并联电池热-电耦合驱动磷酸铁锂热失控传播分析

一、问题提出

热失控传播是锂离子电池系统安全研究中的核心问题之一。以往针对方形磷酸铁锂电池模组的研究多集中在"热传递主导"的传播模型上：一个电芯热失控后释放大量热量，通过外壳接触和内部热传导加热相邻电芯，直至其达到热失控触发条件。但在实际电池模组中，电芯之间普遍存在并联电气连接，这为热失控传播引入了额外的电学通道。实验发现，并联条件下相邻电芯的触发行为与开路条件存在显著差异，且这种差异无法仅用热传递来解释。

二、实验设计

[图片：实验装置示意图，展示并联模组中加热电芯、失效电芯与相邻电芯的排布及测点布置]

实验以典型值方形磷酸铁锂电芯为对象，在满充状态下开展对比研究。实验设置三组工况：开路模组、并联模组以及用于机理解耦的对照实验组。通过布置表面热电偶、内置热电偶和电压采集通道，实时记录热失控过程中的温度场演化、电压跌落与电流转移行为，重点考察电芯间的传热功率、累计传热量、转移电量以及热失控起始温度等关键参数。

三、热传递与电流传递的作用解耦

实验首先对比了开路与并联条件下电芯热失控的起始位置与传播时序。开路电芯的受热面首先达到热失控判据，随后沿厚度方向向内传播，传播过程受热传导控制；而并联电芯则依次在顶部、中部和底部区域触发，触发起点位于正极极耳附近，说明局部电流焦耳热首先启动了热失控。

数据表明，并联相邻电芯在触发前接收的外部热量反而低于开路条件，但其热失控起始温度更低、触发更早。这说明并联相邻电芯的提前失控并非因为获得了更多外部热量，而是由电流焦耳热直接推动，这是热-电耦合机制的直观证据。

四、传播时序与处置窗口的压缩

实验进一步揭示了电气连接对处置窗口的显著影响。在开路模组中，初始电芯在安全泄压后经过较长延迟才发生热失控，为系统预留了相对充足的识别与响应时间；而在并联模组中，初始电芯在安全泄压后立即热失控，且相邻电芯的传播时间大幅缩短。这意味着并联结构大幅压缩了从"可识别异常"到"全面失控"的处置窗口，对BMS的早期预警能力提出了更高要求。

[图片：热失控传播温度-电压时程曲线，展示并联条件下电芯电压跌落与温度突变的同步关系]

五、电-热正反馈机制

综合分析三组实验数据，可以归纳出并联模组热失控传播的完整链条：外部加热诱发局部内部短路，邻近电芯通过并联支路向故障电芯输电，电流在正极附近积聚为焦耳热，推动初始电芯热失控；热失控电芯向相邻电芯传热，使其升温并形成新的内部短路，再次发生电流转移，最终触发第二个电芯热失控。在这一链条中，热传递与电流传递相互促进而非简单叠加：热传递增大电芯内部温度不均匀性并促进内部短路形成，内部短路又启动电流转移，焦耳热进一步加快热失控进程。

值得警惕的是，并联连接还显著增加了明火风险。转移电流既在电芯内部产生热量，也可能使铜排、连接件等外部导体局部过热，从而点燃安全阀喷出的可燃物，使事故后果进一步恶化。

六、工程启示

本研究为模组级热失控防护提供了明确的工程方向：

• 热失控防护不能只配置隔热材料，还应具备快速切断故障支路电流的能力；
• 有效方案应包括兼顾正常散热与失控隔热的热障材料、电芯级电流中断装置、模组级熔断或主动断电系统；
• 需针对异常支路电流、瞬时压降和局部快速温升建立联合预警机制，弥补单一温度预警的不足；
• 仅依据平均温度进行预警可能低估并联系统风险，应关注局部温度分布与电流行为的综合特征。

热安全团队（thermsafe.cn）在并联模组热失控测试与热-电耦合机理验证方面积累了丰富经验，可为电池系统安全设计提供实验数据支撑。

七、结论

大容量方形磷酸铁锂电池的模组级热失控传播不能仅被理解为热传导过程。在并联状态下，热传递负责将相邻电芯预热至可能形成内部短路的状态，电流传递则提供局部、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，两者共同构成电-热正反馈机制。该机理框架对储能系统和动力电池包的安全设计具有普适参考价值。需要说明的是，定量结果在推广到不同SOC、不同正极体系、其他容量规格及串并联拓扑时仍需进一步验证，但其机理结论具有较强的普适性。

引用来源

本文参考自"Roles of heat and current transfer in triggering thermal runaway propagation of prismatic lithium-ion batteries"（发表于Journal of Energy Storage）相关技术文献素材，并结合热安全团队（thermsafe.cn）测试实践经验整理而成。

固定测试项目

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。