三元锂离子电池的放电热特性与燃烧特性

通过某18650型NCM锂离子电池在恒温箱温度为4()°C、25°C时的().5C、

IC、2c放电倍率实验与0℃、-25c时0.5C倍率的放电实验，得到不同温度

与放电倍率下电池的电压与温度曲线，并验证电化学-热耦合模型的可靠性，在

25℃时模型精确度最高，电压误差为0.07V,温度误差为0.8℃,-25℃时精确度

最低，电压误差为0.6V,温度误差为1.5℃o借助模型进行25℃时电池的电

极产热分析，并模拟25°C温度条件下2c放电时的温度场分布，放电结束时电

池正负极极耳处温度最高，具体数值为34.8℃,与气流正对的电池表面的温度

最低，数值为34°C,在气流后侧距电池中心5()mm处的模型边界处受电池产热

与气流的影响温度上升4

锂离子电池在使用过程中起火爆炸的事件时有发生，这使得人们更加关注锂

离子电池工作过程中的热特性。现在的电池生产制造技术还做不到在电池内部置

入温度传感器而不影响电池的性能，而且内置温度传感器将使电池生产成本极大

增加。但是计算机的发展为我们提供了另一种研究电池工作过程的工具，将电池

内部的电化学过程采用数学建模的方式在计算机上呈现，通过不断修正来提高模

型的精确度，去获得我们需要的电池的参数变化。Ng等通过实验及建模来提取

电化学-热耦合模型所需参数，开发了快速得到电池电压和温度的方法。Mei等

建立三种不同尺度的电化学-热耦合模型仿真软包锂离子电池在25℃时不同放

电倍率下的生热速率及电化学性能，比较二种模型的可靠性及快捷性。Chiew等

使用COMSOLMultiphysics建立26650圆柱磷酸铁锂电池的伪三维电化学-热耦

合模型，研究在20°C、25°C、30c和不同放电倍率下电池的热特性。黄伟借

助软件COMSOLMulliphysics5.3建立软包锂离子电池的电化学■热耦合模型，对

不同倍率放电的电池进行温度仿真实验，并分析电化学产热、极化热、欧姆热等

产热方式的占比。刘良等对车用三元锂离子电池进行恒温恒倍率测试，并建立电

化学-热耦合模型进行温度分布模拟。戴海燕等基于单体18650电池的电化学-热

耦合模型研究电池组排布方式对电池热特性的影响，仿真结果表明交叉排列数热

温度特性优于对齐排列。仿真与实验同时进行即能保证模型的准确性，又可以分

析实验中难以测量的参数，对电池的生产设计具有一定的指导意义。到目前为止，

18650型三元NCM(银钻钵)锂离子电池在不同恒温箱温度以及不同放电倍率下

的热特性研究尚待完善，故对某种NCM锂离子电池进行试验，并建立电化学-

热耦合模型来分析电池的热特性。

1实验设计

使用试验设备有限公司的BTT-150C恒温箱、科技有限公司的MCT8-50-05

充放电仪探究电池的放电特性，试验仪器如图1所示，将电池置于恒温箱内并与

充放电仪连接，并使用绝缘胶带将一个温度传感器固定在电池表面的中心。电池

规格参数如表1所示，结合规格参数设计如表2所示的实验步骤，实验中采用该

电池的标准充电方式，先0.5C恒流充电全4.2V冉恒压充电全电流小于等十

0.052A,不同环境温度及放电倍率如表3所示。

•J

(a)恒温箱(b)充放电仪

图1电池试验设备

表1试验18650型NCM电池规格参数

项目数值

标称容量2600mA-h

最大充电电压4.20V

标称电压3.60V@0.2C

工作电压范围2.75〜4.2V

充电温度0-45r

放电温度-25〜60r

内阻W65mC

表2充放电试验步骤

步骤程序截止条件

1静置(25*C)/?60min

2放电(25r)电压W2.75V

3静置(25P)/>60min

4恒流0.5C充电(25t)电压N4.2V

5恒压4.2V充电(25℃)电流(0.052A

6静置(试验所需温度)/>60min

7放电(试验所需温度、电流)电压W2.75V

8静置(25P)住60min

循环步骤4〜8•••

最后一步恒流充电容量?1.04A・h

表3不同放电条件

温度放电倍率/C

400.5/1/2

250.5/1/2

