喷射颗粒物和喷射火焰。尽管这些研究为横向火势蔓延提供了重要见解，但未能考虑双层电池包构型中固有的垂直火焰相互作用——这种设计在重型电动汽车（如越野卡车和大型皮卡）中日益普及，以实现更高能量密度。在此类实际系统中，上层模块会遭受来自下层TR事件产生的喷射火焰的强烈辐射和对流加热，从而形成一种独特且更具破坏性的火势传播路径。尽管这种垂直堆叠电池包的应用日益广泛，但学界对其火灾动力学的全面认识仍然有限，且缺乏针对该架构的定量化安全设计方法。
为解决上述挑战，本研究建立了电池热失控（TR）与火灾传播模型，用于分析双层电池包结构内的火焰蔓延行为。基于模型分析结果，进一步提出隔热解决方案，并对抑制火灾传播所需的隔热材料临界厚度进行优化与实验验证。本工作旨在为多层电池系统的火灾传播抑制策略设计提供理论见解与实践参考，同时为成本敏感型工程应用提供量化指导依据。