该研究论文由哈尔滨理工大学电气与电子工程学院的许文强、周凯、高彬，清华大学车辆与运载学院的许文强、王贺武、卢兰光、李亚伦，以及青岛理工大学机械与汽车工程学院的王岩共同完成，并于2024年7月28日发表在开放获取期刊《Batteries》上，题为“Experimental and modeling study of arc fault induced thermal runaway in prismatic lithium-ion batteries”。这是一篇关于方形锂离子电池系统故障安全性的原创性研究论文，属于类型a。
近年来，随着电化学储能技术的广泛应用，锂离子电池的安全问题备受关注。热失控（Thermal Runaway， TR）是电池安全领域最严重的失效形式，通常由热滥用、电滥用和机械滥用诱发。随着电池储能系统（Battery Energy Storage System， BESS）向着高电压、大容量方向发展，大量电芯串并联带来的安全隐患日益突出，其中因电池老化、膨胀或连接松动引起的电弧故障（Arc Fault）危害尤其值得警惕。电弧是电力系统中常见的电气安全问题，但在电池系统领域，早期研究多集中于电弧故障检测，对其如何引发电池灾难性后果的研究尚不深入。国内外已发生多起可能与电弧相关的储能系统火灾事故，例如2021年北京某大型磷酸铁锂电池储能项目火灾爆炸事故报告指出，潜在原因之一是电池释放的可燃气体被电弧点燃。因此，迫切需要通过实验和模拟方法，揭示电弧诱导锂离子电池发生热失控的演化规律，为电池系统的电气安全设计提供指导。本研究旨在：1）建立适用于电池系统的电弧实验平台，研究电弧与电池之间的热电耦合特性，揭示电弧作为一种新型诱因引发电池热失控的现象；2）建立电弧与电池的耦合三维模型，通过等效热源法模拟电弧诱发热失控过程，验证模型准确性，以指导实验设计并减少实验工作量。
该研究的详细工作流程主要包括实验平台构建与电弧实验、电弧等效热源法建模、以及模型验证与分析三个主要部分。
首先，研究团队自主搭建了一套电池系统电弧实验平台。该平台主电路由直流电源、电弧故障发生器（Arc Fault Generator， AFG）、待测电池和可调负载电阻串联构成。AFG依据UL1699b标准设计，包含可动电极、调整平台、滑块和步进电机，能够精确模拟电弧的产生。调整平台可水平和垂直移动，以模拟电弧发生在电池不同位置（正极柱、负极柱或外壳）。测量设备包括高速数据采集系统、热电偶和高清相机，整个AFG被置于防爆箱内以确保安全。研究对象为容量20Ah的磷酸铁锂/石墨方形电池。实验分为两个部分：第一步是在电池顶盖的负极柱上进行电弧实验，目的是获取从电弧传递到电池的功率转换系数。实验条件设定为电源电压200V，负载电阻10Ω，在可动电极与负极柱分离1mm时产生电弧，监测电弧电压、回路电流以及顶盖上两个预设点（T1靠近电弧点，T2在正极柱表面）的温度变化。第二步是在完整电池的负极柱上进行电弧实验，以观察和记录电弧最终诱发热失控的全过程。实验条件为电源电压300V，回路电流15A，同样在电极分离时产生电弧。除了电参数，还在电池表面靠近负极的区域布置了三个温度监测点（T3、T4、T5），其中T5位于电池大面中心，其温升速率被用作判断热失控发生的阈值（1°C/s）。
其次，基于实验现象和数据，研究团队利用COMSOL Multiphysics 6.0软件，发展了一种基于“电弧等效热源”的数学建模方法，以解决传统电弧与电池热失控模型耦合计算复杂、耗时长的难题。该方法的核心思想是保留电池三维热失控模型的完整性，而对电弧模型进行大幅简化。具体而言，将电弧放电过程产生的热能视为一个集中于负极柱表面的集中热源。这个等效热源由两个关键参数定义：等效面积（S_arc）和等效功率（P_arc_bat）。等效半径（r）与电弧电流（I_arc）通过经验公式（r = 2.337·I_arc^0.1889 − 2.2542）关联，例如在15A电流下，r = 1.86 mm。等效功率（P_arc_bat）则是总电弧功率（P_arc）的一部分，由功率转换系数（k）决定，即 P_arc_bat = k · U_arc · I_arc。为了准确确定k值，研究者巧妙地利用结构相对简单的电池顶盖电弧实验数据进行反推。他们建立了顶盖的仿真模型，将不同k值（从0.01到0.99）计算出的等效功率作为输入，模拟T1点的温升曲线，并与实验测得的T1温度曲线进行对比，以均方根误差（Root Mean Square Error， RMSE）作为精度评判标准。通过迭代计算，发现当k=0.38时，RMSE最小（0.953°C），同时T2点的RMSE也较低（0.615°C），从而确定了最优功率转换系数k_best = 0.38。这意味着，在本实验条件下，约有38%的电弧功率最终传递给了电池并用于加热。基于此，构建了完整的电池三维热失控耦合模型，将半径为1.86mm、功率为0.38倍实测电弧功率的等效热源施加于电池负极柱表面中心点，以模拟电弧的加热效应。模型的控制方程基于能量守恒定律，包含了电池内部由化学反应产生的体积生热率，其总生热量通过加速量热仪（Accelerating Rate Calorimeter）实验数据校准。模型同时考虑了电池各组件（壳、盖、极柱、电芯）的热传导以及与环境空气的对流换热。
