并联模组锂电池热失控传播测试案例解析

文章分类：实验案例

摘要：本文围绕大容量方形磷酸铁锂电池在并联模组中的热失控传播行为，系统梳理"先解耦、再耦合"的实验设计思路，定量揭示热传递与电流传递对失控触发路径、传播时间及火灾风险的差异化影响。实验数据表明，并联状态下转移电流产生的焦耳热可使热失控提前至安全泄压阶段，并显著缩短相邻电芯传播窗口。文章进一步讨论预紧力、排气行为与危害评估等工程要点，为储能与动力电池安全设计提供参考。

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一、测试背景与研究问题

电池模组级热失控传播是储能电站与动力电池系统火灾事故的重要诱因。传统认知中，热失控传播主要被理解为"一个电芯把另一个电芯加热失控"，因此隔热设计被视为第一道防线。然而在并联电气连接下，情况更为复杂：当某支路电芯发生内部短路后，相邻正常电芯会通过并联支路向故障电芯输送电流，这部分额外电能转化为焦耳热，可能使失控提前触发并加快蔓延。

为定量刻画这一现象，本案例参考公开文献中"先解耦、再耦合"的实验体系，将热量传递与电流传递的作用分别隔离并逐级叠加，研究对象为大容量方形磷酸铁锂电池（额定容量典型值 Ah 级、标称电压 3.2 V 级）。实验设置了单体热失控、热失控向失效电芯传热、热失控向正常电芯传播三组工况，并在开路与并联两种电气状态下对照开展。

[图片：测试场景] 燃烧室内的模组热失控实验布置，包括加热夹具、热电偶阵列、排烟系统与高速摄像装置。

二、实验设计与关键测试条件

测试平台采用满足 ISO 9705 结构要求的燃烧室（约 1.8 m×1.8 m×2 m），配备电子天平、可控加热板、不锈钢夹具与陶瓷纤维隔热层。加热电芯受热面与背面均布置多支 K 型热电偶，相邻电芯前后表面采用相同布置方式，任意测温点温升速率超过设定阈值即定义为热失控发生时刻。

每组工况至少重复两次以保证数据可靠性。实验中通过实验前后容量测量与等效电路模型，将容量损失分解为"跨电芯转移电量"与"供电电芯自发热消耗"两部分，从而对电流传递的规模进行定量估算。

三、核心实验结果与对比分析

1. 热失控触发路径不同。开路状态下，电芯首先在外部受热区域触发热失控，随后沿厚度方向热传导扩展；并联状态下，内部短路形成电压差，邻近电芯向故障电芯输送电流，焦耳热集中于正极极耳附近，使热失控从电芯顶部率先启动。实验数据表明，并联电芯在安全泄压时几乎立即进入热失控，而开路电芯在安全泄压后仍经历较长延迟才发生失控。

2. 传播时间显著缩短。对比实验显示，开路模组中相邻电芯传播时间约为典型值（百秒量级），并联模组缩短至典型值（百秒量级以下），说明转移电流大幅压缩了从可识别异常到全面失控的处置窗口。

3. 表观触发温度下降。并联相邻电芯背面的热失控起始温度明显低于开路条件，表明并联系统中电芯并不需要达到相同整体温度即可因局部焦耳热积聚发生失控，仅依赖平均温度预警可能低估系统风险。

4. 明火风险放大。并联实验中，转移电流使连接件等外部导体局部过热，可点燃安全阀排出的电解液蒸气与可燃气体，使原本不易自燃的磷酸铁锂电芯出现持续喷射火焰，显著改变事故的外部表现与灭火处置难度。

四、预紧力与排气行为的工程影响

在模组成组层面，预紧力对热失控时序与排气行为同样具有非单调影响。相关研究在多种预紧力（0、典型值、典型值、典型值 kN）条件下考察大容量磷酸铁锂电池的失控行为发现：预紧力增大会使安全阀开启时刻提前，但过高预紧力反而显著延长安全阀开启到热失控触发之间的间隔——这是因为安全阀过早开启时内部平均温度较低，且大量高压电解液喷出带走汽化潜热，抑制了链式放热反应。

气体成分分析表明，热失控排气组分占比依次为 CO₂、CO、CH₄、C₂H₄、HCl，预紧力对气体组分影响较小，但对总排气体积与最大排气速度影响显著。适度预紧力可通过允许可控横向膨胀降低喷射冲击风险，这一结论颠覆了"约束越强越安全"的简单认知。

[图片：相关示意图] 不同预紧力下热失控关键节点温度与时间对比示意图，以及排气速度双峰曲线。

五、面向工程的安全设计建议

• 热失控防护不能仅依赖隔热材料，还应具备快速切断故障支路电流的能力。
• 推荐方案包括：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、耐高温绝缘与爬电距离设计。
• 预警策略应联合监测异常支路电流、瞬时压降与局部快速温升，而非单一平均温度。
• 成组预紧力宜在"允许可控膨胀"与"维持热接触"之间取平衡，避免极端约束。

热安全团队（thermsafe.cn）长期聚焦锂电池热失控机理与测试方法研究，可结合绝热加速量热、导热系数测定与模组级热蔓延实验，为上述安全设计提供量化数据支撑。

六、结论

大容量方形磷酸铁锂电池模组级热失控传播不能仅被理解为"一个电芯把另一个电芯加热失控"。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，二者共同构成并联模组典型的电-热正反馈机制。定量结果在推广到不同 SOC、不同正极体系与其他容量规格时仍需进一步验证，但其"热传递负责预热、电流传递负责加速触发"的机理框架，对储能系统和动力电池包的安全设计具有较强普适参考价值。热安全团队（thermsafe.cn）可为相关验证测试提供专业服务，助力企业建立覆盖电芯、模组到系统级的完整安全评估体系。

参考文献

• Roles of heat and current transfer in triggering thermal runaway propagation of prismatic lithium-ion batteries, Journal of Energy Storage.（合并素材：并联电池热-电耦合热失控传播）
• The preload force effect on the thermal runaway and venting behaviors of large-format prismatic LiFePO4 batteries, Applied Energy.（合并素材：预紧力对热失控及排气行为影响）
• 储能系统热失控验证案例：10kWh 磷酸铁锂电池模组热失控特性实验（合并素材：wechatGZH 系列）。

热安全团队测试项目

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.