00.5

-250.5

2电化学-热耦合模型

2.1电化学模型

电池的电化学模型以Newman模型为基础，由负极集流体、负极涂层、隔

膜、正极集流体、正极涂层构成，将正负极视为由相同颗粒组成的带有间隙的多

孔电极，颗粒半径越小，电池充放电循环性能越好，而电解液则充满颗粒间空隙,

如图2所示。负极为石墨，正极为三元材料NCM,电解液为LiPF6,各部分材

料参数见表4。当电池处于充电状态时，Li+从正极固体颗粒表面脱出，在电解

液中穿过隔膜，在负极颗粒表而嵌入，形成嵌锂石墨；当电池处于放电状态时，

锂离子从负极脱出回到正极，锂离子嵌入和脱出的数目越多，电池容量越大。由

于浓度差的存在，Li+在正负极颗粒内部进行固相扩散，在电解液中进行液相的

扩散和迁移。

负载

㈠⑴

铝

铜

箔

箔

集

集

流

流

体

体

图2电化学模型示意图

表4材料参数

参数物理

参数单位Cu箔负极隔膜正极Al箔

意义

L厚度m8x1O-67Oxi(y620x10670x1O-610x10$

r粒子半径m2.5x1041.7X10-6

P密度kg/ml89331347100823282600

Cp比热容J/(kg-K)385143719781269875

k导热系数W/(m-K)39R1040,441.582诵

锂离子在电极内的嵌入与脱嵌即电极动力学，可用Buller-Volmer方程描述。

_aF//

aacFt]・

/,oc=/oICXP（RTLCXPL奴）式中，儿为交换电流密度；&、"c分别为阳极与阴

极的传递系数；〃为颗粒表面的过电势。假设在电池的充放电过程中只有活性物

质锂离子参与化学反应，不出现其他副反应。锂离子在电解液中只存在扩散和迁

移，而迁移的离子个数可忽略不计，故认为锂离子在电解液中的传递方式仅有扩

散，采用Fick第二定律描述其过程。=.’•方程左边的部分表示锂

离子浓度随时间的变化率；久为液相体积分数；G为液相锂离子浓度；/为时间。

r）eff

:W：：表示扩散对液相锂离子浓度的影响，为液相锂离子有效扩散系数。

“（12A表示固液交界面处化学反应对液相锂离子浓度的影响；4为电极颗粒单

位体积的表面积；,t+为锂离子液相转移数；/ee为固液交界面处锂离子流量密度。

正极、负极、隔膜的液相扩散方程的不同之处在于参数值与边界条件，边界条件

是用来表达实际电池中各部的物理化学意义，各部分表达的意义不同，从而导致

ac,1d

边界条件不同。锂离子在固相中的扩散方程见式⑶加=/方（2广而）方程左侧表

示锂离子浓度随时间的变化，为固相锂离子浓度；,为时间。

方程右侧表示固相扩散对固体颗粒内部锂离子浓度的影响，为固相锂离

子扩散系数；r为固体颗粒的半径。正、负极固相扩散方程的边界条件和扩散

系数不同。模型遵循电荷守恒以及质量守恒方程（3）

v.15叫+竿a+兼）卬+。⑹等+V•（-柏%）="-（乜詈此在电荷守

恒方程中，6为电解液电导率，°】为电解液电势；/为液相活化系数；F为法拉

第常数；为电解液盐浓度；"+为锂离子迁移数；乙。1为电化学电流源；0为

电解质电流源。在质量守恒方程中，G表示电解液体积分数；为电解液扩数系

数；尺为锂离子源项总质量。电池产生的热量包括可逆热（充放电过程中燧变引

起）与不可逆热（欧姆热、极化热），而可逆热与极化热均为电化学反应热，可逆热

是电池内部发生电化学反应时引起的热量变化，极化热是由于电池内部在伴随电

化学反应产生的极化内阻引起的能量损失，欧姆热为电流流经导电介质时产生的

热量。

一V。，+•V。）得儿

Qm=i}Q—

OTOT卬=+0HQJH表示欧姆热，第一项为固相中的电热生成，.表

示固相电流；心为固相电势；第二项为电解质产生的离子热，.表示液相电流；

“为液相电势。。〃为电化学反应热，包括不可逆的极化热以及烯变引起可逆热，

，儿3为过电势总和，表示电化学反应中不可逆的激活损失，£叫,”为蜡,"为

与温度相关的端变。0TOT,〃为电池产生的总热量，为电极颗粒比表面积。

2.2传热模型

