锂离子电池储能系统中热失控燃料费扩散的多尺度建模与动态风险评估

锂离子电池储能系统（BESS）在可再生能源并网与电网调节中具有关键作用，然而热失控过程中释放的大量可燃性燃料费会在密闭空间内积聚，引发严重的火灾与爆炸风险。为阐明电池模组与储能舱之间的跨尺度燃料费扩散过程，并实现泄放过程的动态风险评估，本研究在OpenFOAM中开发了耦合产热-燃料费生成模型与多组分计算流体力学（CFD）模型的建模框架。该框架实现了泄放射流动力学与舱内燃料费扩散的全过程模拟，其准确性已通过电池泄放实验验证。模拟结果表明，在自然通风条件下，危险区域体积（≥25%爆炸下限）会从约0.09立方米³单次电池泄压事件的影响范围可超过8米³对于36个电池组的情况，危险持续时间显著延长。浮力效应导致高浓度气体在舱室顶部形成持久分层，而位于角落或紧贴墙面的电池组发生热失控时，易引发局部气体聚集。与自然通风相比，经过优化设计的强制通风系统（最佳布局风速为1.5米/秒）能有效降低峰值浓度并缩短危险持续时间⁻¹其控制效果与传统布局在2.5米/秒风速下的表现相当⁻¹本研究揭示了储能系统中可燃性燃料费的演变规律，为通风与防爆设计提供了依据。

引言

全球各国正致力于在本世纪下半叶实现净零排放，以缓解气候变化和全球变暖问题。推动交通电气化与储能技术发展已被证实是减少温室气体排放、降低环境碳足迹的关键举措[1]。储能系统（ESS）被视为电气化进程中不可或缺的使能技术，在频率调节、削峰填谷及可再生能源并网等方面发挥着核心作用[2,3]。其中，锂离子电池（LIB）储能系统作为典型储能形式，近年来部署规模快速增长。该类型储能系统不仅展现出平抑可再生能源发电间歇性的卓越能力，还能通过互联电网在负荷高峰波动期间提升供电稳定性与可靠性[4]。
然而，储能系统能量存储容量的提升与集成度的增加不可避免地降低了系统可靠性[5]。过去十年间，全球电池储能系统已发生60余起火灾或爆炸事故，包括北京某储能电站爆炸事件及澳大利亚特斯拉储能系统火灾事故[6,7]。储能系统爆炸的主要诱因是锂离子电池的热失控（TR）现象——在滥用条件下触发一系列连锁副反应，导致剧烈放热并释放CO、H₂、CH₄和C₂H₄等可燃气体[8]。由于ESS内部通风不足或燃料费扩散路径受限，这些易燃气体可能迅速积聚并形成极易爆环境。因此，必须系统研究电池在热失控（TR）过程中的燃料费生成特性，进而考察可燃混合物在ESS内的积聚与扩散行为，同时定量分析气体浓度分布特征，为ESS防爆与通风设计提供理论依据。需指出的是，在实际工程应用中，储能系统（ESS）存在多种部署形式，包括非步入式集装箱ESS、步入式ESS舱室以及建筑一体化电池舱。这些不同的应用场景在空间尺度、通风模式、内部障碍物布置及泄压条件方面表现出显著差异，这将直接影响热失控（TR）释放气体的扩散路径、分层特性以及后续火灾爆炸后果。现有研究证实，在非步入式密闭ESS中，可燃气体更易在顶部区域或角落局部积聚，从而增大爆炸风险。
关于电池热失控(TR)过程中燃料费生成特性及相关爆炸风险已开展广泛研究。Jia等[9]研究了86 Ah磷酸铁锂(LFP)电池在过充和过热条件下的TR行为及燃料费演化机制，确定H₂、CO₂和CO为主要产物，占总释放燃料费的75%以上。Zhang等[10]通过实验研究了电池模组在TR过程中的泄放行为，发现泄放燃料费中H₂、CO₂和CO为优势组分，其中H₂含量超过30%。此外还存在一定比例的C₂H₄和CH₄，形成的混合燃料费爆炸极限低至约6%，表明其具有较高的爆炸敏感性。需特别指出的是，TR过程中生成燃料费的特征及相关爆炸危害性，在很大程度上取决于电池化学体系与单体结构设计。对比研究表明，LFP电池在热失控（TR）过程中排放气体通常含有更高比例的H₂，这导致其爆炸下限较低且可能产生更高爆炸超压，尽管其总体热释放速率相对较低[11]。与NCM、NCA等三元锂电池相比，LFP电池排放气体通常表现出更显著的易燃特性，而三元电池往往产生更大的总气体释放量[12]。现场实验研究进一步表明，三元锂电池在热失控(TR)过程中通常经历更剧烈的内部热蔓延，并伴随更高的单体峰值温度[13]。