10 kWh磷酸铁锂电池模组热失控特性
谢瑞云1，孔鑫2，王宇3，季经纬3
(1. 斯美特(深圳)安全技术顾问有限公司，广东 深圳 518000；2.深圳湾区城市建设发展有限公司，广东 深圳 518000；3.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116)
摘要：磷酸铁锂电池被广泛应用于电化学储能及新能源汽车领域，然而，由于锂电池内部化学物质的可燃性，在滥用条件下有可能导致火灾事故的发生。针对磷酸铁锂电池，开展了电芯及电池模组级别的火灾实验，结果表明：电芯热失控产生喷射火，峰值温度超过 1 300 ℃，辐射热流达 30.9 kW/m²，可点燃常见可燃物；电池模组内热失控以热传导为主，相邻电芯组传播间隔约900 s，导致整体火灾持续超过 1 h，并呈现间歇性喷射、熄灭与复燃循环。上述长时程、级联式燃烧机理揭示了磷酸铁锂电池火灾反复延续的根本原因，对电池模组的隔热设计、分仓防护以及消防持续冷却策略具有重要参考价值。
关键词：磷酸铁锂电池；电池模组；热失控；热蔓延；火灾实验随着我国双碳目标的提出，推动传统能源转型被提上日程，电动化在各行各业如火如荼地展开。锂电池作为一种能量密度高、循环寿命长、充放电快的高效清洁能源载体，被广泛应用于各种电力存储场景中。其中，磷酸铁锂电池以其优异的热稳定性以及成本方面的优势，迅速占据了储能及电动汽车领域的主要份额[1-2]。
然而，磷酸铁锂电池在使用过程中存在着不可忽视的安全隐患，电池的隔膜、电解液、电极极材料中含有大量可燃性物质[3-4]，在高温作用下会热解生成可燃性气体，从而引发火势蔓延[5-7]。
在储能及动力电池领域，锂电池火灾事故时有发生，对人民的生命财产安全造成了极大威胁，也使能源转型的进程蒙上了舆论的阴影[8-9]。目前，已有不少学者针对磷酸铁锂电池火灾展开了研究，Mao等对300 Ah大功率磷酸铁锂电池开展了外加热燃烧实验，结果发现，磷酸铁锂电池的燃烧现象以稳定燃烧及短暂的喷射火焰为主，燃烧的剧烈程度小于三元锂电池，但燃烧持续时间更长[10]。Feng等通过针刺的方式诱发锂电池模组热失控，结果发现，在电芯之间的热失控传播过程中，电池壳体之间的热传导占据主要作用，电芯起火对热失控蔓延的影响不大[11]。Liu等对243 Ah磷酸铁锂电芯开展了电加热燃烧实验，实验结果表明，如果没有遇到外界火源，电芯可能不会出现燃烧现象。且电池热失控行为受荷电状态的影响较大，0% SOC(state of charge)的电芯不会产生喷射火，而随着电池荷电量的增加，喷射火的持续时间及火焰高度均会增加[12]。Yuan等使用加速量热仪对磷酸铁锂电池、三元锂电池以及钛酸锂电池分别开展了热失控测试。实验结果表明，磷酸铁锂电池的热失控触发温度最高，生成可燃气体的压力最大、温度最高[13]。Huang等通过开展燃烧实验，对比了过充和过热导致的锂电池热失控传播行为。并得出结论：过充导致的热失控行为比过热更危险，这是由于过充会导致锂电池热失控后产生更多的可燃气体与热量。而过热引起的热失控传播速度则比过充更快[14]。黄沛丰对50 Ah锂单体电池的火灾危险性进行了研究，结果表明在高荷电状态下，电池燃烧出现多次射流火行为，随荷电状态的增加，电池的热释放速率增加[15]。
国内外学者针对磷酸铁锂电池热失控的研究主要集中在单体电芯的燃烧行为、燃烧产热及燃烧反应机理上，缺乏对电池火灾蔓延特性及大规模电池模组火灾行为的研究[16]。
因此，本文通过实体火灾实验的方式，对磷酸铁锂电池的火灾蔓延特性及10 kWh电池模组的燃烧行为进行探究，为锂电池火灾扑救及被动防护措施的设计提供参考。
