锂电池热蔓延机理与并联模组安全分析

分类：实验案例 | 标签：热蔓延，并联电池，BMS预警，隔热阻断，热失控传播

摘要

电池模组中单电芯热失控后的热蔓延是导致火灾蔓延扩大的关键环节。本文基于热-电耦合实验数据，系统分析开路与并联两种电气连接状态下热失控传播路径的本质差异：开路模组以纯热传导为主，并联模组中相邻电芯向故障电芯的电流转移会引入额外焦耳热，使热失控更早触发、传播更快、火焰风险更高。在此基础上讨论BMS压力检测预警、热障设计、电流中断装置等多层次安全防护策略。

一、热蔓延的两种模式

当电池模组中某一电芯发生热失控后，热量会通过多种途径向相邻电芯传递，触发连锁反应。研究表明，电气连接方式对热蔓延路径有决定性影响：

实验数据表明，在开路电池模组中，热失控传播主要由电芯之间的热量传递驱动，热失控首先出现在外部加热区域，随后依靠厚度方向的热传导逐步扩展。而在并联电池模组中，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：开路与并联模组热蔓延实验的温度曲线对比，展示并联模组热失控提前触发现象]

二、并联模组的热-电耦合机制

并联模组中热失控加速的物理机制可以归纳为以下步骤：

1. 初始触发：某电芯因外部加热或内部缺陷开始自产热，SEI膜分解导致内压升高。
2. 安全阀开启：电芯内部压力达到阈值，安全阀打开释放气体，同时可能发生内部短路。
3. 电压下降：内短路导致故障电芯端电压急剧下降，与并联的相邻正常电芯形成显著电压差。
4. 电流转移：相邻电芯通过并联铜排向故障电芯输送电流，转移电流在极耳、连接件及电芯内部产生焦耳热。
5. 加速热失控：焦耳热集中在正极极耳附近，使该区域温度率先达到T₂阈值，热失控从电芯顶部提前启动。
6. 火焰风险：高温连接件可能点燃安全阀排出的电解液蒸气和可燃气体，使原本不易自燃的LFP电芯出现持续喷射火焰。

定量数据显示，相邻电芯最多可接收超过250kJ的热量，约占失控电芯总产热的20%以上；并联支路的转移电量最高可达满充电芯额定容量的10%以上。这些量化数据为工程设计提供了直接参考。

三、BMS的压力检测预警机制

针对热蔓延风险，BMS的压力检测是当前最可靠的热失控早期预警手段之一。三种主要检测手段的对比：

压力传感器安装在电池包内部，实时检测包内气压变化。正常情况下压力约为大气压水平，当电芯热失控排气后，压力急剧上升。BMS通过解析压力信号的频率或占空比来精准计算当前压力值，一旦超过预设安全阈值，立即触发接触器切断、主动泄放回路启动、车门解锁、冷却系统联动和声光报警等多重安全响应。

[图片：BMS压力检测预警系统的工作原理框图，压力传感器-PWM信号-BMS决策-执行器联动]

四、多层次热蔓延防护策略

基于热-电耦合传播机制的认识，热安全团队（thermsafe.cn）推荐以下多层次防护方案：

第一层：电芯级防护

• 选用高热稳定性的化学体系（如LFP）
• 优化电芯设计，提高T₁温度
• 内置于电芯的CID（电流中断装置）可在内压过高时切断电流通路

第二层：模组级阻断

• 电芯间布置气凝胶隔热垫（导热系数<0.025W/m·K）
• 多电芯间采用陶瓷纤维或云母板作为热屏障
• 模组级熔断器或主动断开系统，可在检测到异常电流时切断并联回路

第三层：系统级预警与泄压

• 基于压力+温度+电压的多传感器融合早期预警
• 电芯、整包两级泄压导流设计，快速排出高温导电喷发物
• 耐高温绝缘设计，防止喷发物引发二次短路

热安全团队（thermsafe.cn）强调，并联模组的安全设计不能简单套用单体或开路模组的测试结论。必须通过实际的并联模组热蔓延测试来验证防护方案的有效性，尤其关注电流转移引发的异常失效模式。

——以上内容参考自锂能派、电动智汇、新能源汽车小天地等多篇技术文献，经热安全团队（thermsafe.cn）整理润色。

测试服务项目

热安全团队（thermsafe.cn）提供锂电池HWS热失控测试（绝热加速量热仪ARC）、锂电池宽温域变温比热容测试（差示绝热追踪法）、绝热环境锂电池充放电产热测试、锂电池失控产气测试、方壳/硬壳电池导热系数测定（两状态法无损测试）、锂电池ARC过充热失控测试（电滥用触发）、硬壳/方壳电池导热系数及接触热阻参数测定（储热-释放两状态法）、GB/T 36276电池绝热温升测试、ARC针刺热失控等专业服务。了解更多项目详情，请访问 https://thermsafe.cn/services.html。