鋰離子電池組過充燃燒爆炸特性

以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能在智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用貫穿整個電力系統(tǒng)，對構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)發(fā)揮著重要作用。根據(jù)國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》(發(fā)改能源[2022]210 號)，“十四五”期間，我國將大力推進(jìn)電源側(cè)儲能發(fā)展，優(yōu)化布局電網(wǎng)側(cè)儲能，積極支撐用戶側(cè)儲能多元化發(fā)展，拓寬儲能應(yīng)用場景，加快新型儲能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用。鋰離子電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用也將隨之得到快速發(fā)展，更多的百兆瓦級鋰離子電池儲能電站將并網(wǎng)運(yùn)行。

然而，由于鋰離子電池受自身物理化學(xué)性質(zhì)制約，在熱濫用、電濫用和機(jī)械濫用等條件下可能發(fā)生熱失控，近年來國內(nèi)外鋰離子電池儲能系統(tǒng)安全事故頻發(fā)，引起社會廣泛關(guān)注，鋰離子電池本質(zhì)安全提升及火災(zāi)危險性分析

、儲能場所安全風(fēng)險評估、火災(zāi)防控技術(shù)、滅火系統(tǒng)研發(fā)

等均成為研究熱點(diǎn)。尤其是針對儲能場所，如何合理進(jìn)行消防設(shè)計和防爆設(shè)計，防止火災(zāi)擴(kuò)散蔓延，減少火災(zāi)損失和人員傷亡，顯得尤為重要。

案例教學(xué)中可能會發(fā)生各種意想不到的情況，比如學(xué)生的發(fā)言內(nèi)容與教師事先的設(shè)想不同，或者超出該項操作所涉及的內(nèi)容，這些都對教師提出了更高的要求。因此，案例教學(xué)不僅要求教師具有深厚的專業(yè)知識，還要具備豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和良好的課堂掌控能力。開展案例教學(xué)，需要教師投入大量的時間和精力，精心設(shè)計課堂討論環(huán)節(jié)，適時恰當(dāng)?shù)貙⑺x案例融入教學(xué)中。

本工作以鋰離子電池及其串聯(lián)組成的電池組作為研究對象，重點(diǎn)分析了在2 C倍率恒流過充且高截止電壓條件下單體電池、電池組的燃燒爆炸特性及火災(zāi)蔓延特征，相關(guān)研究結(jié)果可為鋰離子電池儲能場所火災(zāi)風(fēng)險評估、消防設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)電池和電池組分別選用星恒電源提供的標(biāo)稱容量為3.7 V、13.5 Ah的鋁殼方形錳酸鋰單體電池和標(biāo)稱容量為48 V、13.5 Ah 的錳酸鋰電池組。樣品電池的初始荷電狀態(tài)(SOC)為100%，有安全閥保護(hù)。實(shí)驗(yàn)電池組由13 個鋰離子單體電池串聯(lián)組成，電池外殼采用聚乙烯(PE)塑料和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚(ABS)塑料包覆，外殼塑料材料燃燒性能滿足GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》要求的B1 級，未安裝電池管理系統(tǒng)(BMS)。

采用回顧性調(diào)研的方法，收集患者相關(guān)信息（性別、年齡、體重、體格特征、實(shí)驗(yàn)室檢查指標(biāo)等）進(jìn)行統(tǒng)計和分析。信息內(nèi)容見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