1 磷酸铁锂电芯热失控实验
作为组成电池模组的最基本单元，电芯的热失控特性决定了电池模组火灾的发展过程，因此，应首先开展单体电芯的热失控特性探究实验。
1.1实验方法
搭建如图1所示的实验平台，对电芯的热失控发展过程、喷射火特性以及火灾蔓延危险性进行探究。
电芯标称电压3.2 V，标称容量 100 Ah，尺寸268 mm×130 mm×36 mm，安全阀直径10 mm。实验前将电芯电量充至100%SOC。电加热板内置热阻丝，外壳由石英板和不锈钢构成，功率900 W，尺寸280 mm×150 mm×5 mm。利用电加热板对电芯的下底面进行加热，从而诱发电芯热失控。在电芯的上、下表面分别布置了3支热电偶，监测电芯表面温度变化。在电芯安全阀出口方向上架设了2 m长的金属杆，以20 cm的间隔在金属杆上固定了热电偶，测量喷射火出现后，距离电池安全阀0~180 cm范围内的温度变化，在距离电池安全阀60 cm、140 cm处布置了辐射热流计，测量喷射火造成的辐射热通量变化。
图1磷酸铁锂电芯热失控实验平台示意图
1.2结果分析
如图 2所示，磷酸铁锂电芯的热失控过程可以分为以下几个阶段：
(1) 加热阶段。开始加热后0～701 s，在电加热板的作用下，电芯下表面温度迅速上升，内部物质受热后分解生成气体，导致电芯肿胀变形。
(2) 热失控阶段。开始加热后701 s，电芯内部可燃气体压力达到上限，气体冲破安全阀向外喷出，喷射距离超过2 m。708 s时，可燃气体被点燃，形成射流火焰。火焰长度在60～70 cm之间变化。
喷射火形成后，其状态并不稳定，开始加热后723 s时，由于电芯内部可燃气体生成量大，射流气体速度过快，当安全阀出口处气体流动速度大于火焰锋面的可燃物传播速度时，火焰根部将不会驻定在气体出口处，而是向可燃气体的流动方向移动，悬停在距离安全阀一定距离的地方，即发生了离焰现象。随后，射流气体的速度继续增大，火焰根部继续远离气体出口处，762 s时，火焰完全熄灭，即发生了脱火现象[17]。
(3) 衰减阶段。喷射火由于脱火而熄灭后，可燃气体继续呈高速射流状态喷射，随着电芯内部热解反应的逐渐结束，可燃气体的喷射量也逐渐减小，882 s时，由于气体喷射速度较低，可燃气体开始向上方蔓延。1266 s时，电芯内部热解反应结束，不再释放可燃气体。
图2单体电芯热失控过程
如图3所示为电芯热失控实验过程中的温度及电压测量值。电加热板电源接通后，电芯下表面温度(Tbot－1、Tbot－2)迅速上升，达到200℃时，温升速率突然变大，这主要是由电芯内部物质的热解反应产热造成的，在大约250 s时，电芯下表面温度超过400℃。由于电芯受热后膨胀变形严重，其表面热电偶松动脱落，导致Tbot－1、Tbot－2和Ttop所测温度在热失控发生前出现下降。704 s左右，电芯发生热失控，距离电芯安全阀20、40和60 cm处的温度急剧上升，温度曲线伴随着火焰形状的改变呈震荡变化，最高温度分别达到了1342、1306和318℃，距离安全阀80～180 cm处的温度探点由于未直接接触火焰，温度几乎没有变化，距离安全阀0 cm处的温度测点在高速射流气体的作用下出现偏移，温度几乎没有变化。762 s后，随着喷射火的熄灭，各测点温度逐渐下降。
电芯电压在加热过程中出现了小幅度波动，这是由于电芯内部化学物质在高温作用下发生了热解，并出现了局部短路的现象，导致电压出现波动[18-20]。热失控发生后，电芯内部发生大范围短路，电压在一瞬间降为0 V。