为模拟恒温箱中不同温度下电池的工作状态及温度变化，建立如图3(a)所示

的依靠空气对流散热的固体传热圆柱形电池模型，为模拟恒温箱内的环境，恒温

箱在维持恒定温度时有均值约().1m/s的空气流动，故设置模型空气流速为().1

m/s,并构建自由四面体网格如图3(b)所示，模型各部分尺寸如表5所示。

乂口

(a)几何模型(b)网格模型

图3固体传热与空气对流散热模型

表5几何模型参数

电池电池主电池心轴流场尺寸

流场方向

型号体/mm帽/mm/mm/mm

18650加8*力65°6%3©65100*100*68沿y轴逆向流入

3模型验证与试验结果分析

3.1模型验证

锂离子电池内部正负极产生的可逆热、不可逆热以及电池的温度场分布难以

通过实验测量，因此通过对比仿真与实验时电池的电压、温度特性曲线来验证模

型的准确性，图4(a)〜图4(d)为试验所得电压曲线与仿真结果的对比，图4(e)〜

图4(h)为温度曲线的仿真与实验对比图，从图中可知，模型在仿真恒温箱温度为

40°C、25°C时，仿真曲线与实验曲线重合度较高，说明模型准确度高；恒温箱

温度为0℃时・，模型准确性稍微降低，电压最大误差为0.1V,最大温度误差为

0.7°C；恒温箱温度为-25C时，仿真曲线最大电压误差为0.6V,最大温度误差

为1.5℃,但模型仍具有一定的参考意义。表6为不同环境温度与放电倍率下电

池表面中心点的最大温升，以及在整个放电过程中仿真与实验曲线的最大误差，

模拟与试验最大温升接近，放电过程中最大误差较小。综上所述，模型仿真电池

放电时的电压曲线与产热导致的温度曲线时都具有较高精确度，能够验证模型的

准确性。

—40V

・40C-

5C

3.6

200040006000010002000300040005000

时间出

(a)

36

一般懿

JO

28

。5£

26

200040006000200040006000200040006000010002000300040005000

时间A时间恒时间恒

M(0

图4

电压曲线验证与温度曲线验证

表6

温升对比与最大误差

试验环境温度/(

40250-25

放电倍率/C0.5120.5120.50.5

试验温升/℃1.328.71.739.02.83.2

仿真温升/℃1.32.38.52.22.99.53.52.7

最大误差/℃0.50310.50.40.50.7I..5

3.2实验结果分析

由图4中实验所得曲线可知，相同温度下放电电压随放电倍率的增大而减

小，主要原因是电流增大导致电池内阻所占的电压变大；相同倍率放电时，放电

电压随温度的降低而降低是因为低温对电池材料的性能影响较大，导电能力降

低，离子传输速率降低，导致电阻变大，放电电压降低。在恒温箱温度为0°C、

25°C、40℃时，电压的变化一致为逐渐降低，并且初始放电电压在4.0V附近,

但在-25℃时电池初始放电电压仅为3.08V,在放电260s后电压逐渐升高至3.21

V,从图4可以看到3.21V时温度处于第一个极大值点-22.3C附近，分析得知

-25℃的低温环境中电池内阻远大于0℃、25℃与40℃时的内阻，在电池开

始放电后，放出的热量使电池材料的性能略有改善，故电压小幅度上升至3.21V,

之后随放电的进行电压又逐渐降低2.75V。在相同的恒温箱温度下，温升随放电

倍率的增大而增大,2C放电时的温升约为0.5C温升的6倍,恒温箱温度为25℃

时，0.5C放电时温升为1.7℃,1C时为3℃,2c时为9℃；相同倍率下，

温升随恒温箱温度的降低而增大，0℃时电池温升约为25°C时的2.1倍，-25℃

时电池温升约为25℃时的2.5倍。

4模型仿真

4.1电极产热分析

可逆热为化学反应嫡变引起的热量变化，不可逆热包括欧姆热与极化热，为

了分析正负极的产热规律，在模型中正负极对应的位置设置探针，提取各种产热

数据。通过仿真模型计算得出恒温箱温度为25c时不同倍率放电的可逆热与不

可逆热功率曲线，如图5所示，其中图5(a)〜5(c)为可逆产热曲线，图5(d)〜5(f)

