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https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.01.125
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3. 收录日期
1. 科学问题
研究并联电池模块中热失控传播的电能转移机制及其对传播时间、能量释放与温升的影响。
2. 实验与模型方法
1. 实验设备与设置
使用96 A·h电池模块（四个24 A·h袋式电池并联），采用NCM/石墨电极和PE-PP-PE隔膜。 Fig.1和Fig.2：电池模块的结构。
2. 热触发热失控传播实验
四个电池与加热器通过两块钢板固定在一起，Cell 1由加热器触发热失控，Cell 2受Cell 1加热， 依此类推。Fig. 2中显示了中间和电池极部位温度监测位置。
3. 实验监控与测量
使用三台相机从不同角度监控实验。电池模块电压通过V1和V2进行测量（误差为±1mV），12个热电偶（TC1-TC12）用于监测温度（误差为±1°C）。 实验环境为防爆箱，配有废气净化系统（Fig.1(c)）。
4. 实验设置与测试条件
进行了三次室温下的实验，研究热触发热失控传播。实验1使用SiC加热器（Fig.1(a)），实验2和实验3使用2520钢加热器（Fig.1(b)），并且重复实验的加热功率相同（Table 2）。
Fig. 1. Pictures showing the battery module used in the experiment and the anti-explosion box in which the cells were tested.
Fig. 2. Sketch showing the components inside the battery module and the position of the temperature sensors (TC1 - TC12).
3. 研究结果
3.1 热失控整体特征
1. 实验1结果概述（Fig. 3, Fig. 4）
（1）热失控触发过程：
使用SiC加热器以恒定功率1700 W加热，167 s后，Cell 1触发热失控并产生大量烟雾，随后热失控传播至相邻电池。
Fig. 3：Cell 1开始膨胀并产生烟雾，最终引发剧烈火焰传播。
Fig. 3. Pictures showing the progression of the thermal runaway propagation in the first experiment (Experiment No. 1). The first row (3.1a-c) shows the back side of the module, the second row (3.2a-c) the front side and (3.3a-c) the pole side.
（2）温度变化特征：
中间表面温度（Fig. 4）：Cell 1在热失控时温度达到700°C，而Cell 2、Cell 3和Cell 4的温度超过900°C。
热失控初始时Cell 1的温度为224°C（由TC2监测）。
2. 实验2和实验3结果比较（Fig. 5）
（1）热失控触发过程：
使用2520钢体加热器（恒定功率1700 W），分别在848 s和951 s时触发Cell 1的热失控。
与实验1相比，加热器质量、热容量及散热特性不同，导致温升速率差异。
（2）温度变化特征：
热失控初始时，Cell 1中间表面温度（TC2）分别为261°C和239°C，均高于实验1。
Cell 1在实验2和实验3中的触发特性与实验1有所不同
Fig. 5. Plot showing the temperatures in the different experiments: (a) Experiment No. 1, (b) Experiment No. 2 and (c) Experiment No. 3.
3.2 温度分布总结
1. 实验1温度分布特征（Fig. 6）
（1）中间表面与极柱温度差异：
Cell 1、Cell 2和Cell 3的极柱温度低于中间表面温度，并表现出明显的延迟。
原因：极柱像散热片一样向环境散热，而热失控由电池中心向外传播。
（2）极柱温度趋势：
极柱温度呈现两种趋势：
温度峰值趋势：极柱位于热失控期间的火焰侧。
缓慢升温趋势：极柱未直接暴露于火焰中。
Fig. 6. Plot showing the readings of the middle and pole temperatures in Experiment No. 1 for (a) Cell 1, (b) Cell 2 and (c) Cell 3, respectively.
2. 实验2与实验3温度分布特征（Fig. 7）
温度曲线趋势：
中间表面温度（红线）与极柱温度（绿线和蓝线）趋势类似，实验具有良好的重复性。
现象与实验1类似，极柱温度依然低于中间表面温度，并且存在时间延迟。
Fig. 7. Plots showing the middle and pole temperatures measured in Experiment No. 2 (7.1) for Cells 1–3 (7.1a-c) and Experiment No. 3. (7.2) for Cells 1–3 (7.2a-c).