1.2.1 鋰離子電池單體實(shí)驗(yàn)工況

鋰離子電池組燃燒爆炸行為主要可分為3個階段：第一階段為電池開始過充至2401 s 首個電池安全閥破裂之前，這一階段電池組外觀未見明顯變化，電池受到整包電池外殼及電池之間的約束，形變在一定程度上受限。此時多個電池在過充過程中發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)氣，但尚未達(dá)到安全閥破裂的閾值。第二階段為2401～2729 s，全部13 個電池安全閥依次破裂，過程中出現(xiàn)明顯射流火、局部爆炸并噴濺、燃燒等現(xiàn)象。首個電池安全閥破裂后4 s，靠近充電口位置的電池組塑料外殼被引燃，隨著外部火勢逐漸增大，23 s后第二個電池安全閥破裂，形成明顯的射流火，2456 s時第三個電池安全閥破裂并伴隨有局部爆炸，部分燃燒的物質(zhì)噴濺出來。之后持續(xù)聽到安全閥破裂的聲音，看到射流火、瞬時爆炸、猛烈燃燒等現(xiàn)象，直至所有電池安全閥全部破裂。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于，持續(xù)過充狀態(tài)下，電池組內(nèi)每一塊單體電池受到內(nèi)部劇烈化學(xué)反應(yīng)和外部火焰高溫加熱的雙重作用，產(chǎn)氣量不斷增大，同時電池之間相互擠壓受到電池組塑料外殼空間限制，進(jìn)一步推動了安全閥的破裂及電池內(nèi)部能量的釋放。第三階段為2729 s 至試驗(yàn)結(jié)束，最后一塊電池安全閥破裂后，電池組整體呈現(xiàn)穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，塑料外殼基本燒盡，電池內(nèi)部的可燃物及反應(yīng)產(chǎn)生的可燃物質(zhì)完全燃燒。實(shí)驗(yàn)后觀察可見，部分電池鋁殼已經(jīng)發(fā)生撕裂，出現(xiàn)正負(fù)極金屬材料裸露的情況，表明實(shí)驗(yàn)時反應(yīng)非常劇烈，形成了爆炸，其余部位的部分電池僅出現(xiàn)鼓脹形變，保留了完整的安全閥孔洞。

在室溫條件下，以27 A(2 C)電流對單體電池進(jìn)行恒流過充，最高電壓上限設(shè)置為10 倍額定電壓(37 V)。當(dāng)電池達(dá)到充電限制電壓時，改為恒壓充電，直到電池發(fā)生爆炸或燃燒。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場選擇在爆炸洞內(nèi)，將樣品電池采用水平放置的方式，放置在距地面50 cm的支架上，如圖1所示。電池兩側(cè)采用夾具固定，并采用一定厚度的隔熱棉隔離電池和支架以減少熱量損失。在爆炸洞外，用計算機(jī)程序遠(yuǎn)程控制IT6522A型充放電儀(南京艾德克斯公司)測試系統(tǒng)對樣品電池做過充測試，記錄其電流電壓隨時間的變化情況。在爆炸洞外觀察孔處布置一架APX RX 型高速攝影儀(日本Photron公司)，記錄樣品電池的爆炸過程。采用5支直徑為2 cm、量程范圍為0～1200 ℃的K型鎧裝熱電偶(T1～T5)測量電池表面、煙氣及火焰溫度，其中T1位于電池表面中心位置；T2、T3、T4與電池上表面的距離均為5 cm；T5 距離電池上表面15 cm。在距離電池安全閥約45 cm 處布置2 個211B6 型壓力傳感器(瑞士KISTLER 公司，P1～P2)，測定樣品電池?zé)崾Э睾螽a(chǎn)生的壓力波。

1.2.2 單個鋰離子電池組實(shí)驗(yàn)工況

在室溫條件下，以27 A(2 C)電流對鋰離子電池組進(jìn)行恒流過充，最高電壓上限設(shè)置為80 V。

溫度方面，第一階段隨著過充的持續(xù)，電池表面溫度緩慢升高，電池電壓降至0 V時對應(yīng)電池表面溫度為115 ℃，考慮熱傳遞損失，電池內(nèi)部反應(yīng)體系溫度相對更高，但此時電池表面升溫速率仍保持在12 ℃/min 左右，未發(fā)生明顯突變。第二階段電池爆炸瞬間，T1 位置溫度從142 ℃迅速升至223 ℃，可能是爆炸發(fā)生速度過快熱電偶未能及時感應(yīng)到最高溫度所致。由于實(shí)驗(yàn)時熱電偶布置為水平方向，整個過程中燃燒為垂直方向，因此各測點(diǎn)溫度均偏低，T3測點(diǎn)最高溫度為72 ℃，其余位置最高溫度均不高于50 ℃。

