CAT蓄电池双层LFP电池模块火灾传播行为建模与能量流路径分析
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卡特蓄电池 发布时间：2026-03-11 20:00:37 点击： 次
引言
随着双碳策略的稳步推进，电池储能电站（BESS）在能源存储领域的应用日益普及。在BESS运行过程中，电池以多层电池模块形式组织，而由电池热失控（TR）引发的事故频发[[1], [2], [3], [4], [5]]。市场上，磷酸铁锂（LFP）电池凭借其循环寿命长、安全性高及能量密度大等优势，占据60%的市场份额[6]。Lai等人[7]对美国亚利桑那州某BESS火灾事故进行了分析。该BESS容纳了超过3200个电池模块，总容量达40兆瓦时。火灾事故持续了五天，导致损失高达数千万美元。与BESS火灾相关的消防挑战极为严峻，所造成的环境破坏也难以估量。文章还提及了北京某BESS发生的爆炸事故。事故起因是南楼BESS中的电池发生热失控（TR），释放出大量可燃性气体。这些气体通过地下电缆管道与空气混合，形成可燃性气体混合物并最终引发爆炸。
如图1所示，锂铁磷酸盐电池热失控（TR）会释放大量热量[[8], [9], [10], [11], [12]]，并喷射可燃性气体[13]。电池热失控释放的能量可分为三类：电能、化学能及燃烧释放的热能[14]。若存在电弧、火花或高温区等点火源，将引燃可燃气体，火焰会蔓延至上层电池模块并引发其热失控。在电池储能系统（BESS）中，电池采用垂直模块化排列以提高空间利用率。[15]底层电池热失控产生的垂直喷射火焰会触发（Trigger）剩余电池模块的连锁热失控，导致更严重的不可逆事故[16]。在火焰影响下，上层电池的热失控间隔时间显著缩短，造成多电池（Multi）同时失效与爆燃[17]。为此，众多研究者已开展相关实验与模拟（Simulation）研究。
毛等人[18]系统总结了锂离子电池(LIB)的燃烧行为，指出受限空间内的火焰动力学会加速电池模组中热失控传播(TRP)进程。该研究同时强调，建立多物理场耦合模型对研究LIB火焰行为具有关键意义。刘等人[19]针对243Ah磷酸铁锂电池开展了TR实验，结果表明火焰会加剧热失控现象，其热释放速率(HRR)与总热释放量(THR)分别达到88.6 kW和19.5 MJ。此外，随着荷电状态(SOC)升高，火灾危险性显著增加。王等[20]对双层23安时磷酸铁锂电池模块进行了热失控实验，以探究热失控过程中的多维度火焰传播机制与传热模式。研究发现，在火焰影响下的双层三并联电池模块中，下层呈现顺序传播特征，而上层则表现为同步蔓延。当传热量达到56.6千焦时，上层电池组触发热失控，其平均传播时间较无火焰介入工况缩短62.3秒至60秒。高等[21]采用280安时磷酸铁锂电池研究火焰传播对垂直热失控传播（TRP）的贡献，实验证明火焰传播主导了TRP路径。上层电池的临界触发能量为1193.6千焦，其中传导热贡献279千焦，火焰热贡献750千焦，自生热贡献164.6千焦。上层电池组发生热失控（TR）时，吸收热量约占火焰总释放热量的1.18%。大量实验结果表明：下层火焰会改变热失控传热机制，缩短热失控时间间隔并增加火灾风险。Wang等[22]针对不同荷电状态（SOC）与多种充电倍率的磷酸铁锂电池开展热失控实验及火灾行为测试，发现随着充电倍率提升，电池内部材料稳定性急剧下降，导致更严重的热失控与燃烧行为。
尽管实验对于理解火焰影响下的热失控（TR）过程至关重要，但由于缺乏直接观测手段和特定能量流输出数据，数值模拟模型成为理解该机制的有效方法[23]。Ren等[24]揭示了电池热失控的机制，确定了六个关键反应作为主要放热源，并测定了各反应的动力学参数。他们开发的模型能有效预测热失控过程中的温度演变。Feng等[25]采用经验方程简化化学动力学以计算电池热失控的产热量，利用等效热阻模拟电池间薄层结构，并通过热失控实验验证了模型有效性。该方法已被众多研究者广泛采用。关于火焰模拟，本文首先研究了四种常见燃烧模型的特性。
结合表1，电池射流燃烧构成典型的扩散燃烧过程。从燃烧机制角度分析，涡耗散燃烧模型与非预混燃烧模型适用于模拟电池射流燃烧过程。Kim等[27]采用涡耗散燃烧模型模拟电池产气燃烧行为，旨在探究火焰对电池内部反应的影响。模拟结果显示，当火焰辐射传热启动时，电池温度从60°C急速攀升。所有内部反应几乎同步发生，其中阳极与电解质反应被确定为主要产热反应。Xu等[28]对LiNixCoyMn1-x-y(NCM)电池热失控(TR)研究，采用火灾动力学模拟器(FDS)进行燃烧模拟。结果表明，有限空间体积的减小显著加速了热失控的触发。当空间体积从8.0×102mm8缩小至2.88×103mm5TR扳机时间从1490秒缩短至517秒。基于FDS的模拟成功复现了特征火焰演化模式。Kong等人[29]通过将共轭热传递与计算流体动力学耦合，开发了数值模型，成功捕捉了18650 NCM锂离子电池在热滥用、泄压及后续燃烧工况下的温度与内部压力演化曲线。研究测得火焰高度分别为18.3毫米、123.5毫米和273毫米。在25%、50%和75%荷电状态（SOC）下，火焰高度分别为6毫米，峰值热释放率（HRR）在相同条件下测得0.16千瓦、0.49千瓦和1.24千瓦。火焰高度与HRR均呈现随SOC升高而递增的趋势。张等[30]建立了18650锂离子电池的热失控（TR）耦合模型，整合了热分解反应、泄放过程、燃烧动力学、固体颗粒喷射及传热机制。研究表明，在TR阶段火焰呈现火炬状喷射形态。当耦合颗粒喷射过程时，火焰形态变得不规则，且对相邻电池的辐射热通量达到-80.3瓦，较基准工况提升了4.29倍。