为应对全球气候变化，全球170多个国家签订了《巴黎协定》。我国也相应提出了2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”的发展目标。提高可再生能源在能源结构中的占比是保护环境，减少污染的重要措施。风能、太阳能等清洁能源受自然环境的影响，具有非连续及不可移动的弊端，无法实现供电系统的持续供应，其功率输出的波动性和随机性严重威胁了电力系统的稳定性和安全性。储能系统具有削峰填谷、调峰调频的优越性，实现谷价时段充电，峰价时段放电；在大电网断电时，能够孤岛运行，确保对用户不间断供电^[1]。

与其他储能技术相比，电化学储能具有能量密度较高、响应速度快、环境污染小等优势。与三元镍钴锰酸锂等电池体系相比，磷酸铁锂电池具有较好的安全性，更加适用于大规模电化学储能电站^[2-3]。然而，热失控是锂离子电池不容忽视的安全挑战，对于大规模储能的应用尤为重要^[4]。例如，2021年4月，北京某储能项目发生火灾燃爆事故，造成3人死亡，引发业内广泛关注。

与三元锂离子电池明显不同，磷酸铁锂电池热失控不产生火焰，使得其内部反应产生的大量气体将通过安全阀和外界大气环境交互，存在燃爆风险^[5]。黄峥等^[6]通过对86 Ah的磷酸铁锂电池进行单面加热热失控实验，测量了热失控过程中的温度变化、质量损失并通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和氢气探头探测了产气变化，发现了氢气和二氧化碳是磷酸铁锂电池热失控产气的主要成分，体积占比分别为39.5%和30.15%。结合C80微量量热仪，分析了可能的反应，并认为其来源分别为黏结剂和锂离子的反应以及SEI膜和活性物质的反应；而在电池模组层面，王俊等^[7]利用FDS模拟了模组箱内部电池热失控后的产气扩散行为，并通过在箱内两侧布置探点阵列，来获得产气的Euler描述。牛志远等^[8]通过FLACS软件模拟计算了气化电解液被点燃后的燃烧率、超温和高压，诠释了其爆炸过程并通过更改不同泄爆条件来分析相关参数的变化。总体而言，目前针对磷酸铁锂电池热失控机制和燃爆的研究主要集中在18650圆柱电池，或者是小型的方形电池^[9-11]，对于高容量储能用磷酸铁锂电池的热失控研究还较为匮乏，对于实际电池储能集装箱的产气燃爆危害尚缺乏清晰认识。

从已发生的储能电池火灾燃爆事故可以看出，电池模组箱内部热管理系统失效、电池短路、电池内部缺陷等一系列原因最终都将导致电池过热，进而引发热失控，由于模组箱的密闭结构，导致电池产气在模组箱中积聚，直到达到模组箱中安全阀的临界开启压力，随后电池产气将弥漫至整个电池舱室，构成燃爆风险。基于此，本研究借助全尺寸锂离子电池热失控实验平台对储能大容量磷酸铁锂电池热失控过程进行研究，采用加热方式触发电池热失控，分析其热失控产气及产热过程^[12]。结合实际应用的储能电池液冷集装箱，采用FLACS软件，建立1∶1非步入式液冷集装箱模型，并将热失控实验所测产气组分带入，设置不同点火位置和有无泄压板等条件，在冲击波方向构建探测阵列，研究爆炸对于水平周边的影响，从而为储能电站锂离子电池火灾事故预警、集装箱结构和防爆设计提供参考。

实验样品为储能用280 Ah 磷酸铁锂电池单体，相关电池参数如表1所示。实验过程中，将电池、加热板和5 mm的隔热棉捆绑后用夹具固定放置于天平上，其中隔热棉可以减少装置散热并且柔性挤压可以有效减少电池和加热板之间的接触电阻。天平与电池测试装置接触面添加隔热棉，用以隔绝高温对天平的影响。测量电池产气气压的皮托管放置于电池上方3 cm左右处。

实验中共在电池表面布置7个测温点(T1～T7)，分别位于电池的加热面的中心，电池非加热面中心线的上、中、下位置，电池的正极以及电池侧面中心，如图1所示。同时为了测试电池在热失控过程中的产气温度，在电池泄压阀上方3 cm处布置一根热电偶。T1温度确定加热板是否存在异常；T2～T4温度测试不同水平高度下温度变化；T5～T6温度测试电池极耳，喷射气体温度变化；T7温度测试离热源更近距离上的温度变化。