溫度方面，第一階段，實(shí)驗(yàn)開始至40 min 時電池組表面溫度緩慢上升，溫度從初始的16.3 ℃升至48.8 ℃，升溫速率僅為0.8 ℃/min，表明這一階段電池過充時內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)熱量不大，單體電池過充產(chǎn)生的熱量主要在電池組內(nèi)部的電池之間發(fā)生了熱傳遞。第二階段伴隨著電池組安全閥破裂后電池表面發(fā)生了燃燒和噴射火，電池組表面溫度也兩次快速上升，第一次在40～41.5 min 時溫度迅速從48.8 ℃上升至200 ℃，主要表現(xiàn)為電池組外殼材料被引燃初期，塑料在高溫下發(fā)生了熱解和熔化。第二次200 ℃左右溫度下持續(xù)至44 min 后再次迅速升高，并于45.9 min時達(dá)到最高溫度809 ℃，此時外殼材料和電池均猛烈燃燒，各測點(diǎn)溫度均達(dá)到最高值。峰值溫度的出現(xiàn)時間較電壓峰值的出現(xiàn)時間晚5.9 min，表明電壓的急劇變化可作為電池組熱失控和火災(zāi)預(yù)警的重要參數(shù)之一。第三階段隨著燃燒的逐漸減弱，電池溫度緩慢下降。

為了考察多個鋰離子電池組在一定間距下相互引燃的情況，采用3個鋰離子電池組在間距6.5 cm的條件下開展實(shí)驗(yàn)，布置如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)時將3個電池組放置于鐵支架上，其中1號不帶BMS的電池組水平放置，安全閥方向朝向2號電池組，2號、3號電池組側(cè)立放置，安全閥方向朝上。采用4支熱電偶測量電池表面溫度及煙氣、火焰溫度。實(shí)驗(yàn)仍在爆炸洞內(nèi)完成，在室溫條件下，以27 A(2 C)電流對1號鋰離子電池組進(jìn)行恒流過充，最高電壓上限設(shè)置為80 V。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單體電池過充實(shí)驗(yàn)

2.1.1 燃燒爆炸行為

2.2.1 燃燒爆炸行為

2.1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

單體電池試樣過充實(shí)驗(yàn)溫度、電壓變化曲線如圖5所示。

電壓方面，在第一階段時電壓從前期持續(xù)保持恒定，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至587 s 時出現(xiàn)電壓迅速升高，并在621 s 時出現(xiàn)第一個峰值16.5 V，之后電壓驟降至接近0 V。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象可知，電壓升高至極值時刻比電池爆炸發(fā)生早約123 s，表明隨著電池持續(xù)恒流過充，正負(fù)電極表面發(fā)生大量破損，已偏離常態(tài)電化學(xué)電位，正負(fù)電極無法維護(hù)有效的電荷收納，轉(zhuǎn)為大量分布在電極表面，表現(xiàn)出電容效應(yīng)，即電荷越多，電壓越高，因而電壓達(dá)到極值16.5 V；隨著正負(fù)極接觸短路，電壓驟降至0 V，此后電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)將更為劇烈，且持續(xù)時間達(dá)到123 s，因而電池內(nèi)部聚集能量較高，引發(fā)第二階段射流火和爆炸。第二階段電壓再次升高，表明電池爆炸后的殘余物成為了一個帶有電阻的導(dǎo)電性混合物，隨著燃燒的持續(xù)在較高電壓上持續(xù)24 s后，正負(fù)極再次接觸短路，電壓降至0 V。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場條件與鋰離子單體電池實(shí)驗(yàn)條件相同，實(shí)驗(yàn)布置如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)時采用8 支熱電偶(T1～T8)測量電池組表面殼體溫度以及火焰溫度。T1、T2、T3位于電池表面上，其中T2位于電池殼體中心處，向兩側(cè)偏移15 cm分別為T1和T3，T1靠近接線端。T4、T5、T6、T7、T8與電池的最短距 離 分 別 為10 cm、 10 cm、 10 cm、 20 cm、45 cm。設(shè)置3 個壓力傳感器(P1～P3)監(jiān)測電池組熱失控后的壓力波。P1、P2、P3與電池的最短距離分別為45 cm、45 cm、30 cm。

單體電池試樣過充實(shí)驗(yàn)過程中測得的壓力波曲線見圖6，實(shí)驗(yàn)中測到的距離爆心45 cm 處最大壓強(qiáng)達(dá)到556 kPa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測分析，電池爆炸裂口方向正對P1 傳感器壓力面，因而此處測到的壓力波最大，表明電池單體爆炸事故的破壞力與電池開口方向密切相關(guān)。壓力波數(shù)據(jù)分析可知，容量為13.5 Ah 的鋰離子電池爆炸可導(dǎo)致周邊人員發(fā)生一定程度的損傷