此外，泄放燃料费在TR期间的爆炸响应特性对正极材料具有高度敏感性。不同正极化学体系生成燃料费的爆炸极限呈现Z形分布特征，当正极材料从NCM转向LFP和NCA时，对应的爆炸极限区域整体向更低温区移动[14,15]。进一步对比研究表明，不同的热失控（TR）触发模式与电池构型会显著改变燃料费成分及排放动力学特性，其中过充条件产生的可燃性混合燃料费危害性最高[16]。%%此外，相比小型圆柱电池，大尺寸方形电池通常表现出持续时间更长、多阶段性的排放行为，这在系统尺度上会大幅延长可燃燃料费的积聚过程。%% 这些差异表明，从三元化学电池或小容量电池得出的结论不能直接外推至大容量磷酸铁锂（LFP）电池，凸显了储能系统安全研究中开展电池类型专项评估的必要性。研究结果证实，电池热失控过程中释放的燃料费极易在储能舱等密闭空间内积聚，形成爆炸性气氛，一旦被扳机引燃将对储能系统造成严重的热力与机械冲击。进一步的实验与动力学分析表明，这些多组分可燃性混合燃料费不仅成分复杂，其火焰传播速度与爆炸压力也显著高于传统单组分气体[7]。近期研究进一步证实，电池热失控过程中的燃料费释放本质上具有明显的多阶段性和强动态特性。Chen等[17,18]研究发现电池泄放不仅包含初始喷射阶段，还涉及由气固反应产物持续演化和二次气相反应驱动的"残余燃烧"与"复燃"行为。其结果表明，泄放燃料费中可燃组分的构成会随热失控阶段持续演变，且延迟释放阶段的燃料费复燃会显著加剧灾害强度并延长其持续时间。此外，其他研究从单体电池内部热失控演化的视角考察了泄压行为，系统阐释了内部反应进程对燃料费释放特性及相关可燃性风险的驱动作用。这些研究结果强调，在点火前评估泄压过程中可燃燃料费的危险性，对储能系统的安全设计具有关键意义[19]。Wang等[20]通过实验研究了大容量磷酸铁锂电池单体及模组的热失控现象，结果表明安全阀会调节泄压过程，导致振荡性泄放行为并在模组角落形成显著的燃料费积累，从而对储能系统构成重大安全隐患。Peng等[21]对高度集成的CTP电池包开展了热失控实验，并建立了燃料费喷射模型以系统分析泄放温度、组分及压力对电池包热危害的影响。研究结果表明，高温排放的燃料费倾向于在电池包内部狭窄间隙及底部区域积聚，同时显著改变了内部燃料费分布与流动特性。这些发现表明，电池包泄压过程应当被明确纳入系统级安全研究的分析框架。此外，另一研究方向聚焦于通过结构设计提升模组安全性。例如Chen等人[22]提出了一种多功能超薄热障结构，该结构兼具低导热系数与高机械强度，可有效延缓棱柱形电池模组内的热失控传播。全尺寸储能系统研究[[23][24][25]]表明，当热失控累积的多组分可燃性燃料费被引燃时，伴随而来的爆炸将呈现高过压、强火焰与高速流场特征，不仅会导致舱体结构失效，还会对周围环境造成严重破坏。例如Jin等[26]通过全尺寸储能舱实验结合数值分析指出，在通风不足、可燃性燃料费延迟释放且存在点火源的条件下，舱内可能产生显著爆炸过压及高温泄放效应，从而对相邻舱体结构造成不利影响。Hu等[27]通过数值模拟研究了储能舱热失控过程中释放的燃料费引发爆炸及相应泄压过程的动态特性，系统分析了泄压口配置方案、通风开口布局以及内部障碍物对舱内外超压演变的影响规律。研究结果表明，超压演变呈现空间差异化的单峰或多峰特征，且受点火位置与开口响应特性的显著影响，这些因素可能进一步加剧外部冲击载荷并扩大危险范围。实验与数值结果均一致突显该危险性：无论即时点火或延迟点火均会导致灾难性后果，且随着燃料费浓度升高，爆炸强度甚至足以破坏系统围护结构。然而，现有研究大多优先基于泄爆后的爆炸后果评估ESS安全性。因此，针对燃料费扩散阶段中可燃区域在不同通风场景下的形成、增长与消散过程，实时风险评估尚未得到充分关注。