3.3 电压波动机制
1. 电压波动与热失控传播的关系（Fig. 8, Fig. 9）
（1）电压波动特征：
实验1的电压波动采样频率为10 Hz，两组电压监测数据（V1和V2）一致。
热失控（TR）在167 s触发后出现显著电压波动，电压曲线被划分为4个阶段（Period I-IV）。
Fig. 8. Plots showing the voltage readings of the cells during TR propagation (left) and the zoom-in around thermal runaway to indicate the four voltage periods (right).
2. 不同阶段电压变化机制（Fig. 9）
（1）Period I：Cell 1触发热失控（Fig. 9a-c）
热失控触发前，各电池电压恒定为4.2 V，SOC为100%。
Cell 1短路，其他电池（Cell 2-4）将电流转移到Cell 1，导致其释放超出100% SOC的能量。
热失控结束时，模块电压上升至约4.15 V，而Cell 2-4的SOC下降。
（2）Period II：Cell 2触发热失控（Fig. 9d-e）
Cell 2因Cell 1的热失控传播而触发，类似的电流转移和能量释放机制发生。
（3）Period III：Cell 3触发热失控（Fig. 9f-g）
Cell 3重复类似的热失控和电压变化过程。
（4）Period IV：Cell 4触发热失控（Fig. 9h-i）
Cell 4最终由Cell 3触发，模块电压降至0 V。
因其他电池消耗了Cell 4的部分能量，Cell 4释放的能量低于其他电池。
Fig. 9. Sketch showing the mechanism of the electrical characteristics of thermal runaway during different periods of the propagation.
3.4 电压波与传播时间的确定
1. 电压波与热失控传播时间的关系（Fig. 8, Fig. 10, Table 4）
（1）电压波波谷时间的标记：
Fig. 8中的黑色星号标记了电压曲线的波谷点，波谷时间记录在Table 4中。
（2）传播时间的确定：
比较Table 3中的热失控触发时间与Table 4中的波谷时间发现，两者高度吻合。
温度上升时间表示单个电池热失控传播的结束时间，而非起始时间。
（3）电压波谷的机制：
Fig. 10：电池热失控期间电压波的特性。
电压下降时间对应热失控触发时，随后在单电池内逐层传播，直至整个电池电化学系统被破坏，形成电压波谷。
电压恢复到约4.15 V，表示热失控传播至下一个电池。
2. 不同实验中的传播时间分析（Fig. 11, Table 5）
（1）实验结果对比：
实验2和实验3的电压波趋势与实验1相似，电压波谷清晰可见，传播时间由波谷时间确定（Table 5）。
Cell 1的传播时间最短，因其受加热器直接加热，并受其他电池电流转移的影响。
Cell 4的传播时间最长，因其SOC最低，释放的能量最少。
（2）加热器类型的影响：
实验2和实验3中，由于使用不同的加热器，Cell 1的热失控时间更短，且传播至Cell 2的时间更快。
（3）单电池特性的一致性：
Cell 2、3和4的热失控时间在三次实验中相似，说明传播过程中的电池特性基本一致。
传播时间随着传播的持续而变长。
（4）预紧力与热阻的影响：
实验2和实验3中更大的预紧力和更低的热阻使传播时间显著短于实验1。
Fig. 10. Sketch indicating the determination of propagation time with voltage waves in any of the cells.
Fig. 11. Plots showing the voltage of the cells read during thermal runaway propagation during (a) Experiment No. 2 and (b) Experiment No. 3.