图3电芯热失控实验温度、电压变化曲线图
图4所示为距电芯安全阀60和140 cm处的辐射热通量变化曲线图。在喷射火出现后，60 cm处辐射热通量急剧上升，并伴随着火焰形态的改变呈震荡变化，最大值(ϕmax)达到30.9 kW/m2，喷射火作用期间，60 cm处平均辐射热通量(ϕavg)达到15.3 kW/m2。140 cm处辐射热通量上升趋势不明显，最大值约为1 kW/m2。
图4电芯热失控实验辐射热通量变化曲线图
作为对比，身着防护服的消防员所能忍耐的最大值辐射热流值为7 kW/m2，常见聚合物被点燃的临界值为10 kW/m2，木材长时间暴露在12.6kW/m2大小的辐射热流中会被点燃，薄钢在暴露在25 kW/m2的辐射热流中会失去结构完整性[21]。显然，锂电池喷射火末端所产生的辐射热通量大于常见可燃物的引燃阈值，引燃周围其他可燃物的可能性较大。
综上所述，磷酸铁锂电芯火灾具有温度高、辐射热强、火焰蔓延距离大等特点，容易造成火势蔓延。
2 磷酸铁锂电池模组热失控实验
锂电池模组内部包含多个单体电芯，经过串、并联接后，固定在金属箱体中。当局部电芯因故障发生热失控后，可能导致热失控在模组内部蔓延，并引燃整个电池模组。通过实验探究锂电池模组由于局部故障导致的火灾发展特性及蔓延机制。
2.1实验方法
在电池模组热失控实验中，多块电芯热失控叠加作用下形成的喷射火特性，以及电池模组内部电芯的热失控传播规律是关注的重点。搭建了如图5所示的实验场地，在电池模组安全阀正面及侧面1 m处分别布置辐射热流计，监测喷射火对环境热流场的影响。在电池模组远端分别布置摄像机及红外热成像仪，监测电池模组热失控发展过程。由于电池模组火灾规模较大，选取空旷平坦、周围无可燃物的室外空间作为电池模组实验场地。
图5电池模组热失控实验场地布置示意图
图6所示为10 kWh电池模组的内部结构示意图。电池模组内部包含32个单体电芯，以2排16列的方式排列，单个电芯规格与前述实验所使用的电芯相同。电池模组标称电压为51.2 V，标称容量200 Ah。在每排电芯的一侧各放置1块900 W电加热板，通过诱发局部电芯的热失控，引燃整个电池模组。在电池模组内部不同区域共布置10支热电偶(T1～T10)，监测热失控在多个电芯之间的传播过程。在电池模组的侧面分别开设了线孔及安全阀，电加热板及热电偶探头的导线经过集束后从线孔穿出，利用玻璃纤维及高温锡箔胶带对线路进行包裹，确保线路在高温状态下不会被损坏。
图6 10 kWh电池模组内部结构示意图
2.2 实验结果分析
如图7所示，利用红外热成像仪记录了电池模组的热失控过程。与单体电芯的热失控过程类似，电池模组的热失控发展过程同样可分为以下几个阶段：
(1) 加热阶段。开始加热前，电池包表面温度与室温基本一致，维持在30℃以下。接通电加热板电源后，局部电芯开始受热，电池模组外壳在热传导的作用下出现温升。少量的可燃气体开始从安全阀溢出，说明模组内部已经有电芯单体发生了热失控，但可燃气体释放量较少，未形成射流气体。
(2) 热失控阶段。开始加热后907 s，可燃气体释放量突然增大，在安全阀口处呈射流状喷出，被点燃后形成喷射火，火焰长度约为85～95 cm。喷射火持续约130 s后，可燃气体释放量逐渐减少，喷射火转变为小范围的稳定燃烧火焰。
开始加热后1345 s，安全阀口处基本不再有可燃气体溢出，此时电池包箱体表面温度约为200℃。