实验过程中，除了热电偶测量电池表面热失控过程中的温度变化，另设置摄像机采集电池热失控过程并采用天平测试实验体系的质量变化。当泄压阀打开后，产气由风机产生的负压被吸入后进入稳流叶片，进而被气体泵抽集，通过圆管进入FTIR、氢气探头，从而实现对热失控气体组分和种类的实时检测，整体实验装置如图2所示。

借助电池充放电循环仪以恒流恒压方式对电池充放电至目标荷电状态(SOC)。之后依次开启风机、FTIR、氢气探头、热电偶、天平和加热板。当电池开始热失控之后，关闭加热板^[7,13]。

本工作主要使用FLACS软件进行模拟，利用SIMPLE算法，通过建立描述流体特性的质量、动量、能量以及组分守恒方程，配合边界条件求解计算区域中的超压、燃烧产物、火焰速度以及燃料消耗量等变量的值^{[8, 12]}。FLACS对典型的气体动力学算法总结如下：

质量守恒：

式中，m˙为质量流量，kg/s；ρ为密度，kg/m³；uj为平均速度，m/s；βj为j方向的面积孔隙度；βv为体积孔隙度；V为体积，m³。

动量方程：

其中F_{w, i} 是壁面引起的流动阻力，Fo,i=-ρ|∂β∂xi|ui|ui|；σij为应力张量，N/m²；ui为平均速度，m/s；p为绝对压力，Pa。

熵的传输方程：

式中，h为比焓，J/kg；μeff为有效黏度，Pa·s；σh为Prandtl-Schmidt number，值为0.7。

混合物质的输运方程：

其中ξ为混合分数，σξ为Prandtl-Schmidt number，值为0.7。

本次集装箱燃爆特性模拟主要研究该结构下液冷集装箱中单一电池舱，在不同点火位置、有无进风口，舱门开启强度和有无泄压板对燃爆结果的影响。

模型按照实际集装箱尺寸和结构1∶1进行建立，集装箱内部包括两个液冷舱和两个电池舱，每个电池舱内包含3个pack架，具体结构如图3所示。电池舱设置3个定轴钢体门并在舱体中间设置监控点，此后沿X轴每隔1.25 m设置一个监控点，共3个监测点，分别定义为MP1、MP2和MP3，液冷舱由于其非步入式结构，导致不能在舱体两侧和前后设置泄压板，而在上方设置泄压板需要考虑到对箱体横梁和液冷管布置的影响，所以泄压板设置如图3的c处所示。此外，分别在电池舱的左下角设置进风口a，右上角设置出风口b，而出风口直接和大气连通。

由于舱门的门锁相对于箱体强度而言承压较小，因此产生了不同的舱门开启强度。而进风口可能会存在失效情况而出现液压活塞降落导致进风口关闭。而由于电路更多地集中于电池前端，导致电池箱前端出现火源的可能性大大增加。为了探究上述因素及泄压板对燃爆结果的影响，因此设置了如表2所示的模拟结果条件。

爆炸的威力大小取决于气云的大小、组分以及当量比。而在前文探究了磷酸铁锂电池在过热条件下热失控产气的组分，故本工作主要以图8(c)中的HCl、NH₃、CH₄、C₂H₄、CO₂、CO、H₂为燃爆气云的组分^[14]。假设内部气云分布均匀，与空气的混合当量比为1，点火高度分别为0.1 m(位置1)和1.3 m(位置2)，点火延迟为0 ms^[15]。

针对储能用280 Ah磷酸铁锂电池的热失控行为，主要从热失控实验现象、电池温度变化、质量变化、质量损失率、压力变化、压力变化率以及产气等多个角度来进行描述和分析。

通过摄像机记录100%SOC磷酸铁锂电池的热失控实验现象，如图4所示。并根据泄压阀开启和电池开始剧烈产气这两个节点将热失控过程划分为三个阶段。

第一阶段：加热板对电池进行加热，未发生明显现象。

第二阶段：在2037 s时电池安全阀打开，产生气体射流，并伴随着大量电解液喷射而出。此时电池喷射出的白色烟气主要为电解液液滴。随后电池产气气压和产气速率下降，实验舱室内可视度仍较高。

第三阶段：2810 s时，电池产气速率迅速增加，喷出大量白色浓雾，产气流速较大。70 s内整个实验舱内可视度迅速下降，此时的白色浓雾主要为内部反应物的固体颗粒。浓雾持续了近100 s后逐渐被风机抽走，此时安全阀处产气基本停止。

