邱健蓄电池锂离子电池模组热失控传播特性与机制的实验分析

Cell-to-Pack (CTP)技术通过取消模组层级，显著提升了体积利用率和能量密度。然而，CTP大型模组的高度集成化设计也加剧了热失控传播的风险与复杂性。目前针对CTP大型模组热失控传播特性及传热机制的系统性研究仍较为有限。本研究搭建了单排（9个电池）与双排（两排共18个电池）CTP模组的实验平台。研究发现，CTP单排模组呈现电池单体依次传播的特征，而CTP双排模组则存在有序传播、同步传播和无序传播三种热失控模式。其中同步传播型热失控的峰值温度最高（765.4–812.7°C），质量损失最大（65%）。基于传热计算公式的分析表明，电池间接触面积与CTP模组的热传递量呈正相关，这是构成双排模组多重传播模式及严重热失控的关键因素。该研究可为CTP模组电池包的安全设计、热失控监测预警提供数据支撑，并为后续火灾事故调查奠定理论基础。

图文摘要

引言

在全球能源结构转型的背景下，新能源汽车产业已成为重构全球交通能源体系的核心支柱[1][2][3]。纯电动汽车（EV）与混合动力汽车（HEV）作为当前新能源汽车市场的主力车型，面临着续航焦虑问题——源于用户对电动汽车单次充电行驶里程不足与能量补充效率低下的担忧，这已成为制约其市场渗透率提升的关键瓶颈[4][5][6][7]。
锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优势[8][9][10][11][12]，已成为电动汽车动力电池的首选。然而，LIBs的热失控（TR）风险限制了其应用与发展。TR是LIBs最严重的安全失效模式，由TR引发的安全事故频发，严重威胁人类生命与财产安全[13][14]。其扳机可归类为机械滥用、电气滥用与热滥用[15]-[21]。目前学者们已通过多种触发方式模拟单体电池中的热失控扳机，并掌握了电池热失控特性。Na等[22]采用针刺法模拟机械滥用以确保实验中热失控不会提前终止，并与真实火灾案例数据进行对比。Zhou等在过热实验基础上，[16]从电池内部温度、产热量及热失控（TR）传播速度等方面揭示了电池层级的热失控触发机制，研究发现与前端加热方式相比，底部加热始终会引发更严重的热失控。Deng等学者结合层次分析法（AHP）量化了各类触发条件的危害程度，结果表明加热与过充复合场景危险度最高，其火灾增长指数（FGI）显著高于单一触发场景。
大型电池模组因其高能量密度特性，常面临热失控传播（TRP）的严峻挑战[23][24]。TRP的速率与路径受多种因素影响，包括电池排列方式、间距及散热条件等[26][27]。Read等学者[28]对由721,700个锂离子电池组成的小型模组进行了6次TRP测试，该模组采用六边形排列方式，相邻电池间距为3毫米。当电池模组发生侧壁破裂故障时，TRP发生概率显著升高。这一现象可通过侧壁破裂故障与标称故障在热传导方向性与强度上的差异进行解释。Lai等研究者[29]对三种典型Trigger模式下的锂离子电池模组TRP行为进行了对比研究。其能量流分布表明：超过60%的TR能量用于电池自热过程，另有26%以上的能量通过电池材料爆裂释放。因此，通过改进电池模块结构以降低喷发温度或排放喷射物来防止爆炸，可以抑制或延迟TRP（热失控传播）。Bugryniec [30]等人研究了不同初始和环境条件下3×3小型电池组中TR（热失控）能量传递的可能性，发现即使在极端环境条件下，单个TR电池产生的热量也不足以引发TRP，这表明LFP（磷酸铁锂）电池模块在实际应用中具有安全性和抗滥用潜力。
目前，锂离子电池（LIBs）的能量密度已接近现有材料体系的理论极限（三元锂电池约为300 Wh/kg，磷酸铁锂电池约为180 Wh/kg）[32][33]，导致主流车型续航里程普遍低于800公里，难以满足长途出行需求。传统模块化设计因冗余结构限制了能量密度，而Cell-to-Pack（CTP）技术通过取消模组层级、直接将电芯集成至电池包[31][34]，显著提升了空间利用率。以比亚迪CTP方案为例，其体积能量密度可提升50%。该技术带来的降本增效优势，推动了磷酸铁锂（LFP）电池在乘用车领域的应用。然而，CTP技术的高度集成设计缩短了电池热失控（TR）的传播路径，并显著增加了热管理难度，随之而来的安全风险限制了该技术的推广[35][36][37]。目前，大多数关于热失控传播（TRP）的研究仍停留在小型模组层面，而这些小型模组电池的TRP行为主要受能量流动规律影响。能量输入与输出的平衡关系会直接影响传播的稳定性、路径与速率。在CTP电池包中，电芯间通过铝制壳体等结构进行物理隔离。若增设隔热材料，则传热、散热等条件将更为复杂，导致热失控传播态势难以预测。
本文通过实验展示了CTP电池热失控传播（TRP）的特性与能量流动规律，对比研究了CTP单排模组与CTP双排模组的TRP行为。通过在模组间增设橡胶隔热片，记录了电池内外温度与压力变化以及电池碎片特征，可观测CTP电池包在TRP过程中传播次序与热量传递的关联关系。为进一步探究能量流动规律，基于传热公式估算了CTP大模组TRP过程中的热量传递过程。研究成果可帮助设计者理解LFP大模组电池的TRP规律，辅助优化电池模组安全性，为电动汽车安全监测与预警提供数据参考，同时为后续事故调查提供理论依据。