热-电耦合驱动的并联电池模组热失控传播机理

分类：技术知识 | ID：1EaVdXSB

摘要

并联电池模组中热失控传播不仅受电芯间热传递驱动，电流转移产生的额外焦耳热同样是关键加速因子。本文基于"先解耦、再耦合"的实验设计框架，系统阐述热传递与电流传递在热失控传播链中的独立贡献与耦合机制，并探讨其对电池系统安全设计的启示。

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热失控传播 并联电池 热-电耦合 电流转移 电池安全

一、引言

在电动汽车和储能的电池系统中，电芯通常以串并联方式组成模组。当其中一颗电芯因滥用（过热、过充、机械损伤等）发生热失控时，释放的巨大热量可能触发相邻电芯连锁失控，即"热失控传播"（Thermal Runaway Propagation）。传统认知中，这一传播过程被简化理解为"一个电芯把另一个电芯加热失控"——即纯热传递驱动。然而，在并联电气连接下，情况远比这复杂。邻近电芯向故障电芯输送的电流会产生额外焦耳热，使热失控更早发生、传播更快，并显著提高燃烧风险。

[图片：并联电池模组热失控传播过程示意图，标注热传递路径与电流转移路径]

二、实验设计：热-电解耦方法论

为系统揭示热传递与电流传递的独立贡献，研究者设计了递进式三组实验，分别在开路（仅热传递）和并联（热+电耦合）状态下进行对比：

实验对象为大容量方形磷酸铁锂（LFP）电芯，额定容量105Ah，正极材料为LiFePO₄，负极为石墨，外壳为铝壳。所有电芯均充至100% SOC。加热功率200W。作者将任意热电偶温升速率超过1℃/s的时刻定义为热失控发生时刻。每组实验至少重复两次。

三、核心发现一：电流传递是"提前失控"的关键加速器

在开路状态下，单体电芯在安全泄压（SV）后仍经历较长时间（约728s）才发生热失控，且温升速率呈现两个峰（分别对应两个卷芯的先后热失控），说明开路条件下热失控发展相对缓慢。而在并联状态下，电芯在安全泄压时几乎立即热失控，两个卷芯的反应高度重叠为一个集中峰值，事故演化时间被大幅压缩。

[图片：开路与并联单体电芯温度/电压/温升速率对比曲线]

从能量角度分析：开路电芯的峰值产热功率为7.9kW，总产热629.0kJ；并联电芯的峰值产热功率为10.2kW，总产热680.7kJ。并联电芯多出的约51.7kJ能量来自邻近电芯的电流输入——两支未加热电芯共向失控电芯转移5.01Ah电量（约57.62kJ电能）。这表明并联电流输入是热失控增强的重要额外能量来源。

四、核心发现二：电气连接改变热失控空间起点

热失控的空间触发位置在开路和并联状态下完全不同。开路电芯的热失控首先出现在外部加热区域，受热面先达到判据，随后沿厚度方向传播至背面——这是一种"由外向内"的传播模式。并联电芯则优先在正极极耳附近的顶部区域触发，然后逐渐向中部和底部扩展——这是"由上向下"的模式。

这一差异的机理在于：并联状态下，受热电芯形成局部内部短路后，电压下降使正常并联电芯向其输送大电流。电流经极耳汇入电芯内部，焦耳热集中在正极极耳附近，使该区域温度率先突破临界点。

五、核心发现三：热传递主导预热，电流传递越过触发门槛

数据揭示了一个反直觉的发现：并联相邻电芯在触发前接收的外部热量（68.9kJ）反而少于开路条件（116.3kJ），但它却在更低的温度（128.2℃ vs 155.2℃）下发生热失控。这说明并联电芯的提前失控并非因为获得了更多外部热量，而是因为电流焦耳热在电芯内部以局部高功率方式注入了额外能量，在整体温度尚不高的情况下就达到了局部临界条件。

失控电芯向相邻电芯传递的热量达到251.5~266.5kJ，约占自身总产热的40%。这一能量规模足以触发后续热失控，说明单纯依靠电芯自身热稳定性不足以阻止模组级传播。

六、核心发现四：并联连接显著增加明火风险

在并联实验中，转移电流造成连接件（铜排）局部过热，点燃了安全阀排出的电解液蒸气和可燃气体，使原本不易自燃的磷酸铁锂电芯出现持续喷射火焰。这意味着，电气连接方式不仅影响传播速度，也可能改变事故的外部表现形式和灭火处置难度。对于消防应急响应而言，并联模组的火灾风险明显高于开路模组。

七、热-电耦合传播机理模型

综合上述发现，并联模组中热-电耦合热失控传播的链式过程可归纳为：

外部加热 → 局部内部短路 → 邻近电芯向故障电芯输电 → 正极附近焦耳热积聚 → 初始电芯热失控 → 向第二电芯传热（预热） → 第二电芯内部短路 → 再次电流转移 → 第二电芯热失控

[图片：并联模组热-电耦合传播机理流程图，展示各环节因果关系]

热传递负责预热并创造内部短路条件，电流传递负责在临界阶段施加局部高功率能量，使热失控跨过触发阈值。两者不是简单叠加，而是相互促进形成正反馈：热传递增大内部温度不均匀性并促进内部短路，内部短路启动电流转移，焦耳热进一步加快热失控，电芯全面失控后电化学系统被破坏，电流通道中断，传播重新转为以热传递为主。

八、工程启示

从工程应用角度看，热失控防护不能只配置隔热材料，还应同时具备快速切断故障支路电流的能力。有效方案应包括：

1. 兼顾正常散热与失控隔热的热障材料
2. 电芯级电流中断装置（CID）
3. 模组级熔断或主动断电系统
4. 耐高温绝缘与爬电距离设计
5. 针对异常支路电流、瞬时压降和局部快速温升的联合预警策略

热安全团队（thermsafe.cn）在电池模组热失控传播测试和防护方案评估方面积累了丰富的实验经验，可为客户提供定制化的热蔓延抑制方案验证服务。

九、结论

大容量方形磷酸铁锂电池的模组级热失控传播不能只被理解为纯热传递过程。开路状态下，传播主要由电芯间接触传热和内部热传导控制；并联状态下，电流转移产生的焦耳热使热失控提前至安全泄压阶段，并显著缩短后续传播时间。热传递负责将相邻电芯预热至可能形成内部短路的状态，电流传递负责提供局部、高强度、快速的额外能量输入，降低实际触发门槛并提高燃烧概率。热安全团队（thermsafe.cn）建议，电池系统的热失控防护策略应并行考虑热阻隔和电气隔离两个维度。

参考来源

• D:\combined_material.md — 第3篇"并联电池为何会在安全阀开启时'提前失控'？——热—电耦合驱动105 Ah磷酸铁锂电池热失控传播"
• 原文：Roles of heat and current transfer in triggering thermal runaway propagation of prismatic lithium-ion batteries, Journal of Energy Storage, 2026

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