为不可逆产热曲线。由图5(a)〜5(c)的可逆产热曲线可以看到负极产热曲线在放

电时为负值，表示吸热，旦吸热率与放电倍率成王比，2c放电最大放热率约为

().5C时的4倍；正极产热曲线只在().5C放电前期的一段时间内为负值，因此时

电流较小，放电初期已消耗易发生反应的化学物质，放电初期的放热不足以为化

学物质的持续反应提供能量，故出现可逆吸热反应以使后续的放电顺利进行，其

他倍率放电期间皆为正值，2c放电正极的最大放热率约为0.5C时的2倍，图

5(d)〜5(f)为不可逆产热曲线，负极不可逆产热远大于正极不可逆产热，1C放电

时负极不可逆产热率约为0.5C放电的2倍，2c放电时约为0.5C的8.5倍。正

极因其欧姆内阻与极化内阻较小而产生较少不可逆热，正极反应引起的婚变较大

而导致可逆热较大。负极锂离子脱出需要吸收的热量表现为可逆热吸热，由于负

极存在较大欧姆内阻与极化内阻，所以产生大量不可逆热。

1000010000

100(X1

0

10000

20000

1000200030004000500100015002000

时aw时M's

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三

W2000IOOOQ

50010001500

时间投

(0

图525°C时电极的可逆热与不可逆热

4.2温度场分布

当空气沿着y轴的相反方向流动，流速为0.1m/s,恒温箱温度为25°C,2c

放电时，模型的温度场与经过电池中心的沿流场方向的温度场切面图如图6所

示，可以看到气流主要对电池后侧空间的温度场产生影响，且电池后侧的温发场

随电池温度增大而增大，在放电结束时，电池附近弧形区域温度上升8K,在电

池后侧的模型边界处温度上升约4K。放电结束时电池温度场与电池的切面温度

如图7所示，电池的正极极耳与负极极耳的温度为308.7K,气流先接触到的电

池表面为307.46K,电池其余部分温度处于307.7K附近，即电池正负极极耳处

温度最高，与气流相走的电池表面温度最低。

ou

r=600s/=1200s

308

H306

304

302

300

1298

/=1734.8s

图6温度场与切面温度分布

K

图7放电结束时电池温度场与电池切面温度分布

5结论

本文进行不同温度及不同倍率下的放电实验，并建立三维电化学-热耦合模

型，仿真结果与实验结果具有良好的一致性，模型准确性得到验证，在此基础上

进行正负极产热分析与电池温度场的研究，有以下结论。

(1)相同温度下，放电电流对电池温度影响极大，().5C放电时电池温升

1.7℃,1C放电时电池温升为3°C,而2c放电时温升达到90.5C倍率

放电时，25°C与4()0C环境下电池温升接近，0°C与-25℃时温升接近，约为

3℃o

(2)电池产热量与放电倍率成正比，正极热量主要表现为可逆热放热，而

负极同时出现较高的可逆热吸热与不可逆热放热。在模拟恒温箱25°C进行2c

放电时，正极可逆热产热约为11000W/m3,不可逆产热约为700W/m3,负极可

逆吸热在2300()W/m3附近，不可逆产热率放电中期时约为1100()W/m3,放电