。

首先，我利用 Blackboard平臺小組工具將班級學(xué)生按一定策略分成若干小組，六人為一組，群體內(nèi)部的異質(zhì)性，群體之間的同質(zhì)性，讓每個群體成員集體討論，并給予群體積極和創(chuàng)新的名稱，這有利于團(tuán)結(jié)，形成團(tuán)隊目標(biāo)和團(tuán)隊精神。在平臺上分組的同時，教室里桌組也同步擺好，每一組設(shè)正副組長兩人。正組長：負(fù)責(zé)組織該小組成員開展合作學(xué)習(xí)，并負(fù)責(zé)小組內(nèi)成員紀(jì)律，小組內(nèi)部組織討論的總結(jié)。副組長：負(fù)責(zé)及時收發(fā)課內(nèi)外作業(yè)資料，并做好作業(yè)的檢查、督促和反饋工作。教師在Blackboard平臺上構(gòu)建團(tuán)隊頁面，這些頁面專為小組學(xué)習(xí)而設(shè)計。該組的成員可以使用工具進(jìn)行討論，如通信，文件交換以及組之間的郵件發(fā)送和接收。

2.2 單個電池組過充實(shí)驗(yàn)

鋰離子單體電池過充實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見圖4。實(shí)驗(yàn)過程可大致分為3個階段：第一階段為電池殼體鼓脹變形階段，從實(shí)驗(yàn)開始至743 s時可見電池殼體變形，電池試樣周邊散逸少量白色煙氣。這一階段，過充僅導(dǎo)致電池內(nèi)部材料發(fā)生各類反應(yīng)并產(chǎn)生一定的氣體，電池殼體內(nèi)部壓力增大導(dǎo)致電池出現(xiàn)外觀鼓脹變形。少量白色煙氣的產(chǎn)生主要是因?yàn)殡S著電池過充釋放出一定的熱量，導(dǎo)致電池外殼及不燃隔熱材料等產(chǎn)生熱分解

。第二階段射流火及爆炸階段，持續(xù)時間僅為1 s。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至744 s時安全閥打開，在1 s 時間內(nèi)電池釋放大量白色煙氣、急劇噴射火焰并瞬時發(fā)生爆炸，形成巨大火球。由于實(shí)驗(yàn)最高電壓上限設(shè)置為10倍額定電壓(37 V)，在較高的截止電壓過充下，電解質(zhì)、電極以及集流體的電阻顯著增大,電池動力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性顯著降低，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)

。隨著持續(xù)過充電池內(nèi)部反應(yīng)的加劇，產(chǎn)氣量不斷增大導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力也急劇增大，僅安全閥破裂泄壓難以實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部和外部的平衡，因而發(fā)生電池殼體撕裂出現(xiàn)爆炸。電池內(nèi)部熱失控反應(yīng)產(chǎn)生的可燃?xì)怏w和電解液與空氣混合后被引燃，形成初次射流火并伴隨著爆炸形成了強(qiáng)烈的火球。第三階段為穩(wěn)定燃燒階段，爆炸后能量得到泄放，支架上電池內(nèi)部殘余的電解液及可燃材料仍持續(xù)猛烈燃燒，火焰持續(xù)53 s后完全熄滅。實(shí)驗(yàn)后觀測圖片可見，電芯中銅箔和鋁箔表面的所有物質(zhì)均已過火，電池爆裂位置并未發(fā)生在安全閥附近，而是在位于電池殼體約1/3 處完全撕裂，進(jìn)一步表明爆炸瞬間安全閥的破裂不足以實(shí)現(xiàn)電池殼體內(nèi)外壓力平衡，在744 s 時電池內(nèi)部產(chǎn)氣壓力大大超過了安全閥設(shè)定的閾值。