研究的核心结果清晰展示了从电弧产生到电池热失控的完整链条。在电池顶盖电弧实验中，电弧电压初始跃升至最小电弧电压15.7V后，在20-30V范围内保持相对稳定，表现出负阻特性；电弧功率主要集中在400-600W之间。顶盖温度监测点T1最高达到161.2°C，且温升速率远高于较远的T2点（最高82.5°C），直观证明了电弧热量的局部集中效应。这一部分实验成功获取了电弧的电热特性基础数据，并为确定关键的功率转换系数k提供了依据。
在完整电池电弧实验中，观察到了电弧诱导热失控的完整五阶段演化过程：I等待阶段（电极闭合，电池充电）、II电弧演化阶段（电极分离产生电弧，持续约171.7秒，电弧电压稳定在20-30V，点燃电池盖绝缘材料）、III电弧熄灭阶段、IV热失控阶段（电弧熄灭约7秒后，电池负极柱喷出大量白烟并被明火点燃，同时电池电压骤降，表明内部发生严重短路，T5点温升速率超过1°C/s，确认为热失控）、V电池冷却阶段。温度数据显示，越靠近电弧发生点（T3），温升越快，表明热量从电弧点经极柱向电池内部传导。电池电压的故障和T5点的热故障共同证实，持续的电弧加热最终导致了电池内部发生连锁短路反应，从而引发热失控。这一实验首次直接观测并证实了电弧可以作为一种独立的诱因，引发方形锂离子电池的热失控，填补了该领域的研究空白。
模型验证结果充分证明了所建立的三维耦合模型具有很高的准确性。在300V/15A条件下，模型成功模拟出了电池热失控现象。对比实验与模拟的温度曲线，电池大面中心点T5的热失控触发时间误差仅为3.5秒，在整个400秒仿真周期内的温度均方根误差为5.8°C（最高温度达212°C），T3和T4点的误差稍大，但在电弧熄灭前的阶段，所有点的RMSE均更小，表明模型在热失控发生前的热传导过程模拟尤为精准。研究还利用另一组实验条件（200V/20A）的数据对模型进行了交叉验证，T5点的热失控时间差仅为2.9秒，进一步支持了模型的可靠性。温度云图动态展示了电弧热量从负极柱、经顶盖和外壳向电池内部传递，最终引发整体热失控的过程，与实验结果逻辑一致。
基于已验证的模型，研究者进一步分析了等效热源关键参数的影响。保持等效半径不变，等效功率越大，诱发电池热失控所需的时间越短；保持等效功率不变，等效半径越大，诱发热失控所需的时间反而越长。对比发现，等效功率的变化对诱发热失控时间的影响远大于等效半径的变化。这表明，在评估电弧危害时，电弧的功率强度比其作用面积更为关键。
本研究得出了明确的结论：通过自主搭建的实验平台，首次在实验中观察并记录了方形磷酸铁锂电池因负极柱电弧故障而诱发热失控的全过程，证实了电弧是电池热失控的一种新型诱因。同时，创新性地提出了电弧等效热源建模方法，并成功构建了高精度的电弧-电池耦合三维模型，该模型能够有效模拟电弧诱发热失控过程，其预测结果与实验数据吻合良好。该模型对于指导电池电弧实验设计、减少实验次数、加速研究进程具有重要价值。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：首先是研究问题的前沿性和重要性，聚焦于电池储能系统中日益凸显但研究尚浅的电弧故障致灾机理，直击产业安全痛点。其次是研究方法的创新性与系统性，开创性地将完整的实验观测与基于等效热源简化的高保真三维建模相结合，既通过实验发现了新现象，又通过建模提供了可复现、可分析的新工具。等效热源法的提出，巧妙地规避了复杂电弧流体动力学模型与电池热失控模型直接耦合的计算难题，是本研究在方法论上的核心贡献。最后是研究结果的坚实性与启发性，不仅提供了确凿的实验证据和经过多组数据验证的精确模型，还通过参数分析揭示了电弧功率在诱发热失控中的主导作用，为后续的防护设计（如电弧检测阈值设定）提供了理论参考。
此外，论文在讨论部分也坦诚指出了本研究的局限性，例如尚未系统研究电弧电压、电流、持续时间、发生位置等多种因素对热失控影响的序列效应，也未明确电池发生电弧热失控的精确边界条件。这些为未来的深入研究指明了方向，例如需要在多种工况下进行电弧实验，以全面构建电池系统电弧故障的安全边界图谱。总体而言，这项研究深化了对电池系统电弧故障演化规律的理解，拓展了热失控诱发因素的研究范畴，为提升电池储能系统的本质安全水平提供了重要的实验依据和理论工具。