末期逐渐上升至23000W/m3。

(3)25°C环境温度进行2c放电，在放电结束时，受空气流动方向的影响，

电池后侧空间温度明显升高，在距离电池50mm处的空间内仍有约4C的温升。

以电池单体为研究对象，电池正负极极耳处的温度最高，与气流正对的电池表面

温度最低，两部分相差0.61℃。

加热引发三元18650型锂离子电池组的燃烧特性

为研究动力锂电池组的燃烧特性，本工作以三元18650型锂离子电池组为研

究对象，在受限空间中开展了加热引发电池组热失控实验，通过温度数据采集及

高清摄像的方法，对不同受热位置和不同受热功率时的锂电池组的典型特征参数

进行了试验研究，包括着火时间、火焰形态、临界热失控温度等，此外还开展了

水雾灭火试验。结果表明：三元锂电池组热失控温度介于120〜139°C,最大燃

烧温度会随着热源功率的增大而增加，最高温度可达8()0°C。侧面过热时锂电池

组燃烧剧烈程度会随着与热源距离的增加而减弱，出现多次断续复燃现象。相比

侧面过热，锂电池组底面负极过热时燃烧程度更剧烈，电池会连续喷射燃烧，同

时外部热源功率的增大会缩短着火时间并加剧燃烧强度。此时采用水雾对着火的

锂电池组灭火，可以对燃烧中的锂电池组进行有效的抑火降温，使电池内部温度

降低到临界温度以下，从而有效防止复燃。

锂离子电池商业化应用以来，技术不断进步，目前已经广泛应用于电动汽车、

储能、电子信息等领域，极大促进了人类社会的发展，但同时也有不同形式的爆

炸起火事件发生，引发了人们对锂离子电池使用安全的担忧。前人针对锂离子电

池的火灾危险性进行了大量研究，比如，汪书苹等通过开展电动汽车充换电站的

燃烧蔓延试验，对比分析了不同类型锂离子电池的热稳定性，发现三元锂材料热

稳定性相比磷酸铁锂和锌酸锂都要低，其燃烧温度更容易在短时间内达到最大

值。此外，研究表明锂离子电池的热爆炸危险性与电池的荷电状态(SOC)密切相

关，危险性通常会随着SOC的增加而增大。

锂电池在储运和使用过程中，由于意外受热可能造成锂电池暴露在热环境中

而存在热滥用风险。试验表明锂电池热失控的等效临界温度介于123.8〜

139.2℃o在过热条件下，锂电池内部活性物质增强，容易引发电池材料间的化

学放热反应，导致内部急速升温超过临界值，从而造成电池热失控起火。为了模

拟过热环境，外部加热是一种常用的试验方法，可以加快模拟锂电池的热滥用过

程。然而，文献中多关注的是锂离子单体电池在过热条件下的热失控特征及燃烧

特性，对于模块化电池组的热滥用研究还比较缺乏，木文采用加热炉模拟三元

18650型锂电池组热失控后对相邻电池的热滥用过程，分析不同受热位置和加热

功率条件下锂电池组的燃烧特性和火灾行为，为三元18650型锂离子电池的安全

使用和高效灭火技术开发提供理论指导和数据支撑。

1实验设置

1.1电池类型

本文采用三元锂离子电池组作为研究对象，电池组长240mm、宽220mm、

高85mm,重量为7kg。电池组正常工作时电压为48V,额定容量3()Ah,内

部由156(12x13)个标准18650电池芯组成，单个电芯高65mm,直径最大18.4

mm,如图1所示。试验前，将电池组外包装拆除，因为外包装为阻燃材料，通