鋰離子電池組過充實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖7所示。

用EC細(xì)網(wǎng)格0.125°×0.125°格點(diǎn)數(shù)據(jù)對同一時次同一高度的實(shí)況和預(yù)報形勢進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)(采用8日20時500 hPa高度場和850 hPa風(fēng)場,圖略),6日20時、7日08時、7日20時、8日08時起報的8日20時預(yù)報場,500 hPa高度場均與實(shí)況場差異不大,850 hPa風(fēng)場在各時段起報的預(yù)報場偏東急流中偏北分量較實(shí)況來的大,從而造成8日20時—9日08時的累積降水量預(yù)報比實(shí)況小。EC細(xì)網(wǎng)格對9日08時的風(fēng)場預(yù)報接近實(shí)況流場,因此對9日08—20時的雨量預(yù)報與實(shí)況接近。從形勢場的預(yù)報可以看出,此次EC細(xì)網(wǎng)格就1601號臺風(fēng)“尼伯特”對蒼南的暴雨影響預(yù)報具有分析意義。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

鋰離子電池組試樣過充溫度、電壓變化曲線如圖8所示。

一是明確監(jiān)管主體。有些簡單的規(guī)定和規(guī)范性文件在效力層次方面不高，不能規(guī)范商業(yè)預(yù)付卡市場，因此立法要明確規(guī)定預(yù)付卡的部門職責(zé)與監(jiān)管主體，以免出現(xiàn)監(jiān)管無序和缺位的情況[3]。如明確中國人民銀行和工商部門分別為主要監(jiān)管主體與輔助監(jiān)管主體，前者負(fù)責(zé)商業(yè)預(yù)付卡的違法處罰、審查發(fā)行等，后者負(fù)責(zé)企業(yè)信用檔案的建立、預(yù)付卡合同范本的出臺等。

本組實(shí)驗(yàn)中，每個電池組燃燒爆炸依次進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖10所示。1號電池組中電池安全閥破裂時間集中于39.1～46.3 min之間。40.6 min時電池組塑料外殼起火，之后出現(xiàn)多次射流火、爆炸，火勢逐漸增大，46.1 min 時1號電池組燃燒最為猛烈，形成一個較大的火球。此后1號電池火勢逐漸減小。由于1 號電池組安全閥正對2 號電池組，因此電池射流火及燃燒均能對2號電池組塑料外殼造成熱輻射和直接火焰沖擊，但由于塑料外殼燃燒性能為B1 級，屬于難燃材料，直至1 號電池組猛烈燃燒后，46.2 min 時2號電池組邊緣外殼塑料出現(xiàn)零星火焰，隨后火勢緩慢擴(kuò)大。在外殼燃燒持續(xù)高溫作用下，2號電池組電池安全閥在61.2～67.4 min依次發(fā)生破裂。這一階段出現(xiàn)多次射流火，但電池組整體燃燒劇烈程度較1號電池組低，這是因?yàn)槲唇?jīng)過充的電池組電量低于過充電池組，總體能量較低所致。由于2號電池組安全閥朝向向上，射流火對3號電池組影響較小，但隨著燃燒和熱輻射作用的持續(xù)影響，75.8 min 時3 號電池組殼體也被引燃，電池安全閥在75.8～81.2 min 依次發(fā)生破裂，隨后出現(xiàn)多次射流火。81.2 min以后，僅電池殘余物仍在燃燒，火勢逐漸減弱。

電壓方面，第一階段，由于該電池組試樣前期做了過放電的試驗(yàn)，電池組狀態(tài)不同于正常的電池組。此時，電池組內(nèi)的電池由于過放造成了內(nèi)部電化學(xué)體系的破壞，導(dǎo)致電池歐姆內(nèi)阻提高，使得電池組的歐姆電阻(1.23 Ω)大于常規(guī)電池組的歐姆電阻(毫歐級別)，所以，在恒流充電的瞬間，電池組電壓明顯上升，從10.7 V 到了44 V。在40 min 之前，電池組首先從過放電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闈M電態(tài)，此時電池組電壓表現(xiàn)平穩(wěn)，幅度相對較小，然后從滿電態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^充電狀態(tài)，此時電壓明顯上升，幅度逐漸變大。第二階段在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行40 min 以后，電池組電壓開始劇烈波動，最低電壓接近20 V，這表明電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生顯著變化，電池發(fā)生部分內(nèi)短路，釋放大量熱量，電池內(nèi)部壓力迅速提高，導(dǎo)致泄壓閥打開。而后電池完全內(nèi)短路，電壓為0 V，溫度進(jìn)一步升高，電池?zé)崾Э亍?/p>

