储能锂离子电池预制舱热失控烟气流动研究

随着社会的不断发展，能源危机逐渐显现

。面对环境污染和能源危机的双重压力，世界各国开始广泛地发展新能源，对电能储存的要求也越来越高

。锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长、自放电低等优点，被广泛应用于电化学储能系统中

。然而，当锂离子电池发生机械、电气或热滥用时，会发生热失控，电池在热失控过程中产生的气体具有很高的燃爆特性，极易造成严重的危害

。在储能系统中，锂离子电池通过串并联组成模组

，当一只电池发生热失控时，热量传播到邻近电池，会引发模组的热蔓延甚至整个储能系统的事故。因此，迫切需要对储能系统中锂离子电池热失控的烟气危害和特性进行深入研究。

元蔓高速公路（玉溪段）勘察主要难点分析及勘察对策……………………………………………… 郝莉莉，章卫卫（8-64）

在锂离子电池的热失控特性方面，Feng 等

总结了锂离子电池的热失控反应过程，并分别分析了锂离子电池在高温、过充电和机械滥用条件下的热失控机理。Chen 等

总结了锂离子电池在热失控时的产热特性，并分别分析了锂离子电池在加热、过充和针刺工况下的爆炸机理。Said等

比较了钴酸锂、三元锂和磷酸铁锂电池在加热条件下的产气特性，对气体类型和气体量进行了定量分析，发现电池的SOC 越高，热失控产气的毒性和危险性也越高。Macdonald等

研究了磷酸铁锂电池在短路导致的热失控过程中内部化学反应的热动力学过程。Golubkov等

对磷酸铁锂电池的热失控喷发现象进行研究，发现磷酸铁锂电池产生的气体的主要成分是CO

、H

、CO、C

H

、CH

等，具有较强的可燃性。Baird 等

回顾了锂离子电池产生的可燃气体，并讨论了电池爆炸特性的分析和建模方法。Qin 等

通过仿真比较了两种不同结构的磷酸铁锂电池模组的热失控行为，发现高浓度的氢气和乙烯可能是引发模组着火和爆炸的主要原因。Zhang等

对锂离子电池热失控后产生的有毒气体进行了研究，发现主要有毒气体是CO 和HF，并且这些气体的毒性会在喷水灭火后增加。Meng等

对磷酸铁锂电池的热失控和火灾特性进行了分析，提出了一种灭火药剂与间歇性喷雾冷却相结合的灭火方案。Zou 等

研究了单体电池在热失控过程中的喷射行为，并提出了预测喷射速度的方法。Jin 等

进行了加热触发磷酸铁锂储能预制舱热蔓延的实验，对其热蔓延的温度特性进行分析，并使用Flacs 软件开展了储能预制舱的爆炸风险仿真研究。目前大多数研究只关注单体电池或小型电池模组，对储能预制舱的研究较少。储能预制舱内电池数量、体积巨大，热失控产生的可燃气流动问题复杂，且难以开展实验。

本工作针对某款储能锂离子电池预制舱热失控烟气流动特性开展研究。模型分析流程如图1 所示，首先针对方壳磷酸铁锂电池开展了热失控喷发测试，获取电池热失控喷发物成分、喷发量、喷发速率和喷发速率参数，为模型仿真提供了数据边界。然后，建立兆瓦时级别的储能预制舱喷发产气模型，基于模型对预制舱内不同情境下的热失控烟气流动特性开展仿真分析。结果表明，当预制舱中模组内电池发生热失控的电池数目小于3只时，模组的位置越高则预制舱内可燃烟气的浓度越大，而当热失控电池数目大于3 只时，随着电池数的增多，模组位置越低则预制舱内可燃烟气浓度越大，且电池室中的可燃烟气会扩散至控制室。对于同一个高度的模组，不同的位置形成的可燃气体积基本一致。在预制舱两侧均匀设置足够大的泄压板，可有效地将舱内可燃气体排出，若泄压板位置不当或泄压面积不足，则舱内可燃气体不能及时排出。

1 电池热失控实验

1.1 热失控产气测试

实验测试采用某款方壳磷酸铁锂电池，该电池的标称容量为23 Ah，尺寸为145 mm×68 mm×22 mm，喷阀口位于电池正上方。使用定容压力容器

对该磷酸铁锂电池开展热失控气体喷发量和成分分析，该压力容器如图2所示，该设备主要包含试验腔体、密封门、内部电路、换气管路和温度、压力传感器等部件，具有极好的密封性，可承受最大3 MPa的内部压力，能够以加热的方式触发电池的热失控，对电池的热失控温度及喷发参数进行实时检测，并将电池热失控产生的烟气保存在腔体中。