过外部加热无法引燃锂电池。此外，内部电路及电池管理系统保持不变，电池荷

电状态(SOC)均为100%。

图1锂离子电池组

1.2实验布局

整个试验在一个狭长受限空间中进行，空间长12m、宽2m、高2.4m,如

图2所示。受限空间纵向两侧设置有门，试验期间保持关闭状态。侧面中间位置

安装有一个长1.2m、高0.6m的观察窗，其对面墙的上侧位置安装有一个排烟

风机，在试验过程中开启，保持通风。受限空间顶部共安装11个型号为2.5/1.5

的水雾喷头，即流量系数K=2.5L/min/(MPa)l/2,设计工作压力为p=l.5MPa,

设计流量q=9.7L/min,雾滴直径Dv0.99为138pm,喷头间隔1m,用来开展水

雾灭火测试，同时作为备用灭火降温措施，防止火灾燃烧失控。

图2狭长受限空间将锂电池组水平放置在一个支架上，电池正极朝匕如

图3所示。支架为网状结构，可方便从电池底部进行加热。实验中采用两种加热

方式：①电加热炉位于锂电池组底部，电热炉加热面与电池底面相距8cm,对

电池芯底面负极进行持续加热；②电加热炉位于锂电池侧面，相距8cm,对电

池侧面进行持续加热。电加热炉有效加热面长12cm,宽12cm,面积144cm2,

加热功率()〜2000W可调。采用外部热源加热锂电池组，引发着火的流程是：

打开电热炉进行持续加热，直至锂电池着火后关闭电源，停止加热。

图3实验设置实验中，在电池组内部布置4根K型铠装热电偶（Tl、T2、

T3、T4）,热电偶直径1mm,热电偶位于电池芯中间位置，距离底部30mm,

用于采集电池组不同位置的温度变化情况，但对于底部加热和侧面加热两种方

式，热电偶的布置位置并不相同，如图4所示，红色虚线框表示外加热源（电热

炉）。此外在正面设置一个高清摄像机，记录电池组的燃烧蔓延过程。

•・•・•・••一()•••••••••

•3••❶热源

••・"•••Qg

（a）底部加热（b）侧面加热

图4不同加热方式下热电偶布置方式

1.3实验工况

共开展5组实验，工况见表Io实验1〜3的加热方式为底部加热，4和5

采用侧面加热，主要用于研究不同加热位置对锂电池组燃烧蔓延特性的影响。在

此基础上，开展了1组灭火实验，即实验3,采用的方式为水雾灭火。实验1和

2是均采用底部加热方式重复实验。此外，实验3和实验5加热功率相比其他3

组更高，为2kW,用于研究外部热源功率增大条件下锂电池组内部温度及燃烧

特性的变化规律。

表1实验工况

序号加热方式加热功率/W引燃时间/s灭火方式

1底部加热10002335—

2底部加热10001608—

3底部加热2000780水零

4侧面加热10002277—

5侧面加热2000740—

2实验结果

2.1燃烧现象

当从底部加热时，锂离子电池组的典型燃烧过程如图5所示，根据燃烧的剧

烈程度大致可以分为以下6个阶段。

图5从底部加热锂电池组时的燃烧现象

(1)加热阶段。加热炉对锂电池组负极持续加热一段时间后，电池表面会

逐渐产生烟气，其中一部分来自于锂电池芯正极破损产生，因为在实验现场或视

频中可以看到电池芯正极帽被气压冲开的现象，这说明由于持续加热电池内部发

生了剧烈反应，产生了大量气体，紧接着从电池正极冒出少量电解液，如图5(a)