強(qiáng)大的海量數(shù)據(jù)處理能力:人工智能技術(shù)可以進(jìn)行多模態(tài)影像數(shù)據(jù)融合，多維度、立體化進(jìn)行數(shù)據(jù)融合分析，為乳腺癌的診斷及治療提供全面的個體化的綜合信息。針對來自多個醫(yī)療中心的海量影像數(shù)據(jù)，至強(qiáng)服務(wù)器提供高達(dá)768GB的超大內(nèi)存，配合多核心多線程處理能力，對乳腺采集影像進(jìn)行像素級別的特征識別。

1.2.3 多個鋰離子電池組實(shí)驗(yàn)工況

鋰離子電池組爆炸壓力波曲線如圖9所示。實(shí)驗(yàn)過程中，電池組發(fā)生了多次電池射流火，形成了多次壓力峰值，距離爆心45 cm處最高測量壓強(qiáng)達(dá)到915 kPa。這一數(shù)值約為單只鋰離子電池壓力峰值的1.6 倍，且短期內(nèi)頻次較高，對周邊人員和構(gòu)件可能造成的損害更大。

數(shù)據(jù)分析軟件使用SPSS18.0，采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示計量資料，行t檢驗(yàn)，X2檢驗(yàn)計數(shù)資料率，P<0.05時具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2.3 多組鋰離子電池組實(shí)驗(yàn)

2.3.1 燃燒爆炸行為

如果你不知道從哪里能找到菌類植物，可以就近問詢當(dāng)?shù)卮迕?，他們通常會清楚山林中蘑菇的分布。人們也常說，蘑菇哪里都能長，因此在自家的院子里也能種，可以扔一些腐朽的樹木和樹枝在院子里。

實(shí)驗(yàn)后對電池組燃燒殘余物的觀測可知，電池組塑料外殼燃燒完全燒盡，1 號電池組損毀嚴(yán)重，電池組結(jié)構(gòu)完全破壞，電池被沖散，且多個電池殼體破裂，表明實(shí)驗(yàn)中多個電池發(fā)生爆炸。2號電池組和3號電池組中單體電池基本保持在初始位置且形變較小，安全閥全部破裂。

在故障診斷之前，先來了解一下該車前霧燈的控制邏輯。根據(jù)圖2所示的電路圖分析得知，前霧燈點(diǎn)亮的工作過程如下：在小燈或者大燈接通以后，再打開前霧燈開關(guān)，前霧燈開關(guān)接通以后，組合燈開關(guān)的2號和6號端子短路。因?yàn)?號端子通過多路控制器MICU的N1號端子內(nèi)部搭鐵，所以組合燈開關(guān)的前霧燈開關(guān)接通以后，通過2號端子給MICU的N10號端子提供一個接地的信號，MICU接到這個指令以后，通過E33號端子為前霧燈繼電器提供接地控制信號，前霧燈繼電器的電磁線圈產(chǎn)生磁場以后，繼電器觸點(diǎn)1、2號接通，電流從發(fā)動機(jī)蓋下熔絲盒內(nèi)的A13號(20A)流出，經(jīng)過繼電器后到達(dá)兩個前霧燈。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

多個鋰離子電池組燃燒爆炸實(shí)驗(yàn)溫度變化曲線見圖11。3個電池組依次發(fā)生燃燒，因而溫度曲線呈現(xiàn)出3次明顯的峰值。其中，1號電池組從41.6 min開始快速升高，在41.6 min時達(dá)到峰值982 ℃，此時燃燒最為猛烈。約53.4 min 時1 號電池組燃燒完全結(jié)束，隨后開始2號電池組的燃燒，并于62.4 min時達(dá)到溫度峰值1096 ℃，燃燒結(jié)束時間約為72.3 min。由于3號電池組上未設(shè)置溫度測點(diǎn)，因而3號電池組發(fā)生燃燒時主要從2號電池組上布置的溫度測點(diǎn)顯現(xiàn)，其最高溫度691 ℃出現(xiàn)在76.6 min，之后燃燒逐漸減弱，溫度緩慢降低。

