本文介绍了由来自哈尔滨理工大学、清华大学、北京理工大学及河北工业大学的研究团队共同完成的一项原创性研究。该研究成果以学术论文形式发表于国际期刊《Energy》（卷308，2024年），文章题目为“Series arc-induced internal short circuit leading to thermal runaway in lithium-ion battery”，收录于2024年8月27日。

本研究属于锂离子电池安全及储能系统电气安全领域。随着以锂离子电池（lithium-ion batteries, LIBs）为核心的电池储能系统（battery energy storage systems, BESSs）的大规模部署，其安全风险日益受到关注。在各类电气故障中，串联电弧（series arc）因其特殊性而成为研究焦点。串联电弧主要由电池间连接件松动或断裂引起，其故障电流仅略低于正常工作电流，难以被传统的过流保护装置及时检测和切断。随着BESSs系统电压等级不断提升（例如直流母线电压可达1500V），串联电弧的产生概率和潜在危害性也显著增加。然而，相比于已经较为深入的传统滥用（如热滥用、电滥用、机械滥用）研究，电弧，特别是串联电弧对锂离子电池安全性的影响机理尚不明确。电弧作为一种兼具电能和热能释放的故障现象，其对电池的威胁过程和最终演化路径（failure pathways）仍缺乏系统性研究。因此，本研究旨在填补这一空白，通过实验探究串联电弧在锂离子电池极端引发热失控（thermal runaway, TR）的全过程，揭示其危害原理与演化规律，从而为BESSs的电弧故障检测与安全防护提供理论基础和实验依据。

研究团队首先构建了一套适用于电池系统的串联电弧实验平台，其核心是对传统电弧故障发生器（arc fault generator, AFG）的改进。传统的AFG基于UL1699B标准设计，但其电极设计无法直接作用于电池本身。本研究将AFG的一个固定电极改造为可横向和纵向移动的可调平台，使其能够模拟在电池不同位置（正极、负极、顶盖、外壳）产生的电弧故障。该改进型AFG适用于方形、圆柱形和软包等多种封装形式的电池。实验主电路由直流电源（模拟系统电压，可达300V）、负载电阻和电池构成，并由高精度传感器和数据采集系统同步记录电弧电压（u_arc）、回路电流（i_dc）、电池电压（u_b）以及多点电池表面温度（T_b）等参数。

实验对象为目前BESSs中广泛应用的能量型20Ah磷酸铁锂（LiFePO4）方形电池。研究重点模拟了电池负极连接处因松动/断裂引发的串联电弧故障。实验设计了四个不同荷电状态（state of charge, SOC）水平：0%、30%、60%、100%，以探究电池能量状态对电弧危害过程的影响。实验步骤包括电路连接、参数设置（如电源电压300V、回路电流约15A、电极分离间隙1mm）和操作执行。电池表面预先布置了6个热电偶（测温点#1-#6），其中#6点位于电池表面中心，其温升速率（v_t6）被用于定义电池热失效（thermal failure）的临界点，阈值设为1°C/s。在电弧实验结束后，研究团队还利用工业计算机断层扫描技术对电池残骸进行无损成像，并对其卷芯进行了解剖分析，以获取电池内部结构损伤的直接证据。

实验清晰地展示了串联电弧在电池不同SOC水平下的演化过程与灾害后果。整个过程可划分为五个阶段：I 电弧发生前、II 电弧演化期、III 电弧熄灭期、IV 电池热失效/热失控期、V 电池冷却期。研究发现，电弧能够在所有SOC条件下引发电池电压骤降与回弹现象，并最终导致热失效。对于0% SOC电池，电弧在约202.9秒后熄灭，随后电池经历局部热失效。而对于30%及以上SOC的电池，电弧持续时间更短（如100% SOC为171.4秒），且灾害更为严重：30% SOC电池在电弧熄灭后出现大量白烟（电解液蒸气与可燃气体）泄漏；60%和100% SOC电池甚至在电弧持续期间就出现了火焰喷射、电池剧烈鼓胀、顶盖被顶开乃至卷芯喷出的严重热失控现象。这表明高SOC电池在电弧作用下更易发生剧烈灾害。

对电弧电学特性的分析表明，不同SOC电池的最小起弧电压基本一致，约为15.5 ± 0.3 V，表明起弧电压与电池SOC无关。稳态燃弧电压在20-30V之间。电弧的引入导致回路电流下降，显示出负电阻特性。特别关键的是，在所有电池的电压曲线中均观察到了多次（0% SOC三次，其他SOC五次）突发性电压跌落和回弹，研究初步推测这是由电池内部短路（internal short circuit, ISC）故障引发的。

