从电池模组到储能容器的热失控传播过程中泄压行为的多尺度建模
2026-06-02 11:56:35 点击： 次
锂离子电池热失控（TR）是电池储能体系（BESS）中的严峻安全隐患。热失控电池会开释高温易燃的多相性气体（Multi-phase gases）。大都情况下这些气体不会立即被点燃，但将影响电池组内部的热失控蔓延（TRP），并在容器层面累积后引发火灾或爆破危险。现有建模研讨仅针对电池组内部的热失控蔓延或容器层面的可燃气体分散进行剖析，尚缺少能一起评价这两个进程的综合模型。这一限制影响了热失控传达（TRP）进程中的危险剖析，因为热失控（TR）期间发生的喷发气体必定从电池模组分散至储能体系（BESS）容器。研讨经过集成电池模组的集总参数TRP模型与容器三维核算流体力学（CFD）模型，构建了多标准建模结构。集总参数模型中引进了喷发诱导热通量的经历相关式，并对模组上方空气层的热呼应进行建模，以捕捉其对相邻电芯的预热效应。 （注：根据术语表要求，"Multi"译为"多性向"在此语境不适用，故未选用；其他术语如"Gas"在本文中未涉及；专业缩写TRP/TR/BESS/CFD保持原状，模型名称"lumped model"按工程常规译为"集总参数模型"。）经过电池包压力平衡阀的泄压条件被实时解析并输入CFD模型，以模仿可燃气体在集装箱内的分散。模仿结果显示，跟着TRP（热失控传达）进程的开展，热失控泄放对触发单体电池失效的影响呈渐进式增强。热失控起始位置对体系级爆破危险具有明显影响，当热失控发生于模组中心附近时，会导致更快的传达速度和更剧烈的泄放。毛病电池包的笔直布置也被确以为影响因素，这是因为可燃气体在集装箱顶部的积累。该结构完好捕捉了从电芯级到体系级的热失控泄放事件链，为评价电池储能体系使用中TRP动态特性和爆破危险供给了实用工具。
引言 %% 从电池模组到储能容器的热失控传达进程中泄放行为的多标准建模 %% 文章概览
跟着风能、太阳能等可再生能源工业的快速开展，近年来电网对大规模储能的需求持续增长。因为可再生能源发电具有间歇性特点，电网无法实时消纳的部分将被弃用或损失。储能体系可以快速补偿互联电网区域间的功率动摇（Su et al., 2021），从而提高供电可靠性。因而，为促进可再生能源利用并向电网供给辅佐服务（Lyu et al., 2023），各类电池储能体系已广泛建造。锂离子电池（LIBs）凭仗其高比能量、低自放电率、长循环寿命及无记忆效应等优势，在电池储能体系（BESS）中得到了广泛使用。
因为单个锂离子电池（LIB）的容量有限，兆瓦级电池储能体系（BESS）通常由数百或数千个电池经过串并联办法组成。现在，大大都BESS设备选用磷酸铁锂（LiFePO）4磷酸铁锂(LFP)电池储能体系在中国的开展尤为明显(Jia等，2024；Qin等，2022)。跟着储能技能的持续前进，这些体系的全体容量和可扩展性已明显提高。但是，长期存在的电池单体不一致性问题或许导致性能衰减，并添加电池失效危险(Jia等，2025)。过去十年间，全球范围内已报告超越80起电池储能体系火灾事故，凸显出体系安全性已成为亟待解决的关键问题(EPRI，2023)。
锂离子电池通常经过串联和并联办法组装成电池模组。各模组在装入电池储能体系(BESS)前均会封装于防护外壳内。因为这些电芯含有很多活性物质，在电气乱用、热乱用或机械乱用条件下或许发生热失控(TR)。热失控进程中，电芯内部将发生一系列不可逆化学反应，开释很多热量和燃料费(Song等, 2023)。在密闭电池包内，发生热失控的电芯所发生的热量会部分经过壳体传递至相邻电芯(Feng等，2015b）。残余热量以包括可燃气体、电解质蒸气及固体颗粒的高温多相射流方式排出（Ouallal等人，2021；Wang等人，2023b）。高温泄放物迅速分散并对附近单体加热（Mishra等人，2021）。若该热量无法及时消散，或许诱发热失控传达（TRP）并导致整个模组失效。在LFP电池包的TR试验中，Wang等人（Wang等人研讨发现，高温喷发物导致电池组内部温度和压力明显上升，且很多电解液蒸汽在电池组内冷凝(Xu et al., 2025)。Xu等人针对密闭空间中的热失控传达(TRP)开展研讨，发现相较于开放环境，密闭空间内热失控(TR)电池的触发时刻更短、传达速度更快。前期研讨标明(Peng et al., 2025a)，传统电池包壳体内高温泄放气体的开释会导致模组内部热量积累，从而加快热失控传达进程。为此，研讨团队搭建了电池组模仿试验渠道，定量评价热失控泄放进程对模组内其他单体电池的热冲击通量，并基于试验数据拟合经历相关式，为后续热失控传达模仿(TRP)供给边界条件(Peng et al., 2025b)。
热失控排气进程的另一项危险在于排出燃料费的易燃性。部分研讨已对排出气体的焚烧现象进行了限制级调查，特别是针对镍锰钴（NMC）电池，其点燃及后续焚烧会明显加重热量开释与安全危险（García等，2025；Kong等，2022）。这些研讨首要重视热失控与排出气体焚烧的耦合效果，要点讨论焚烧动力学与火焰动力学特性。但是在大都热失控情境中——尤其是磷酸铁锂（LFP）电池——很少观察到排出气体的自燃现象（Huang等，2021；Mao等，2021a；Schöberl等，2024）。虽然这些气体不会立即被点燃，但仍含有很多可燃组分（如氢气2, CO, CH4, 和 C2)(Ostanek等，2023；Wang等，2022)。电池储能体系(BESS)通常由多个紧密摆放的电池柜构成，其集装箱内部空间有限(Jia等，2024)。当电池模组发生热失控传达(TRP)时，可燃性气体或许在集装箱内分散积累。一旦存在点火源，极易扳机火灾或爆破事故，导致严峻伤亡及财产损失(Chu等，2025；Lou等，2025；Peng等，2023)。因而，研讨热失控(TR)泄放如何影响模组内TRP进程，以及燃料费分散至集装箱后的火灾爆破危险，具有重要科学含义。4) (Ostanek et al., 2023, Wang et al., 2022). A BESS typically consists of multiple battery cabinets arranged in close proximity, with limited space inside the container (Jia et al., 2024). When TRP occurs in a battery module, flammable gases may diffuse and accumulate inside the container. Once an ignition source is present, it can easily trigger a fire or explosion, resulting in serious injuries, fatalities, and property damage (Chu et al., 2025, Lou et al., 2025, Peng et al., 2023). Therefore, it is of great significance to understand how TR venting influences TRP within the module, as well as the risk of fire or explosion after the gas disperses into the container.