3 結(jié) 論

針對鋰離子單體電池、不帶BMS 的鋰離子電池組，以2 C 電流進(jìn)行恒流過充，研究了單體電池、鋰離子電池組的燃燒爆炸及其火災(zāi)蔓延情況，得到以下結(jié)論：

（1）在以2 C大電流恒流過充，且設(shè)置較高截止電壓(鋰離子單體電池37 V，鋰離子電池組80 V)的實(shí)驗(yàn)條件下，鋰離子單體電池和電池組中的單體電池均可發(fā)生爆炸，其中，鋰離子單體電池瞬時同時出現(xiàn)安全閥破裂、射流火和爆炸。較大的過充倍率和較高的截止電壓可能造成電池火災(zāi)爆炸風(fēng)險增大，因此在火災(zāi)防控過程中，需采用可靠的控制手段，防止大電流和高電壓對電池自身造成的沖擊。

（2）以6.5 cm 間距布置鋰離子電池組后，過充其中一個鋰離子電池組引發(fā)的燃燒和爆炸可引燃周邊其他鋰離子電池組形成火災(zāi)蔓延。鋰離子電池組之間的火災(zāi)擴(kuò)散與安全閥的位置無關(guān)，即使不受射流火的直接影響，單個鋰離子電池組燃燒產(chǎn)生的輻射熱也可促使周邊鋰離子電池組發(fā)生燃燒。為了防止電池組之間火災(zāi)蔓延，需采取防火分隔或加大電池組間距等措施。

右邊不遠(yuǎn)處，是一個穿著黑西服套裝的男人，他嘴里叼著一根煙，一副不耐煩的表情，皺著眉頭，不時吐出一個煙圈。

（3）鋰離子電池單體距離爆心45 cm處最大爆炸壓強(qiáng)為556 kPa，鋰離子電池組出現(xiàn)多次射流火，形成了多次壓力峰值，距離爆心45 cm處最高爆炸壓強(qiáng)達(dá)到915 kPa，約為單塊電池壓力峰值的1.6 倍，且短期內(nèi)頻次較高，對周邊人員和構(gòu)件可能造成的損害更大。

（4）鋰離子電池和電池組過充實(shí)驗(yàn)中，燃燒發(fā)生前均可測到電壓發(fā)生較大幅度波動，可將電壓信號納入電池?zé)崾Э鼗蛉紵念A(yù)警信號，通過多信號融合預(yù)警并采取相應(yīng)的聯(lián)動措施盡可能防止火災(zāi)爆炸事故發(fā)生。

[1] 張?zhí)韸W,劉昊,陳永翀,等.大容量電池儲能的本質(zhì)安全探索[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2021,10(6):2293-2302.ZHANG T A, LIU H, CHEN Y C, et al. Intrinsic safety of energy storage in a high-capacity battery[J]. Energy Storage Science and Technology,2021,10(6):2293-2302.

[2] 黎可, 穆居易, 金翼, 等. 磷酸鐵鋰電池火災(zāi)危險性[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù),2021,10(3):1177-1186.LI K, MU J Y, JIN Y, et al. Fire risk of lithium iron phosphate battery[J]. Energy Storage Science and Technology, 2021, 10(3):1177-1186.

[3] 陸夢羽, 楊寶珠, 李爭, 等. 鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)防控技術(shù)[J].電力安全技術(shù),2022,24(2):15-18.LU M Y, YANG B Z, LI Z, et al. Fire prevention and control technology for a lithium ion battery energy storage system[J].Electric Safety Technology,2022,24(2):15-18.

[4] 闞強(qiáng), 陳滿, 任常興. 鋰離子電池?zé)崾Э貧怏w燃爆特征實(shí)驗(yàn)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2021,40(7):959-962.KAN Q, CHEN M, REN C X. Study on the characteristics of gas deflagration caused by the thermal runaway of lithium-ion battery[J].Fire Science and Technology,2021,40(7):959-962.

[5] FENG X N, LU L G, OUYANG M G, et al.A 3 D thermal runaway propagation model for a large format lithium ion battery module[J].Energy,2016,115:194-208.

[6] REN D S, FENG X N, LU L G, et al. An electrochemical-thermal coupled overcharge-to-thermal-runaway model for lithium ion battery[J].Journal of Power Sources,2017,364:328-340.