3, the TR trigger time shortened from 1490 s to 517 s. FDS-based simulations successfully reproduced characteristic flame evolution patterns. Kong et al. [29] developed a numerical model by coupling conjugate heat transfer with computational fluid dynamics, successfully capturing the evolution profiles of battery temperature and internal pressure for an 18650 NCM lithium-ion battery under thermal abuse, venting, and subsequent combustion conditions. The study concluded that flame heights reached 18.3 mm, 123.5 mm, and 273.6 mm for 25 % SOC, 50 % SOC, and 75 % SOC respectively, while peak HRR measured 0.16 kW, 0.49 kW, and 1.24 kW under the same conditions. Both flame height and HRR exhibited an increasing trend with higher SOC. Zhang et al. [30] developed a coupled TR model for 18650 lithium-ion batteries, integrating thermal decomposition reactions, venting processes, combustion dynamics, solid particulate ejection, and heat transfer mechanisms. The study revealed that during the TR phase, the flame exhibited a torch-like jet morphology. When coupled with particulate ejection processes, the flame shape became irregular, and the radiative heat flux to adjacent batteries reached −80.3 W, representing a 4.29-fold increase compared to baseline conditions.
程等[31]采用大涡模拟(LES)和扩展涡耗散燃烧模型进行了外部火焰数值模拟。结果表明火焰热释放率(HRR)在16 kW附近波动。75%荷电状态(SOC)下的热通量分析显示，电池底部表面峰值温度达561°C，存在外壳熔融风险。通过上下表面热通量的对比评估，揭示了热失控传播(TRP)过程中的传热机制。吴等[32]针对18650电池风冷模组开发了热失控(TR)火灾蔓延模型。研究发现，该模块流体域最高温度达1206.4 K，一氧化碳主要富集于模块上部区域，最大浓度为16,787 ppm。Wang等[33]提出了一种基于共轭传热的建模框架，用于研究喷射火焰与TRP行为间的相互作用。他们建立了相对于电池不同高度的挡板模型，并观察到当距离从5 cm增大至15 cm时，火焰横向长度直接从35.2 cm缩短至29 cm。8厘米时，电池能量传输效率从62.8%降至36.5%。适当增加挡板高度有助于缓解电池模块中的TPR行为。Mishra等[34]采用非预混燃烧模型对18650电池模块的火灾蔓延特性进行模拟，模拟结果显示在火焰作用下电池表面峰值温度达1027°C。该研究检测了废气是否被引燃，并分析了喷嘴位置与排气速度对电池表面温度的影响。然而，该研究未将电池热失控产热纳入耦合框架。Wang等[35]开发了耦合半降阶模型(SROM)以研究电池储能系统中的热失控燃烧场景，重点捕捉电池温度演变与火灾蔓延行为。该研究阐明了火焰影响下热失控传播的机制，揭示当电池簇中心电池发生热失控燃烧时，火灾呈现高达2.944 MW/h的增长率与峰值热释放速率。2分别为7.09兆瓦。Peng等人[36]利用OpenFOAM开发了电池储能系统的全尺寸燃烧模型，评估了燃料费爆炸对储能系统结构及周边环境造成的危害。研究发现，当电池储能系统未设计顶部泄压口时，内部超压的增大会导致火球喷射距离延长，高速热气流的冲击范围扩大。Shen等人[37]以中国某电池储能系统火灾事故为研究对象，采用FLACS软件对事故进行了三维重构。通过模拟与事故调查发现，爆炸发生时，0.33秒后北侧建筑超压值超过30千帕。爆炸后0.42秒，西侧墙体完全坍塌，电池储能系统内部超压显著下降。系统内部火焰呈东西向分布，密集的电池架加速了火焰的扩展与发展。
基于上述研究，众多学者已对伴随火焰行为的电池热失控（TR）特性及模组层级的热失控传播（TRP）特性开展了实验与模拟研究[38]。然而，目前仍缺乏火焰影响下电池簇热失控传播的三维模拟模型，且双层磷酸铁锂（LFP）电池模组的热失控传播机制与能量流动路径尚未通过计算模拟得到系统研究。针对这一研究空白，本文基于非预混燃烧模型，建立了一个整合加热诱导热失控（TR）、阀门开启、喷射燃烧及相邻/上层电池热失控传播（TRP）的三维链式反应模拟模型。该模型通过单电池、双层单电池及双层三电池模组的实验数据验证，能够分析不同模组配置下的火焰演化规律与能量传递路径。本研究为缓解电池储能系统（BESS）中的热失控传播提供了建模参考。