开始加热后1775 s，安全阀口处再次喷射出可燃气体，并瞬间被点燃形成喷射火，大约30 s后，由于射流气体的喷射速度过快，导致火焰面向气流的下游方向移动，飘在安全阀出口前方一段距离燃烧，即发生了离焰现象。大约50 s后，火焰前沿继续向气流的下游方向移动，直至火焰全部熄灭，即发生了脱火现象。此时射流气体的流速极高，使用打火器虽能将其引燃，但一旦使打火器与可燃气体脱离接触，火焰便会迅速熄灭。
此后，电池包的热失控发展过程基本与上述现象保持一致，在“射流气体-喷射火-离焰-脱火”之间往复循环，期间共产生稳定的喷射火约6～8次。
图7 10 kWh电池模组热失控过程
图8所示为电池包电压及内部温度变化曲线图，其中，热电偶T6在实验过程中损坏。从图中能够发现，电池包内部整体温度较高，部分点位最高温度超过了1300℃，说明模组内部存在明火，这主要是由于电芯内部化学物质在高温下分解产生氧气，且外界氧气会沿破裂的安全阀进入箱体，为模组内部空间提供了燃烧条件。
图8电池模组内部温度变化曲线图
结合单体电芯热失控实验的结果，当电芯表面温度达到400℃以上且短时间内未回落时，认定该电芯发生热失控。则T1～T10区域电芯发生热失控的时间如表1所示。因此，电池包内部电芯热失控传播顺序为“T1→T10→T2→T9→T3、T8→T4→T5、T7”，如图9所示，热失控主要通过热传导，以连续传播的方式，蔓延至整个电池包。
表1电池模组内部不同区域电芯发生热失控时间 s
图9电池模组内部电芯热失控顺序
实验过程中的辐射热通量测量结果如图10所示，由于辐射热流计始终未直接接触到火焰，因此测量值较电芯热失控实验有所降低，辐射热通量曲线的峰值数量与喷射火出现的次数相同。安全阀正面1 m处最大辐射热通量值为17.6 kW/m2，此时喷射火长度达到最大值95 cm。安全阀侧面1 m处热流计由于距离火焰较远，最大测量值未超过1 kW/m2。
电池模组与单体电芯产生的喷射火在最大温度、辐射热通量、火焰长度上区别不大。电池模组热失控本质上表现为多个单体电芯逐次发生热失控。但电池模组热失控持续时间大幅度延长，间歇性的燃烧现象也容易给救援人员造成火焰已经熄灭的假象。
图10电池模组热失控实验辐射热通量变化曲线图
3 结论
通过开展磷酸铁锂电芯、10 kWh电池模组热失控实验，探究了大规模磷酸铁锂电池模组火灾特性，并得出了以下结论：
(1) 磷酸铁锂电芯热失控后会产生喷射火，火焰最高温度超过1300℃，与火焰直接接触的辐射热流值达到了30.9 kW/m2，能够引燃大部分常见可燃物，火灾蔓延的危险性较大。设计中需考虑模组与周边的防火隔离。
(2) 磷酸铁锂电芯的热失控现象并不稳定，受可燃气体流速的影响，可能会出现离焰、脱火、复燃等现象。
(3) 磷酸铁锂电池模组热失控的本质是多个单体电芯逐次发生热失控，燃烧现象在“射流气体-喷射火-离焰-脱火”之间不断循环，火焰呈间歇性喷射，不断熄灭、复燃，直至所有电芯热解结束。这是锂电池火灾事故中火势不断反复的主要原因，因此应对实施长达60～90min的冷却与惰化措施，且应重点抑制初发区与次邻区温升，避免二次传播。
(4) 电池模组内部的热失控蔓延过程以热传导为主，从局部受热处向其他方向呈连续性蔓延，最终蔓延至整个电池模组。横向相邻热电偶所属位置的电芯组平均约900 s才继续失控，导致火灾可持续≥1 h。建议通过子模组化、隔热阻断与定向泄压设计，延长传播间隔或阻止级联。
(5) 实验表明，电池火灾的长时程与级联性是事故反复的重要原因。针对性设计和消防策略应以延缓级联传播、降低外部辐射危害、提升处置时效为目标。
参考文献:
[1] 权朝明，孟祥飞，李世斌，等. 锂离子电池储能系统安全防控技术研究进展[J]. 电源技术，2025，49(1)：26-35.
