DOI Link:
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.235897
Googlescholar:
https://scholar.google.com/citations?user=rfkUaGwAAAAJ&hl=en&oi=sra
ScienceDirect:
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=14022104300
UniversityWeb:
https://sklfs.ustc.edu.cn/2017/0207/c12664a167184/page.htm
3. 收录日期
1. 科学问题
探讨大容量电池热失控垂直传播机制，重点分析火焰引发的对流热与辐射热如何影响电池的热失控过程及其传播行为。
2. 实验与模型方法
2.2 电池储能系统（ESS）中的电池簇
1. 结构标准缺乏的影响
电池簇的结构多样性导致研究结果难以通用 (Fig. 1(a))。
2. 开放与封闭结构的火焰传播特性
在开放结构中，火焰传播速度更快。
在封闭结构中，爆炸风险更大。
3. 研究半封闭双层电池簇
为了研究最危险环境中的垂直热失控传播（TRP）特性和火焰传播机制，设计并简化了一个半封闭双层电池簇模型 (Fig. 1(b))。
该模型基于ESS中的实际场景，允许火焰自由延伸至上层模块。
2.3 实验组
1.实验布局
Fig. 2(a)：垂直热失控传播（TRP）实验的总体布局，电池簇放置在排气风扇下方的集装箱式燃烧室内。
2.电池簇布局
Fig. 2(b)：“实验组”的电池布置。M1和M2模块为实际电池（标记为蓝色），M3和M4为假模块（标记为黑色）。
3.模块间距与结构
各模块顶部与电池簇顶部间距5 cm，模块之间水平间距5 cm。电池簇由不锈钢制成，整体尺寸为0.5 m × 0.5 m × 0.52 m（Fig. 2(c)）。
4.热失控触发
在M1中，第一个电池（Bat1）通过1000 W加热板触发热失控。
5.安全措施与数据采集
排气风扇排出有毒气体。使用50 fps视频记录火焰传播，通过MATLAB图像处理分析。安装热流计（R1至R5）测量辐射热流，温度响应通过多个K型热电偶记录。
2.4 等效组
1. 实验改动
为了简化热传递量计算，实验中将双层电池簇的上层模块替换为等效电池，称为“等效组”（Fig. 2(c)）。
2. 与实验组的对比
与“实验组”相比，等效组的唯一不同之处在于M2模块被等效电池替代，其余实验布置与Fig. 2(b)一致。
Fig. 2. The vertical thermal runaway propagation experiment setup. (a) Overall schematic diagram. (b) Live group layout. (c) Equivalent group layout.
3. 研究结果
3.1 垂直热失控传播特征
1. 热失控传播的初始过程
开始热失控传播通过大表面上的热传导开始，最初沿水平方向进行传播。
当电池的 dT/dt 超过 1°C/s 时，定义为热失控触发温度（TTR）。
触发时间 tTR 记录为 TTR 达到的时刻。
相邻电池之间的 TTR 触发时间间隔定义为热失控传播间隔（DTR）。
2.下层电池的热失控传播
（1）在下层电池中，热失控按顺序从 Bat1、Bat2、Bat3 到 Bat4 传播（Fig. 3(a) 和 (b)）。
TTR 随着传播逐步升高，最终接近 150°C。
这一现象可能与热失控的预热效应有关。
（2）热失控过程中的预热效应导致相邻电池之间的 DTR 渐渐减小。
实验数据（Table 2 和 Table 3）表明 DTR 在不同实验组中有较好的一致性。
3.传播速度和安全阀通气
（1）下层电池的热失控传播速度逐渐增加（Fig. 3(e)）。
上层电池的传播速度在接触火焰后开始波动，最大可达到 0.6 mm/s。
（2）上层电池之间的传播速度波动较大，且安全阀的开启时间间隔（DV）出现明显波动。
安全阀的通气时间由多种因素决定，包括热传导差异、接触热阻差异等。
研究中发现，安全阀的开启时间存在显著的差异，且在开阀期间电池温度未出现明显下降。
4. 上层电池的传播特点
（1）在上层电池中，Bat8 被认为是垂直热失控传播的起始点（Fig. 3(a)）。
Bat8 的热失控发生后，触发下层电池的热失控，并通过不同的热传播机制扩展到更高的电池。
（2）上层电池的安全阀开启时间与热失控发生时间之间有较短的间隔，Bat8、Bat7 和 Bat6 的间隔小于 1 分钟。
（3）上层电池的温度在短时间内保持稳定，接近 100°C，直到 Bat2 热失控后，温度迅速升高并引发下一个电池的热失控。
这一现象表明上层电池吸收的热量不足以触发热失控，直到达到临界温度时才发生加速传播。
5. 热失控传播模式
下层电池的热失控传播模式与以往研究一致，表现为前向传播序列。
上层电池的热失控和安全阀开启顺序与下层不同，具有独特的垂直传播机制（ Fig. 3(c) 和 (d)）。
这一特殊的传播现象可能与热传导和热对流的垂直传递机制有关。
Fig. 3. Experimental phenomena and temperature results during thermal runaway propagation. (a) Temperature response of live group. (b) Temperature response of equivalent group. (c) Thermal runaway and safety venting sequence of live group. (d) Thermal runaway and flame spread sequence diagram. (e) Propagation interval and speed.