所示。

(2)着火阶段。实验中观察到，电池在着火前会产生大量烟气，这些烟气

中含有许多可燃物，包括从电池内部反应产生的，也有电池组外壳包装材料受热

解产生的，热量集聚到一定程度后，发生着火，如图5(b)所示。

(3)引燃阶段。对于从底部加热的实验工况，锂电池中部受热最为集中，

如图4(a)中红色虚线框所示，因此电池组中间部位开始被大面积引燃，然后向四

周扩散蔓延，电池芯内部的材料也一起被喷出，如图5(c)所示。

(4)喷射阶段。锂电池组表面着火后，温度急剧升高，导致电池芯的安全

阀被逐个打开，然后向外喷射出可燃气体，如图5(d)所示，同时伴随着电解液的

四处喷溅，如图5(e)所示。在此阶段，一个明显的现象是燃烧剧烈，以及猛烈的

爆炸响声，电池芯也在内部压力作用下四处飞溅，这为实验过程中采集温度变化

带来了困难，实验前布置的热电偶很容易被这种爆炸损坏或者移动位置，无法保

证实时测量同一个位置的温度变化。

(5)整体燃烧阶段。当大部分锂电池芯的安全阀被冲开后，锂电池组进入

整体燃烧阶段，此时火焰高度更高，火焰体积也更大，如图5⑴所示。

(6)衰减阶段。电池内部可燃物逐渐消耗完后，火势熄灭。锂电池组从侧

面加热时，燃烧过程如图6所示，整个燃烧阶段大致与底部加热工况类似，包括

着火、引燃、喷射等过程。

从着火时间来看，如表1所示，除了实验2的着火时间有明显缩短外，本文

中两种加热方式对着火时间的影响并不显著，但是功率增大一倍后，从IkW到

2kW,例如实验3和实验1相比，实验5和实验4相比，在相同加热位置下，

功率增大会明显缩短着火时间。

图6从侧面加热锂电池组时的燃烧现象如图6(a)所示，通过外加辐射热源

的方式对锂电池组侧面加热，持续一段时间后，电池组距离热源最近的一列电池

最先着火，如图6(b)所示，然后从右向左燃烧蔓延，在高温火焰附近的电池芯安

全阀被冲开，产生白色烟气，如图6(c)所示，同时伴随着火花四溅的现象，如图

6(d)所示，这表示电池芯内部的电解液被喷出。电池组表面火焰在蔓延过程中逐

渐熄灭，此时未着火的电池内部仍然在剧烈反应，此时可以观察到大量白烟产生，

如图6⑴所示，这是电池芯内部反应产生的气体，当遇到高温或火花或具有类似

点火能量时，电池出现复燃，如图6(g)所示，直至火焰完全熄灭，从试验结果可

以看到，当锂电池组侧面过热时，电池燃烧剧烈程度会随着距离的增加而逐渐减

弱，同时会多次出现断续复燃的现象。锂离子电池组燃烧后的几个典型形态如图

7所示，锂电池芯在使用时会通过串并联的方式连接起来，组成电池组，通过电

池管理系统(BMS)对各个电池芯进行智能化管理。电池组在受到外加辐射热源被

引燃后，会发生爆炸式的剧烈燃烧，部分电池芯会在内部反应产生的气压作用下

脱离电池组，四处飞溅，内部隔膜材料也会溢出，如图7(a)所示。由于电池芯正

极安全阀的设计，当内部化学反应产生气体后，压力会通过安全阀外泄，从而降

低了因为内压造成电池芯外壁面破损的风险，如图7(b)所示。对于一个锂电池组,

若其中一个电池发生热失控着火或者因为外因导致着火后，其周围的锂电池芯会

受到壁面传热，或者喷射出来的高温残留物灼烧，或者明火产生的热辐射等方式

引燃周围电池芯，进一步扩人着火面积，而不会因为壁面爆炸瞬间扩人火势，这

说明相比锂电池组侧面，其底部(负极)需要被更好地防火保护。在过热条件下锂

电池组的燃烧蔓延过程，首先发生变化的是电池温度，通过测量电池组内部温度

的变化和分布情况，可以定量地分析锂电池组火灾行为，这对于如何去更好i勺控

制火势以及研发新的高效灭火技术有重要意义。

图7锂电池燃烧后的典型形态

2.2温度分布

图8展示了锂电池组在底部受热时内部温度的变化情况。从温度历史曲线的

变化，可以观察到3个不同的电池热失控演化阶段，这符合前文根据燃烧现象分

析得出的结果。在加热阶段，温度缓慢上升，可以看到T1的温度上升趋势相比

其他的更快一些，其所测量的位置刚好位于电池组的中心区域，此处受热量也最

大，电池芯正极安全阀打开后，冒出白色烟气，这意味着电池芯内部正在发生剧

烈反应，产生了气体。随着温度的持续上升，产生的可燃气体引发电池芯着火，

此时温度曲线出现一个急剧上升的拐点，如图8中虚线圈所示，着火时T1的温

度约为139C,同时T3位置的温度随即出现了上升，这是由于火焰传播过去所

导致的。相比T2和T3位置，T4与T1的直线距离最远，若按照电池芯最大尺

寸计算，T4和T1之间间隔约99mm,着火时间相差89s,燃烧蔓延速度约为

1.1mm/so锂电池组着火后，会相继发生喷射、爆炸等现象，这个过程温度会持

续上升，最后进入整体燃烧阶段，电池组最高燃烧温度超过700°C。

0500100015002000250030003500

t/s

图8底部受热时电池组内部温度变化（工况1）锂电池组侧面受热时，对热电

偶的测量位置进行了调整，由相对辐射热源位置由近及远布局，实验中测量到的

典型温度历史曲线如图9所示。相比底部受热工况，当锂电池组侧面受热时温度

分布有一些明显的差异，虽然温度均会出现若干个波峰，这意味着此时处于明火

燃烧状态，但是底部受热时温度峰值分布在一个更长的时间段内，如图9中约

1000s,而底部受热时温度峰值相对集中，如