锂离子电池热失控（TR）过程中释放的燃料费具有成分复杂、爆炸性强的特征，其扩散行为决定了易燃燃料费混合物的形成、分层与积聚，从而直接影响电化学储能系统（ESS）密闭空间内的点火概率与爆炸强度。因此，研究锂离子电池泄放燃料费的扩散规律对于辅助ESS探测器布置与防爆通风设计至关重要。目前学界已在模组和系统两个层面针对燃料费扩散与检测开展了大量研究。Shi等[28]研究了热失控（TR）气体在储能系统（ESS）内的扩散特性及通风作用，发现氢气（H₂）可在热失控早期被检测到，且比一氧化碳（CO）更适合作为预警气体；此外，通风会加速气体混合并改变扩散路径。通过优化分析，作者证明合理部署3至5个探测器可显著缩短检测时间并提高预警可靠性，强调了气体扩散模式与通风对储能系统安全的重要性。Jia等[29]在电池包和系统层级研究了86安时磷酸铁锂（LFP）电池热失控过程中的气体扩散与检测，发现氢气扩散速度更快，气体主要聚集在顶部空间，而通风能有效降低后期稳态浓度。Kim等[30]采用数值模拟方法研究了软包电池模块热失控释放气体的扩散行为。结果表明，通风位置与模块内部的气流条件会显著改变燃料费传播路径与检测时间，揭示了模块尺度上燃料费扩散行为具有明显的空间依赖性。Kapahi等人[31]进一步提出了一种基于计算流体力学（CFD）的性能驱动设计方法，该方法通过UL9540A测试数据推导燃料费源项，以模拟电化学储能系统中燃料费积聚与通风过程。他们的研究结果表明，TR燃料费会迅速在上部空间积聚，形成可燃混合气体，而机械排风系统的引入有效降低了浓度，满足NFPA 69防爆要求。Zhang等[32]通过105 Ah磷酸铁锂电池TR实验与FLACS模拟相结合，系统分析了多电池同时发生TR时的气体扩散行为，表明大量可燃气体迅速充斥舱室并在顶部积聚，呈现显著分层现象。Xu等[33]进一步利用FLACS模拟证实，舱室高位区域的气体组分高度一致，而电池数量与模组布局对可燃气体空间分布具有显著影响。Wang等[34]开发了热阻网络与CFD耦合框架，可同步表征电池间TR传播与多组分气体输运过程。通过结合爆炸下限（LEL）与火焰传播速度构建无量纲时间指数，研究者量化了爆炸风险并评估通风速率对云团浓度及危险持续时间的影响，为基于性能的ESS安全设计提供了方法学支撑。Shen等[35]采用实验与数值模拟相结合的方法研究了电池系统的热失控（TR）过程。模型引入高温燃料费喷射行为，实现了固体热传导与高温气流场的耦合。结果表明，TR过程中喷射的高温燃料费在系统内形成明显的流动与分布模式，并对内部热环境和流动环境产生显著影响。Huang等[36]从首次泄压事件的角度研究了燃料费扩散与检测策略，表明一旦发生TR，燃料费会在密闭空间内快速扩散，同时伴随温度和压力的急剧上升，在某些情况下，泄压口处可能形成稳定燃烧。综上所述，尽管现有研究已阐明燃料费生成与扩散机制，但多数工作仅考虑了储存舱内的燃料费扩散。目前缺乏对从电池模组到储存舱的燃料费动态多尺度扩散过程的研究，从而限制了准确描述燃料费释放演变与空间分布特征的能力。
本研究的主要目标是通过多尺度方法系统探究电池组热失控（TR）释放气体至储能舱的扩散行为。具体而言，这项工作旨在阐明瞬态泄放动力学与空间限制效应的耦合作用如何决定爆炸风险的时空演化特征。为此，本研究基于OpenFOAM平台开发了热-燃料费生成与计算流体力学（CFD）耦合框架，用于捕捉电池热失控过程中舱室内射流动力学与燃料费扩散行为。当前研究通过显式建模电池组内部燃料费扩散过程，为舱室尺度模拟提供物理一致性更高且随时间变化的燃料费释放边界条件，并定量分析扩散过程中危险区域的动态演变，从而将传统基于后果的评估方法转向过程导向的风险评价范式。在通过实验数据验证模型精度后，研究于舱室尺度开展了多性向模拟，系统考察了燃料电池数量、空间位置及通风策略对危险区域体积与持续时间的影响，从而阐明这些关键场景因素如何共同影响可燃区域的空间规模与存续时间，而非仅聚焦于点火后的后果。 （注：根据术语表要求，"multi"译为"多性向"；"simulation"译为"模拟"；其他专业表述如"cell quantity"保留学术语境译为"燃料电池数量"；被动语态转为中文主动式表达；复杂长句按中文习惯切分，同时保持逻辑严谨性）本研究阐明了电池和模组层面高度瞬态、多组分泄放过程如何通过跨尺度机制调控系统尺度可燃燃料费区域的生成、增长与消散。通过动态耦合燃料费释放动力学、浮力驱动输运及空间限制效应，该工作以限制级的时间演化解析和情景依赖性分析，揭示了危险区域的动态演变规律。研究成果为锂离子电池储能系统合理通风与预警策略的制定提供了重要理论依据。