为保证得到更加准确的实验结果，进行了两组实验，电池热失控过程中的温度变化如图5所示。可以看出，电池加热面温度首先快速上升，随后由于电池内部产热较小，而加热板功率恒定，散热功率随电池温度上升而增大，此时电池升温速率逐渐降低。而在电池安全阀开阀后，由于电池产气喷射带走了部分的热量电池温度略微下降。之后，当电池内部隔膜大规模熔解后，电池表面温度迅速上升，达到峰值温度。此时电池电压在短暂的波动后，迅速下降为0。

为对比两次实验温度曲线和电压变化重复程度，选取其中的加热面、非加热面以及电池侧面的峰值温度作为特征温度进行比较，结果如表3所示。

由表3可知，加热面温度最高是因为存在外界热源输入，相对的，非加热面温度最低，电池侧面的温度在这两者之间。而达到峰值温度的时间则相反，两组实验之间的时间最大误差在10%之内，温度最大误差在5%之内。

在加热期间，由图5可以得知，越靠近加热板处，同时间段内温度值越高。此外，由于加热板的热量传递在电池内部存在温度梯度，导致远离加热板侧的温度到达峰值时间更晚，峰值温度更低。

电池热失控过程中的温度、质量损失变化及质量损失变化率如图6所示。由温度曲线确定的安全阀打开时间可知，在电池安全阀打开之前，电池质量基本保持不变。当安全阀打开之后，原本电池内部初始速度为0的气体，在内外压差的作用下，产生较大的瞬时加速度，其反作用力使得天平产生了瞬间正值，随后质量产生瞬间下降。之后，电池产气较少，质量下降也较为缓慢。当电池发生热失控时，电池质量迅速下降。该过程中具体参数如表4所示。

通过S形皮托管原理测量得到电池喷射气体的气压及气压变化率，如图7所示，数值对比见表5。可以看出当安全阀打开之后，皮托管动压瞬间升高，升压速率达到了峰值。虽然后续热失控期间的动压较高，但升压速率波动较大。可以看出，电池安全阀打开后，气流喷射稳定，而电池热失控期间，电池产气动压较大且不稳定。

通过FTIR、氢气探头对热失控过程中产气进行原位探测，测得气体组分如图8所示。可以看出，两组实验中电池热失控产生的气体成分及浓度基本保持一致，其中CO₂含量最高，其次为CO，并且两者在热失控期间的浓度达到了峰值。甲烷、乙烯及乙烷等有机气体分别在电池安全阀打开及热失控期间出现，电池安全阀开启时的浓度较小，此时电解液尚未发生大量分解，热失控期间在高温的作用下，电解液剧烈分解产生有机气体分解产物^[6]。

由上文可知，280 Ah磷酸铁锂电池在热失控期间伴有长时间的高温和大量产气，这带来了热失控传播和燃爆的风险。而对于不同容量磷酸铁锂电池而言，这些风险是一直存在的。本工作参考现有学者的研究，使用电池非加热面的温度变化T，表征电池的热失控传播危险性，而燃爆风险性则挑选电池产气中占比量较大，且爆炸指数较高的CO和H₂以及具有抑爆效果的CO₂来表征，具体结果见表6。

由于测试手段和测试环境的差异，不同容量的磷酸铁锂电池产气差别较大，但总体而言，随着容量的减少，CO₂在这三种特征气体的比例增加，燃爆危险性降低。而对于热滥用的峰值温度，容量的差异并未带来较为明显的差异，但要远高于电滥用产生的电池峰值温度。

为了探究燃爆产生时对周边的影响，主要探究3个探测点输出的动压值在上述条件的变化，具体值如图9所示，相关数据对比见表7。为了分析动压变化规律，定义无量纲数衰减率R。

式中，P₁为传播起点的压力值；P₂为传播终点的压力值。

由于MP1位于舱门处，则当其动压开始上升时，也是爆炸波开始冲击舱门的时间。图 9(a)则展示了当舱门开启压力不同时，探测点的压力峰值和压力开始上升时间。当舱门开启压力为100 kPa时，大约在0.05 s处MP1点压力开始上升，但由于达到10 kPa后，舱门开启，导致压力小幅下降，随后由图9(b)可知，在爆炸过程中内部火焰扩散，由于墙壁等障碍物的阻挡，发射多次爆炸波造成了第二次压力上升。

当增加舱门的耐压强度后，由表6可知，爆炸峰值压力达到了25 kPa，爆炸冲击波的持续时间也更长。而当改变点火高度后，MP1离爆炸中心更近，峰值压力达到了35.8 kPa，与其他组动压值相差较大。而在MP2，中部点火产生的动压值增加，衰减率降低。压力传播到MP3点时，衰减率大大增加，动压值较第二组基本相同，因而点火位置在Z轴上的差异，随着X轴长度增加而减少。