试验前，对电池进行称重，记录其初始质量后，以1/3 C的倍率将待测电池充电至100%SOC。在电池大面的中心位置布置热电偶(Omega GG-K-30)。选取与电池大面面积相同的加热板，其厚度为3 mm，加热功率为500 W。为了降低热失控电池向环境的散热，紧贴加热器和电池大面放置两块厚度为8 mm 的云母板，并用不锈钢夹具对电池、加热器和云母板进行夹持，其夹紧力矩为1 N·m，如图3所示。

电池热失控产气的测试环境采用氩气惰性气体氛围，首先对定容压力罐中的气体进行置换。具体操作如下：关闭定容压力容器，使用抽气泵抽出其中空气直至压力为20 kPa，使用气瓶向容器内输入氩气，直至容器内压力为101 kPa，重复以上换气过程3次并静置一段时间，完成对容器内气体的置换。

西西和很多女人不一样，她三十七八岁，微微发胖，却又不是令人厌恶的潘美丽的那种肥，而是那种睡上去像棉花一样柔软的胖，特别是弯下腰在口袋里取盐或白糖时，那圆溜溜的屁股直直地对着甲洛洛，让他那闲置多年的小兄弟苏醒过来，抖擞起来。但甲洛洛心里很清楚，这女人不简单，虽然是个寡妇，也上了年纪，可像个修女一样远离着男人，哪怕一个带点小色情的玩笑，她都会撕下脸面，怒目相向。而她的这种坚守，让很多男人们更加想入非非。

使用直流电源为加热器供电，电压为220 V，电池热失控后立即关闭加热器。使用数据采集器(HIOKI LR8400)对电池表面的温度、压力容器腔体内的环境温度和腔体内的压力进行实时检测。容器内环境温度降至80 ℃以下时，使用集气袋收集热失控气体。最后，利用气相色谱仪(岛津GC-2014)对热失控的气体成分进行检测。

1.2 测试结果

4 只电池热失控的电池室内可燃烟气体积和当量可燃烟气体积的仿真结果如图13所示。M2、M5和M8 模组仿真中的4 只电池发生热失控后，可燃烟气体积的曲线几乎一致，M5 模组中电池热失控后可燃烟气体积较M8 模组更大，这是因为M5 模组位置更低，在电池热失控的烟气能在更大的范围内扩散。对于M2模组，在热失控电池数上升至4只时，其结果曲线较之前有较大变化，说明对于不同位置的电池模组，在预制舱的可燃烟气体积问题上存在一个热失控电池数目的边界。

容器内压力急剧上升有两段，第一段是电池初喷引起的压力急剧上升，喷射物质主要以电解液为主；第二段为电池热失控主喷导致的压力上升，主要气体组分为可燃混合气体。腔体内最高温度为137.1 ℃，最大压力为9.93 kPa，随后逐渐趋于稳定，约为5.87 kPa，热失控过程中，压力响应的时间稍早于温度响应。根据理想气体方程

=

计算得到该款电池的热失控产气量为4.78 mol，电池热失控产气成分的归一化结果见图5。热失控产气中H

的占比最大，为71.39%，其次为CO

，为13.46%，这与文献[24]中的磷酸铁锂电池产气成分较为接近。

需要指出的是，根据Abadie（2005）的研究，用于估计倾向得分的协变量既应影响地区的入境旅游水平，同时也应影响地区过境免签政策的实施，以降低样本自选择效应对实证结果的影响。为此，本文将上述控制变量作为倾向得分匹配法的协变量进行匹配。

2 仿 真

本工作使用Flacs 软件建立了储能锂离子电池预制舱几何模型，如图6 所示。基于参考文献[19]中的储能预制舱实物对仿真预制舱进行设计，该预制舱分为控制室与电池室两部分，储能电池单体容量为69 Ah，系统总能量为兆瓦时级别。预制舱内每个模组中包含32只电池，以4并联8串联的方式进行排列，将2个模组组成一个电池簇并叠放在电池室中，共有10×12×2=240 个电池模组。预制舱内的空气域体积为23.04 m