3.5. 并联模块热失控传播中电能转移的模拟与分析
1 模拟设置简介
（1）研究目的：
模拟并联模块的热失控（TR）传播，分析传播过程中电能转移的影响。
（2）简化假设：
热失控电池的电阻恒定，单电池热失控持续时间设定为10 s，与实验结果接近。
电能在传播过程中完全转化为焦耳热，忽略传递过程中的热能损失。
每个热失控电池的电能传递过程是瞬态的。
（3）模型描述：
构建的瞬态模型如Fig. 13，与Fig. 12中的模型相似，热失控电池的电阻保持恒定。
正常电池的开路电压（OCV）与SOC的关系如Fig. 14所示。
24 A h电池的电阻、质量、标称容量和比热容均基于实验数据。
模拟步骤如Fig. 15所示，k表示模拟的步骤数，表示触发热失控的电池数。当k = 17时，电能转移完成，模拟结束。
Fig. 12. Sketch showing the Rb equivalent circuit model that was used to calculate the electricity transferred during propagation.
Fig. 13. Sketch showing the transient battery model used for simulating and analyzing of electricity transferred during propagation.
Fig. 14. Plot showing the relationship between the OCV and the SOC.
Fig. 15. Sketch showing the simulation step k of the model.
2 模拟结果与分析
（1） 电路电阻与电流变化（Fig. 18）
电路总电阻由kR_TR和内部电阻组成，其中：
R_TR：恒定，远小于内部电阻。
Rb：随着热失控传播略微下降。
结果表明，电路电阻略有降低，导致电流有轻微增加。
Fig. 18. Plot showing the circuit resistance and the current curve at different simulation step k.
(2) 正常电池SOC变化（Fig. 19）
模拟过程中，正常电池SOC逐步下降，但最低SOC仍高于88%。
表明尽管正常电池SOC有所降低，但热失控传播不会因此停止。
Fig. 19. Plot showing the SOC of the normal cells at different simulation step k.
(3) 焦耳热的计算与分布（Eqs. 6–8, Fig. 20）
焦耳热分布：
热失控电阻产生的焦耳热占绝对主导地位。
内部电阻产生的焦耳热相对较小。
电功率与能量变化：
电功率随步骤
k略微降低，但变化幅度较小。
Fig. 20. Plots showing the electrical power and energy generated by the different resistances at different simulation step k.
(4) 温升分析（Eq. 9, Fig. 21）
温升结果：
Fig. 21(a)：热失控电阻产生的焦耳热导致单电池温升约10 °C。
Fig. 21(b)：正常电池内部电阻产生的焦耳热导致温升不足2 °C。
模块温升对比：
并联模块在热失控传播中的温升比串联模块高10 °C，表明并联模块更容易发生热失控传播。
(5) 结论
并联模块中，热失控传播期间的电能转移主要集中于热失控电阻产生的焦耳热，这加剧了模块的温升与传播风险。
温升差异及电能转移特性表明，并联模块在热失控传播方面比串联模块具有更高的危险性。
Fig. 21. Plots showing the temperature rise due to electrical energy at different simulation step k for (a) the trigger cells and (b) for the normal cells.
4. 重要结论
1. 电压波机制与传播阶段
热失控传播期间的电压波可分为四个阶段（Period I–IV），并通过电压变化反映单个电池热失控的起止时间及电能转移机制。
2. 热失控传播时间的确定
电压波的波谷对应热失控传播时间的结束点，且传播时间随着阶段推进逐步延长。实验表明，热失控传播速度受初始加热条件与电池特性影响。
3. 电能转移与释放
并联模块中，未失控电池向失控电池转移电能，导致释放能量超过100%初始容量。转移电流主要集中在50–100 A，且电能转移增加了热失控传播的风险和强度。
4. 模拟结果验证
模拟显示热失控传播期间的电阻与电流变化幅度较小，正常电池SOC降至最低值仍高于88%，证明热失控传播难以停止。
5. 并联与串联模块对比
并联模块中电能转移导致温升高出10 °C，传播过程更加剧烈，显示其在热失控传播中的危险性显著高于串联模块。
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