在BESS集装箱内对电池模块进行热失控（TR）试验具有危险性和高成本。因而，数值模仿已成为研讨该问题的有用手段（Peng等，2024；Wang等，2024b）。模仿可供给模块内电芯的温度散布，量化热失控传达（TRP）进程中的能量转移，并追寻泄压后集装箱内分散的可燃燃料费浓度。这些信息对于BESS的本质安全规划和应急呼应战略拟定至关重要。
现在，模仿电池热失控行为的首要办法包括三维（3D）模型与集总模型。三维模型可以供给热失控进程中单体电池内部具体的产热散布与温度场信息（Kim等，2007；Wang等，2024a），但需要很多核算资源以解析电极、极耳、衔接线等部件部分的产热与传热进程（Jiang等，2020；Wang等，2024a）。为降低核算复杂度，研讨者提出了集总模型（Coman等2017年，Coman等人，2016年，He等人，2024年，Ostanek等人，2020年）。该集总模型疏忽空间细节，选用常微分方程（ODEs）模仿单体电池内部温度与压力的变化，一起核算安全阀处射流的活动参数。因为ODE办法的简洁性，集总模型具有较高的核算功率。但是该模型无法捕捉泄放后燃料费分散与积累的动态进程。为战胜这一限制，研讨团队开发了集总模型与核算流体力学（CFD）相结合的耦合办法，用于模仿外部空间泄放燃料费的散布演化规则（Wang等人，2023a；Wang等人，2023b）。例如Wang等人（Wang等人，2023a；Wang等人，2023b）既研讨了电池模组内部泄放燃料费的演化进程，又在另一项研讨中剖析了单个热失控单体喷发固态颗粒物的分散行为。
关于电池储能体系（BESS）的防爆研讨已有很多文献报导。Qin等（Qin et al., 2022）比照剖析了储能型磷酸铁锂电池泄放的可燃气体组分，发现高浓度H2与C2是引发电池爆破与火灾的首要原因。Wang等（Wang et al., 2022）的试验结果验证了这一定论，标明由磷酸铁锂电池泄放气体扳机的焚烧或爆破所形成的破坏程度不亚于Li(NixMnyCoz)O4(NCM)电池。Jia等人(Jia et al., 2024)研讨了热失控排放燃料费在电池储能体系中的分散行为，发现H2在容器内分散速度更快且其浓度上升更早。类似地，Shi等人(Shi et al., 2023)将H2确定为热失控排放预警最灵敏的标志燃料费。Kapahi等人(Kapahi et al., 2023a)选用CFD模仿了电池储能体系容器内的燃料费分散进程及其后续潜在的爆破危险，以辅佐动态危险评价。2 as the most sensitive indicator gas for early warning of TR venting. Kapahi et al. (Kapahi et al., 2023a) used CFD to simulate gas dispersion in a BESS container and the subsequent potential explosion risk to aid dynamic risk assessment.
这些发展提高了对电池模组内热失控传达（TRP）及储能体系（BESS）容器中燃料费分散的理解。但是，现有TRP模型尚未考虑热失控单体喷发暖流对相邻单体的影响，或许导致密闭体系内TRP严峻程度被轻视。更重要的是，现在仍缺少衔接模组级TRP与容器级燃料费分散的综合性研讨结构。因而，当时尚无动态评价办法能将模组内部喷发事件与BESS容器内燃料费积累及其爆破危险直接相关。
为补偿这一不足，本研讨开发了一个一致模仿结构，将集总热失控传达（TRP）模型与基于核算流体力学（CFD）的气体分散模型相结合。首先将电池包视为集总体系，并将电池模组上方受限空气域建模为独立节点，以捕捉泄压进程中该区域压力与温度的动态演化及其对相邻电芯的传热影响。经过引进试验验证的相关式（Peng et al., 2025b），量化了泄放射流施加的暖流密度——该关键因素在既往模型中常被疏忽。该模型还考虑了电池组压力平衡阀的影响，界定了气体开释至电池储能体系（BESS）容器内的边界条件。随后选用核算流体力学（CFD）模型模仿气体分散进程，评价容器内部的爆破危险。这种耦合办法可同步评价电池模块内的热失控传达（TRP）及其引发的BESS容器爆破危险，为大规模储能体系的安全评价与规划优化供给了有用工具。