。

朋友们的善意我都心领了。而实际上，我也只能心领。但老婆却不这么认为。她认为我是在端架子，故意不给她闺中密友面子，让她难堪。甚至还为了这点儿芝麻绿豆大点儿的小事儿向我发脾气。大概十月末，我们终于坐到了一起，当包东坡问起我身体的情况时，她竟然语带挖苦地说我是小病大养。气得我差一点儿就当场喷血。就为了她这句极不负责任的话，我也有理由拿出勇气，捍卫我的自尊。更何况我当时的症状才刚刚有所好转，滴流才停，还一直口服着头孢。

试验所得单个23 Ah的磷酸铁锂电池热失控喷发气体量为56.4 g，基于等比例转化，仿真所用的储能预制舱电池热失控气体喷发量为169.2 g。由于热失控瞬间喷发速度极快，假设喷发时间10 s，计算得到气体喷发速度为0.01692 kg/s。在Flacs软件中设置单个电池喷口面积为0.035 m

，喷口位置为每个模组的中心处，喷出气体温度为200 ℃

。

1.3.2 B组31例患儿给予多次胰岛素皮下注射,患儿三餐前皮下注射短效胰岛素,根据患儿血糖检测情况适当调整胰岛素注射用量,患儿睡前给予中效诺和灵注射。

图7 为预制舱内部控制室和电池室的示意图，图中标红模组M1～M9为待分析的热失控模组。仿真的对象选取为预制舱内部空气域的可燃烟气体积和当量可燃烟气体积，其中可燃烟气体积是指空气域中实际的可以被点燃的气体体积，当量可燃烟气体积是指非均匀的实际可燃烟气体积可通过均匀小体积的当量可燃气体积进行近似，两者的爆炸威力相同。

3 结果与讨论

3.1 不同位置电池发生热失控

3.1.1 单个电池在不同位置发生热失控

分别在模组M2、M5 和M8 中，设置模组中单只电池发生热失控，其余电池不失控。电池室内可燃烟气体积和当量可燃烟气体积的仿真结果如图8所示。

各组仿真中的电池发生热失控后，可燃烟气体积和当量可燃烟气体积都迅速上升并达到峰值，并在维持一定数值后迅速下降，体现出较为相似的曲线。M2 和M5 模组的仿真中，电池发生热失控后，可燃烟气体积都迅速上升至峰值0.5 m

，并在17 s后迅速开始下降；而M8 模组的仿真中，电池热失控后，可燃烟气体积在15 s内迅速上升至1.5 m

以上，在45 s时降低至0.5 m

左右，并在之后的500 s内缓慢降低至0.3 m

左右。

对比3组仿真，当顶层模组的单只电池发生热失控后，预制舱内顶部会有一定量的可燃烟气，且其体积随时间逐渐变小；而当中层和底层的单只电池发生热失控后，预制舱内的可燃烟气体积迅速降低至0。

根据混合气体平均摩尔质量计算方程

=∑

cM

计算得到该款电池的热失控产气的平均摩尔质量为11.801 g/mol，则该款电池热失控产气质量为56.4 g。

图9 为3 组仿真中不同泄漏位置的可燃烟气浓度云图，在各组仿真中的电池热失控后，可燃烟气就迅速从模组中排出并扩散至电池室中，并在10 s内完全释放。由于可燃烟气的平均密度小于空气，在模组M2 和M5 的仿真中，烟气自释放后向上扩散，并迅速扩散至整个电池室。而M8 模组的电池失控后，烟气仅在电池室顶层扩散，因此可燃烟气的浓度一直维持在较高值。

3.1.2 2只电池在不同位置发生热失控

分别在模组M2、M5和M8中，设置模组中2只电池依次发生热失控，期间无时间间隔，其余电池不失控，电池室内可燃烟气体积和当量可燃烟气体积的仿真结果如图10所示。

与1只电池热失控的仿真相比，M5和M8模组仿真中的2只电池发生热失控后，可燃烟气体积和当量可燃烟气体积的曲线体现出较为相似的特性，而M2模组仿真的曲线较之前无太大变化。M8模组的仿真中，2只电池发生热失控后，可燃烟气体积在20 s中上升至峰值4 m