[7] 卓萍, 高飛, 路世昌, 等. 梯次利用磷酸鐵鋰方形電池過充火災(zāi)危險性研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2021,40(6):783-786.ZHUO P, GAO F, LU S C, et al. Preliminary study on fire risk of echelon use lithium iron phosphate square cell under overcharge[J].Fire Science and Technology,2021,40(6):783-786.

[8] 王庭華, 翟宏舉, 秦鵬, 等. 模組箱體空間內(nèi)磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э丶捌鋫鞑バ袨檠芯縖J].火災(zāi)科學(xué),2022,31(1):25-34.WANG T H,ZHAI H J,QIN P,et al.Study on the thermal runaway and its propagation behaviors of lithium iron phosphate battery in module box space[J].Fire Safety Science,2022,31(1):25-34.

[9] LIU Y J, DUAN Q L, XU J J, et al. Experimental study on a novel safety strategy of lithium-ion battery integrating fire suppression and rapid cooling[J].Journal of Energy Storage,2020,28:101185.

[10]蔡晶菁. 鋰離子電池儲能電站火災(zāi)防控技術(shù)研究綜述[J]. 消防科學(xué)與技術(shù),2022,41(4):472-477.CAI J J. Review on the fire prevention and control technology for lithium-ion battery energy storage power station[J]. Fire Science and Technology,2022,41(4):472-477.

[11]牛志遠(yuǎn), 金陽, 孫磊, 等. 預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站燃爆事故模擬及安全防護(hù)仿真研究[J].高電壓技術(shù),2022,48(5):1924-1933.NIU Z Y, JIN Y, SUN L, et al. Safety protection simulation research and fire explosion accident simulation of prefabricated compartment lithium iron phosphate energy storage power station[J]. High Voltage Engineering,2022,48(5):1924-1933.

[12]卓萍, 郭鵬宇, 路世昌, 等. 預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站防火設(shè)計[J].消防科學(xué)與技術(shù),2021,40(3):426-428.ZHUO P, GUO P Y, LU S C, et al. Fire design of prefabricated cabin type lithium iron phosphate battery power station[J]. Fire Science and Technology,2021,40(3):426-428.

[13]ZHANG J Y, YANG X Q, ZHANG G Q, et al. Investigation on the root cause of the decreased performances in the overcharged lithium iron phosphate battery[J]. International Journal of Energy Research,2018,42(7):2448-2455.

[14]CHEN S C, WANG Z R, WANG J H, et al. Lower explosion limit of the vented gases from Li-ion batteries thermal runaway in high temperature condition[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2020,63:doi:10.1016/j.jlp.2019.103992.

[15]FERNANDES Y, BRY A, DE PERSIS S. Identification and quantification of gases emitted during abuse tests by overcharge of a commercial Li-ion battery[J]. Journal of Power Sources,2018,389:106-119.GONG Y Z, XIE S, LI G S. Infulence of overcharge cut-off voltage on thermal safety of NCM523 battery[J/OL]. Battery Bimonthly. [2022-04-28]. http://kns. cnki. net/kcms/detail/43.1129.TM.20220409.2009.002.html.

[16]鞏譯澤,謝松,黎桂樹.過充截止電壓對NCM523 電池?zé)岚踩挠绊慬J/OL]. 電池.[2022-04-28].http://kns.cnki.net/kcms/detail/43.1129.TM.20220409.2009.002.html.GONG Y Z, XIE S,LI G S. Infulence of overcharge cut-off voltage on thermal safety of NCM523 battery[J/OL]. Battery Bimonthly. [2022-04-28].http://kns.cnki.net/kcms/detail/43.1129.TM.20220409.2009.002.html.

[17]MEI W X, ZHANG L, SUN J H, et al. Experimental and numerical methods to investigate the overcharge caused lithium plating for lithium ion battery[J].Energy Storage Materials,2020,32:91-104.

[18]單明新,王松岑,朱艷麗,等.鋰離子電池過充爆炸強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2015,15(5):116-118.SHAN M X, WANG S C, ZHU Y L, et al. Study on the burst intensity of lithium-ion batteries due to overcharge[J]. Journal of Safety and Environment,2015,15(5):116-118.