3.2. 临界点的确定 （Fig. 4）
1. 下层电池对上层电池热失控传播的影响
下层电池的火焰传播影响上层电池的热失控传播（TRP），上层电池表现出独特的安全阀（SV）和热失控（TR）序列。
上层电池（如Bat8）先发生热失控，而下层初始热失控电池上方的电池（如Bat5）最后发生热失控。
此现象主要归因于火焰传播过程中热传导的变化。
2. 温度响应分析
（1）Bat5与Bat8的温度变化
在 tv2 = 1047 s 之前，Bat5 的侧面温度略高于 Bat8。
在 tv2 = 1047 s 到 tv8 = 1562 s 之间，Bat8 的侧面温度明显高于 Bat5。
（2）火焰对温度的影响
部分喷射火焰在到达天花板后沿墙壁传播，另一部分沿天花板向 Bat8 的大表面传播，由于需要更多氧气，导致 Bat8 温度上升。
3. 火焰传播对上层电池的影响
（1）火焰源转移
当 Bat2 发生热失控时，火焰源逐步转移，导致 Bat8 温度显著上升。
（2）温差变化
火焰主要集中在加热 Bat8 的背面和侧面，导致 Bat8 和其他电池之间的温差加大。
（3）反向传播
随着热失控的推进，火焰沿电池架传播，Bat8 的传播序列出现反向传播。
4. 垂直热失控传播的临界点
（1）临界量的定义
在 Bat8 上层电池发生热失控之前，下层已有两个电池发生热失控（或通气），这两个电池的热失控（或通气）可视为垂直热失控传播的临界量。
（2）热传导一致性
热失控传播受到不一致性和热障碍的影响，但理论上，导致上层电池热失控的关键热传导过程应基本相同。
Fig. 4. The variations of critical point temperature, heat release and radiation flux during thermal runaway propagation. (a) The side temperature of Bat5 and Bat8. (b) Heat release rate and total heat release in the live and equivalent group. (c) Radiative heat flow in the live and equivalent group.
3.3. 临界热传导分析
1. 临界时间的确定
至少两个下层电池发生热失控后，才会导致上层电池 Bat8 首次发生热失控，时间为 tTR = 1886 s。
本节分析的临界热传导过程选择了这一最危险的 tTR 作为临界时间。
2. 等效组分析
（1）热源组成
Bat8 接收来自多个热源的热量：通过天花板的底部加热、火焰辐射、喷射火焰的强制对流热传导（Eq. (1)）。
（2）热量吸收计算
总吸收热量可通过 Eq. (2) 计算；底部加热通过天花板的热传导可通过 Eq. (3) 计算。
（3）自生成热量忽略
考虑到与强烈火焰的传热相比，电池的自生成热量较小，因此忽略了自生成热。
3. 活跃组分析
（1）热量接收
Bat8 接收的热量包括来自天花板的底部加热、火焰辐射、热失控自生成热、喷射火焰的强制对流热量及向环境散发的热量（Eq. (4)）。
（2）吸收热量计算
可通过 Eq. (5) 和 Eq. (6) 计算 Bat8 吸收的总热量。
（3）简化假设
为简化计算，假设两组中的热辐射和强制对流热量相等（Eq. (7)）。
Bat8 热失控前的自生成热量通过 Eq. (8) 计算，结果见表格。
4. 验证假设有效性
（1）热失控实验
为验证前述假设，通过使用绝热加速量热仪（ARC）在绝热环境中对电池进行了热失控实验。
ARC 测得的 QTR 表示电池在接近触发热失控时产生 366490.7 J 自生成热。
（2）外部能量影响
在热失控传播条件下，由于滥用场景中的加热不均匀，电池的热失控更受外部能量源的影响，而非内部热生成。
5. 火焰辐射分析
（1）热失控传播的主导能量
通过计算的热失控触发能量表明，火焰传递的能量主导了传播过程。
（2）火焰辐射计算
由于火焰的热传导难以解耦，本研究通过热辐射建模直接计算了火焰的辐射热量。
采用简化的单点源模型来计算电池热失控喷射火焰的辐射热流。
（3）辐射热流与HRR曲线对比
Fig. 4(c)：两个实验组的辐射热流曲线在 t = 1562 s 前保持一致，之后因上层电池的热失控，辐射热流达到 53 kW/m²。
6. 临界热传导与比例分析
（1）临界触发能量的计算
计算出上层电池 Bat8 的临界触发能量为 1193.6 kJ。
与23 Ah LFP 电池的多维火灾传播实验结果相比，热失控传播所需的热量约为燃烧热的 4.1%。
（2）能量比例分析 (Fig. 6)
火焰传递的热量约为底部天花板热传导的 2.7 倍，表明火焰热量是垂直热失控传播的主要机制。
（3）对流与辐射的贡献
研究表明，热失控传播过程中，对流热传递的贡献明显大于辐射热传递，这主要归因于上层电池被高温电池火焰包围，电池处于高温对流环境中。
（4）防护措施建议
低热导率和高厚度的底板材料应优先考虑，以降低底部热传导并增强结构强度。
通过添加隔离设施来延缓火焰的传播。
Fig. 5. The variation in radiation fraction before thermal runaway of Bat 8. (a) Live group. (b) Equivalent group.