，而且在500 s内无明显的下降趋势；而M5 模组的仿真中，可燃烟气体积上升至4 m

左右后，在之后的80 s 保持稳定，之后的400 s中以较慢的速度降低至1 m

左右。

图11 为不同泄漏位置的可燃烟气浓度云图，与1 只电池热失控的泄漏云图对比，可以看出M8和M5模组的仿真中，云图已体现出很高的相似性，仅可燃烟气的浓度和扩散高度略有差别。从云图的浓度可以看出，可燃气体在空间中出现了明显的浓度分层现象，越高的位置浓度越大。

对比3 组仿真，当顶层模组的2 只电池发生热失控后，舱内顶部的可燃烟气体积和当量可燃烟气的体积在较长时间内都处于较高状态；热失控电池在中层位置时，舱内顶部形成的可燃烟气会逐渐向顶层扩散，可燃烟气体积和当量可燃烟气体积逐渐下降；当底层的2只电池发生热失控后，预制舱内的可燃烟气体积仍会迅速降低。

分别在模组M2、M5 和M8 中，设置模组中多只电池依次发生热失控，其余电池不失控。其中3只电池热失控的电池室内可燃烟气体积和当量可燃烟气体积的仿真结果如图12 所示。M5 和M8 模组仿真中的2只电池发生热失控后，可燃烟气体积的曲线几乎一致，由于热失控电池数目的增加，这两组仿真中，可燃烟气体积和当量可燃烟气体积都明显上升。而对于M2 的仿真，虽然数值都有所上升，但其曲线仍与单只电池热失控的仿真类似。

3.1.3 多个电池在不同位置发生热失控

定容压力罐中的环境温度、压力数据特征曲线如图4 所示。在置换气体之后，对容器进行一段时间的静置，此时容器内的压力逐渐下降并最终保持稳定，之后开启加热器，电池表面的温度开始上升。

图14和图15分别为不同位置模组中3只和4只电池热失控后电池室内的可燃烟气浓度云图，随着热失控电池数目的增加，顶层和中层模组发生热失控的仿真中可燃烟气的云图变化不大，随着电池数目的增多，可燃烟气呈现出从顶层向底层缓慢扩散的趋势；对于底层模组，可以看出可燃烟气云图区别明显，主要是随着热失控电池数的增加，可燃烟气从底层向顶层扩散的总量增加，最后扩散至整个电池室。

对比3组仿真，随着模组中热失控电池数目的增加，不管模组在什么位置发生热失控，电池室顶部都会形成稳定的可燃气云，且发生热失控的模组位置越低，则电池室内可燃烟气的扩散体积越大。

3.2 不同位置模组发生热失控

在模组M1～M9中，分别设置指定模组中的所有电池依次发生热失控。预制舱内可燃烟气体积和当量可燃烟气体积的仿真结果如图16所示。

在同一高度，不同位置的单个模组发生热失控后的500 s 内，电池室内可燃烟气体积和当量可燃烟气体积区别很小，说明同一高度中热失控模组的位置对电池室内的烟气危害严重性几乎没有影响；而在同一位置的不同高度，电池室内可燃烟气体积和当量可燃烟气体积区别则很大。当一个模组内的电池全部热失控后，巨量的烟气被释放在电池室中并迅速扩散，当模组位置较高时，这些烟气将在电池室顶部扩散，可燃烟气的体积在上升至10 m

后逐渐下降至6 m

左右，当量可燃烟气体积体现出了相似的变化趋势；对于位置较低的模组，释放的烟气可以扩散至更广的区域，因此电池室内可燃烟气体积及当量可燃烟气体积都更大。值得注意的是，在最低位置模组的仿真中，可燃烟气的体积已经大于电池室中的空气体积，说明在这些仿真的工况下，烟气已从电池室扩散至控制室。

本文试用齐律对甘肃金昌白家嘴子矿区进行了找矿前景预测，预测结果在理论上符合数学模型及推演法则。本文旨在起到抛砖引玉的作用，希望和更多的地质同仁们一起对用数学模拟进行找矿预测的方法进行交流探讨。

1)当异步电动机失电后，由于其转速无法瞬间到0，电动机将在一段时间内呈现异步发电机状态，向故障点注入电流，影响线路故障点熄弧。

图17 为不同泄漏位置的可燃气体浓度云图，可以看到，可燃烟气在空间中有明显的浓度分层，发生热失控的模组位置较高时，可燃烟气几乎全部聚集在电池室的顶部，顶层的浓度很大；当失控模组位置较低时，烟气在更大范围内扩散。由于控制室和电池室之间有门缝等可供烟气扩散的通道，烟气会通过这些通道扩散至控制室，由于失控电池数目过多，控制室中也会存在大量可燃烟气，带来更大的安全隐患。