热学特性分析进一步证实了ISC的存在。电弧持续加热导致电池表面温度从靠近电弧的#1点向#6点递进式升高，显示强烈的局部热效应。在电弧熄灭或电池电压发生故障后，电池内部温度（以#6点温升速率为代表）出现急剧上升，并迅速超过1°C/s的热失效阈值。通过对温度曲线和电压故障时间点的关联分析，推测初始故障位置靠近电池内部对应于测温点#3和#4的区域。

为了明确电弧灾害的物理路径，研究团队对灾后电池残骸，特别是SOC为0%的电池，进行了深入的断层扫描和解剖分析。CT扫描结果显示，电池内部由5个小卷芯（Roll 1-5）并联组成。靠近负极的Roll 1、2、3的隔膜因电弧传导的高温而严重受损。同时，负极柱与顶盖之间因电弧高温熔化了密封材料而形成孔洞，这解释了为何内部气体和电解液会从此处泄漏而非传统的防爆阀。

解剖分析揭示了确切的故障链条。首先，持续的电弧高温通过负极柱、铜极耳和外壳传导至电池内部，导致Roll 1、2、3的隔膜熔化失效，在正极铝箔和负极铜箔之间形成内部短路点。高短路电流瞬间流过卷芯，特别是靠近短路点的外侧正极铝极耳。由于铝的熔点较低，高电流（研究发现最高可达246A）迅速熔断了这些外侧正极极耳，导致电池电压出现观测到的跌落（因ISC）和回弹（因极耳熔断，故障支路被切断）。每个小卷芯有两个正极极耳（内外各一），而短路点靠近外侧极耳，因此仅外侧极耳被熔断，内侧极耳得以保留。定量电路模型分析计算了各个故障卷芯的ISC等效电阻和短路电流，完美解释了电压曲线上跌落-回弹的次数与熔断极耳数量（0% SOC为3个，其他SOC为5个）的对应关系，并阐明了为何内极耳和未发生ISC的卷芯（如0% SOC的Roll 4,5）的正极极耳未被熔断。

基于以上发现，研究总结出串联电弧引发锂离子电池热失效的清晰路径：首先是外部与内部失效。外部主要表现为电弧高温熔穿电池外壳或密封件，导致电解液泄漏。若电弧未熄灭，将点燃泄漏的可燃物，引发喷射火焰。内部失效是根本原因，包含四个关键步骤：1）电弧热传导导致隔膜熔化；2）触发卷芯内部短路；3）高短路电流熔断外侧正极极耳，形成开路故障；4）内部短路积累的热量引发连锁放热反应，最终导致电池热失效乃至剧烈热失控。电池SOC越高，内部化学能越大，上述过程发展越快，灾害后果越严重。

本研究的重要结论是，串联电弧是诱发锂离子电池热失效的一种新型风险因素。与传统的热滥用（如外部加热）相比，电弧的作用过程具有动态变化的加热功率与面积、对电池的持续充电效应，并能直接点燃泄漏的可燃气体，从而在磷酸铁锂电池中诱发更剧烈的燃烧灾害，其危害机理与传统方式有显著区别。该研究揭示了BESSs中一个此前被忽视的重大安全隐患，明确了从“串联电弧”到“内部短路”再到“热失控”的完整灾害链条。

研究的亮点在于：第一，研究对象的创新性：首次系统性地聚焦于电池储能系统中的串联电弧故障，并将其作为独立的电池热失控触发因素进行深入研究，填补了该领域的知识空白。第二，研究方法的综合性：自主改进了适用于电池的电弧故障发生器，并构建了完整的实验平台，结合了电-热参数实时监测、高速影像记录、灾后CT扫描和物理解剖等多种手段，形成了从现象观测到机理剖析的完整证据链。第三，机理揭示的深刻性：不仅观察到了电弧引发热失控的现象，更通过细致的实验数据分析和残骸研究，定量地揭示了“隔膜损坏→内短路→极耳熔断→热失控”这一核心失效路径，并建立了相应的电路模型进行量化解释。第四，发现的重要性：明确了串联电弧是一种有别于传统滥用方式的新型热失控诱因，尤其是指出其在磷酸铁锂电池中可能引发剧烈燃烧的特性，这对储能系统的安全设计和防护策略提出了新的、更严峻的挑战。

此外，论文在最后一部分基于对电弧各阶段（生成、演化、熄灭）特征的认识，探讨了不同检测方法（如基于光/声信号的直接观测、基于电信号频谱分析的间接观测、基于人工智能的数据分析方法）在相应阶段的可行性与应用前景，为后续开发有效的电弧故障检测与保护技术提供了方向。

这项研究不仅深化了学术界对电池系统电气安全，特别是电弧危害的理解，其揭示的清晰灾害路径和量化分析模型，对储能系统制造商、系统集成商和安全标准制定机构具有重要的工程指导意义，强调了在BESSs中加强电弧故障早期预警和快速保护技术研发的紧迫性。