Fig. 6. Heat transfer analysis during vertical thermal runaway propagation. (a) Critical heat transfer and proportion. (b) Relationship between thermal runaway triggering energy and capacity. (c) Total heat absorbed by the upper battery.
3.4. 火焰引发的垂直热失控传播机制
1. 火焰传播阶段：(Fig .7)
（1）无论在实测组还是等效组中，Bat1的热失控过程均可分为四个阶段：
阶段1：剧烈喷射火焰
阶段2：平稳喷射火焰
阶段3：剧烈喷射火焰
阶段4：平稳喷射火焰。
（2）Bat1在剧烈火焰阶段的大表面火焰分布较为显著。相比之下，Bat2的热失控传播主要由Bat1传播的热量驱动。Bat2的热失控火焰经历了两个阶段：
阶段1：弱火焰，持续时间分别为429秒（实测组）和418秒（等效组）。
阶段2：强烈喷射火焰，持续时间分别为195秒（实测组）和220秒（等效组）。
Fig. 7. Thermal runaway flame evolution. (a) Bat1 of the live group. (b) Bat1 of the equivalent group. (c) Bat2 of the live group. (d) Bat2 of the equivalent group.
3 火焰传播行为：
与小容量电池不同，在大容量电池中，剧烈喷射火焰沿电池架传播，随着点火源的移动加热上方的电池。
喷射火焰首先冲击天花板，然后沿天花板向右扩散，加热顶部和底部表面，并控制底部热传导。
火焰在向上电池传播的过程中，增加了上方模块热失控的风险。
4. 热传递机制：
在Bat1的热失控过程中，计算了上方电池（Bat5和Bat8）吸收的总热量。
火焰沿天花板向外传播，随后沿电池架横向传播。
上方电池在Bat8发生热失控时吸收的热量最高。
此时，火焰的强制对流和辐射热传递成为主要的热传递机制。
5. 火焰与天花板的相互作用：(Fig. 8)
火焰与天花板板面的相互作用在垂直传播中发挥了重要作用。
随着火焰传播，它将热量传递给上方的电池，从而导致电池群的热失控。
火焰引发的热量占电池火灾释放总热量的1.18%，其余的热量来自其他热传递机制。
6. 结论：
垂直热失控传播主要由火焰驱动，火焰辐射和强制对流热传递在此过程中占主导地位。随
着电池容量的增加，这一机制变得更加明显，突显了火焰控制的重要性，以及在大容量电池系统中采取有效安全措施的必要性。
4. 重要结论
1. 热失控传播机制：研究发现火焰引发的对流热是大容量电池热失控传播的主要传热方式，火焰在热失控过程中起到了决定性作用。
2. 电池热失控阶段：Bat1的热失控过程可分为四个阶段，分别是剧烈喷射和相对平稳的喷射火焰阶段。Bat2的热失控传播主要受到Bat1释放的热量影响，经历了弱火焰和强烈喷射火焰阶段。
3. 火焰传播行为：在大容量电池中，火焰沿电池架传播，加热上方电池并引发更高层次的热失控。火焰从Bat1传播到Bat2、Bat5、Bat8等电池时，影响逐渐加剧。
4. 热量传递分析：火焰传播通过对流和辐射热传递给上方电池，并在Bat8发生热失控时达到最大热量吸收，强调了火焰和电池表面之间的热传递作用。
5. 火焰与天花板的相互作用：火焰与天花板板面的相互作用在热失控的垂直传播中起到了关键作用，火焰的能量控制了垂直传播过程，促使电池系统的热失控逐渐扩展。
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