当进风口关闭后，MP1点爆炸动压上升时间相较于第二组有了大概0.09 s的延迟，而MP2和MP3点也有着基本相同延迟，可知在舱门开启后的爆炸冲击波传播并不受影响。此外，第四组比第三组在各个测试点的爆炸压力也更小。当继续封闭上方的泄压板，第五组的MP1点压力相较于第四组上升时间提前了0.02 s，最大爆炸压力增加了7.2 kPa，但相对于第三组而言，压力上升时间延迟了0.85 s，产生的最大爆炸压力减少5.7 kPa。

在实际集装箱中，电池舱前方的舱门在爆炸动压作用下，存在同水平高度下沿+Y方向最大开启角度为90°的定轴刚体旋转运动，起到了类似于泄压板的作用，导致舱门的开启强度对于燃爆结果有着较为明显的影响。

模拟结果第一组和第二组结果对比如图9所示，第一组MP1的动压远小于第二组。由图10中可知，由于点火位置位于电池箱前端，在点火后产生的动压波先冲破舱门，导致内部可燃气泄漏，使得浓度迅速下降到爆炸下限之下，使得爆炸产生的动压较小以至于泄压板未打开。而当舱门开启压力较大时，燃爆在集装箱内部蔓延较为全面，使得产生的爆炸峰值压力较大^[19]。

而对于点火位置的改变，在第二组和第三组中，当增加点火高度后，动压升高时间提前0.01 s，爆炸峰值压力增加10.9 kPa。而从图11可知，点火位置在底部时，在爆炸发生后由于底面墙壁的阻碍，火焰向上侧和水平方向蔓延。而当点火位置在中部时，火焰可以在水平和竖直方向同时蔓延，并且初期发展阶段没有底部墙壁的阻碍，减少了扩散耗散，使得发展更加全面和迅速^[5]。

当封闭进风口后，使得进风口端墙壁湍流耗散迅速增加，火焰蔓延相较于存在进风口情况下偏向出风口端墙壁，由图12可以看出，此时出风口产气喷射形态改变，速率增加，喷射时间增加，导致储能舱内部爆炸发展时间明显增加，峰值压力降低。

而图9中可以看出，当取消泄压板之后，舱门开启时间提前，爆炸峰值动压迅速增大。如图13所示，当舱门打开后，(b)的动压云相对于(a)较为明显，且(b)中的通风口处的动压相较于(a)中明显增大，通过通风口对第二个电池舱造成影响，在实际情况中可能会引起殉爆。

由图13可知，泄压板的存在加快了舱门开启速度，当关闭泄压板后，即使当舱门打开后，出风口仍存在较为明显的射流，反观图12，舱门开启后，出风口动压射流逐渐消散。可以看出关闭进风口后，出风口压力增大，导致泄压板相较舱门的开启时间更早，减少了舱门处和出风口处的爆炸压力，降低了爆炸危害。

本工作研究了280 Ah的磷酸铁锂电池热失控行为和特征参数，基于产气组分分析，进一步参照电池行业实际应用的新型液冷舱建立了爆炸模型，以磷酸铁锂电池热失控产气为爆炸气云，通过软件仿真分析了爆炸的产生过程和影响，并研究了不同条件下产生的影响。结果表明：

（1）280 Ah储能用磷酸铁锂电池在500 W加热板的过热条件下，大概3000 s后达到热失控峰值，同时热失控后，不产生火焰。电池在热失控过程中，质量在安全阀和热失控后有着较为明显的变化，其中热失控的质量降低更为明显。电池过热条件下，压力在安全阀打开后为一个升压速率稳定的射流喷射，但当电池热失控后，电池产气压力变化波动较大。在产气组分中，H₂和CO₂是主要成分，并包含烷烃类、氨气和氯化氢等气体组分。

（2）燃爆过程中，当舱门开启压力较小的时候，将起到泄爆作用。而泄压板的作用，一是及时地将内部可燃气泄放出去，以降低半密闭舱体内部的可燃气浓度，二是可以将压力波扩散，减少箱体承受压力，通过改变泄压板的位置，可以有效控制爆炸传播路径，减少爆炸危害。

（3）当储能舱上方存在泄压板时，动压在水平方向的传播衰减速度加快。而电池舱内存在进风口时，火焰蔓延更加均匀，湍流耗散更小，爆炸峰值压力增加。当点火位置的高度发生改变，由于障碍物的存在将增加爆炸波的扩散损耗，所以爆炸中心周边障碍物越少，爆炸火焰蔓延速率越快，发展越充分，对于爆炸结果有着较为明显的影响。随着扩散距离的增加，点火位置的影响将随之降低。