[2] 陈文博，颜健，孟凌杰，等. 电动汽车动力锂电池火灾危险性的研究进展[J]. 电源技术，2021， 45(2)：270-273.
[3] 王宇. 锂电池热失控引起的电动公交车燃烧特性实验与数值模拟研究[D]. 徐州：中国矿业大学， 2024.
[4] 王怀铷，孙宜听，金阳. 磷酸铁锂储能电池簇过充热失控蔓延特性仿真研究[J]. 机械工程学报，2021，57(14)：32-39.
[5] ZHANG Y, MEI W X, QIN P, et al. Numerical modeling on thermal runaway triggered by local overheating for lithium iron phosphate battery[J]. Applied Thermal Engineering, 2021, 192: 116928.
[6] 宋来丰，田佳敏，刘勇，等. 磷酸铁锂电池热失控传播特性的影响因素研究[J].消防科学与技术， 2024，43(5)：641-650.
[7] 程志翔，曹伟，户波，等. 储能用大容量磷酸铁锂电池热失控行为及燃爆传播特性[J]. 储能科学与技术，2023，12(3)：923-933.
[8] 张良，张得胜，张斌，等. 电动汽车整车燃烧试验平台[J]. 消防科学与技术，2019，38(11)：1567-1569.
[9] 张良，张得胜，陈克，等. 动力电池热失控引发电动汽车火灾的典型特征研究[J]. 中国安全生产科学技术，2020，16(7)：94-99.
[10] MAO B, LIU C, YANG K, et al. Thermal runaway and fire behaviors of a 300 Ah lithium ion battery with LiFePO4 as cathode [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2021, 139: 110717.
[11] FENG X N, SUN J, OUYANG M G, et al. Characterization of penetration induced thermal runaway propagation process within a large format lithium ion battery module [J]. Journal of Power Sources, 2015, 275: 261-273.
[12]LIU P J, LI Y Q, MAO B B, et al. Experimental study on thermal runaway and fire behaviors of large format lithium iron phosphate battery [J]. Applied Thermal Engineering, 2021, 192: 116949.
[13] YUAN L, DUBANIEWICZ T, ZLOCHOWER I, et al. Experimental study on thermal runaway and vented gases of lithium-ion cells [J]. PROCESS SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION, 2020, 144: 186-92.
[14] HUANG Z, LIU J, ZHAI H, et al. Experimental investigation on the characteristics of thermal runaway and its propagation of large-format lithium ion batteries under overcharging and overheating conditions [J]. Energy, 2021, 233: 121103.
[15] 黄沛丰. 锂离子电池火灾危险性及热失控临界条件研究[D]. 合肥：中国科学技术大学，2018.
[16] 汪红辉，李嘉鑫，储德韧，等. 磷酸铁锂电池存储失效机理及热安全性研究[J]. 储能科学与技术，2025，14(5)：1797-1805.
[17] 高翔，岑可法，姚强，等. 燃烧理论与污染控制[M]. 北京：机械工业出版社，2004：143-144
[18] JIANG L, LUO Z, WU T, et al. Overcharge behavior and early warning analysis of LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/C lithium-ion battery with high capacity[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2019, 166(6): A1055.
[19] 王仕雄，王启文. 不同荷电状态高比能锂离子电池热失控特性的研究[J]. 长春工程学院学报(自然科学版)，2023，24(3)：57-61.
[20] 毛思远，肖修昆，梁天水，等. 锂离子电池热失控特性及电池火抑制过程[J]. 科学技术与工程，2021，21(15)：6519-6525.
[21] 胡悦. 汽车发动机舱典型油品火灾行为及火焰热辐射模型研究[D]. 合肥：中国科学技术大学，2021.