以上仿真说明，当电池室中有模组的所有电池都发生热失控时，热失控模组位置越靠近舱底，则形成的可燃气云体积、当量可燃气云体积越大，而如果模组的位置过低，烟气泄漏至相邻房间，则会带来更大的爆炸风险。

3.3 泄压板对热失控排气的影响

由以上仿真结论可知，当最低位置的模组M2中的所有电池发生热失控时，预制舱内可燃烟气体积最大，发生爆炸的风险最高。针对模组M2发生热失控的工况，为了在电池热失控后将可燃烟气迅速排放到预制舱外，设置了不同数目及面积的泄压板，并进行了泄压板对排气影响的仿真。如图18 所示，图中红色区域即为设置的泄压板。各构型的泄压板都位于预制舱两侧的舱壁上，与舱外环境相通。各构型泄压板的具体设计参数见表1。

爬上东坡梁子，天已经大亮。我说：“大梁，你转去吧。槐生醒来冇见我，会以为整夜夕都冇见我的，那他会怕。”

对于不同的泄压板，预制舱内可燃烟气及当量可燃烟气体积的变化趋势如图19 所示，可燃烟气的扩散云图如图20所示。对于构型(a)，与图16中无泄压板的仿真结果对比，可以发现由于总泄压面积较小，预制舱内的可燃烟气体积无明显变化，可燃烟气仍然扩散至控制室内，排气效果不明显；对于构型(b)，在模组开始发生热失控的500 s后，预制舱内的烟气体积开始下降，并在之后的200 s 中降低至10 m

以下，但在700 s 后预制舱内可燃烟气浓度逐渐稳定，只有在所有电池热失控结束后，排气效果才会显现，但是不能避免可燃烟气扩散到其他区域；对于构型(c)，在模组内电池热失控过程中，没有明显的排气效果，而在所有电池都热失控后，预制舱内的烟气体积开始迅速下降，并在150 s之后迅速下降至0，说明泄压板能将烟气完全释放出去；对于构型(d)，模组发生热失控后的280 s，预制舱内可燃烟气的体积逐渐增大至15 m

左右，此时模组内的热失控仍在进行，但可燃烟气浓度已开始下降，并在80 s内迅速降至0，该构型的泄压板排气效果最为明显。

4 结 论

本工作通过Flacs 软件建立了储能锂离子电池预制舱热失控扩散模型，通过仿真得出了多种特定条件下预制舱内锂离子电池模组热失控烟气流动的行为。基于仿真结果发现：

（1）当预制舱中电池室内不同位置的单个模组中不同数目电池发生热失控，热失控电池数目小于3 只时，模组的位置越高则预制舱内可燃烟气的浓度越大，而当热失控电池数目大于3只时，随着电池数的增多，模组位置越低则预制舱内可燃烟气浓度越大。

[25] Department of the Navy, A Cooperative Strategy for the 21st Century Sea Power, https://www.hsdl.org/?view&did=479900, October 2007.

（2）当预制舱中电池室内不同位置的单个模组中所有电池发生热失控时，对于同一个高度的模组，不同的位置形成的可燃烟气体积基本一致。同时，热失控发生在底层模组时，可燃烟气将扩散到相邻房间，造成更大的危害。

闽台方言合唱音乐的和声进行，常融入二度音、七度叠字音程等。在整体音响上比较协和，而平行四度也是闽南音乐的典型的特点，平行四度在传统和声里是不提倡的，而闽南音乐却常见平行四度这一特征。在闽南语合唱歌曲中, 为了在合唱中使和声保持一致，有时会应用大量相同节奏和声织体，如《情》《阮的希望拢在我心》就是比较典型的歌曲，分别采用了四部声、二部声合唱，合唱中的和声非常的整齐。曲式方面，常以中国传统音乐的多段式为主。近现代作品中也常见回旋曲式、三段五段曲式等。如《台湾好风光》即为典型的回旋曲式，四句式乐段结构,使得句式结构显得非常突出，具有鲜明的声乐艺术特征。

（3）在预制舱的电池室两侧均匀设置泄压板，有助于将舱内的可燃气体排出。泄压板的总面积越大，可燃烟气的排出效果越好，若泄压板位置不当或泄压面积不足，则舱内可燃气体不能及时排出。

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