锂离子电池串联电弧热电特性实验与模型分析研究报告

本研究由哈尔滨理工大学电气与电子工程学院的徐文强、周凯、高斌以及清华大学车辆与运载学院的卢兰光、黎亚伦共同完成。该研究发表于IET Energy Systems Integration期刊，于2024年7月10日被接受发表。论文题为《Experimental and model analysis of the thermoelectric characteristics of serial arc in prismatic lithium‐ion batteries》，旨在针对电动汽车及储能系统中锂离子电池系统因串联电弧故障引发的电气安全问题，进行深入的机理研究与危害评估。

一、 学术背景 研究的核心领域为电化学储能系统安全与电气故障诊断。锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命等优势，已成为电动汽车（EVs）和储能系统（ESSs）的主流选择。然而，大型电池系统由大量电池单体通过串联并联构成，依赖众多的电气连接片。在长期循环使用过程中，因电池老化膨胀或机械应力，连接点可能发生松动或断裂，从而可能引发电弧（Arc）。电弧具有极高的温度和能量密度，其核心温度可达数千甚至上万摄氏度，足以熔化电池系统的外壳结构，构成潜在的点火源。若在电池系统发生热失控或热蔓延过程中出现电弧，可能加速失控进程，破坏电池包，引燃或引爆可燃物，使得热阻断和热防护技术失效，增加事故能量释放，加大灭火难度。因此，研究串联电弧故障的特性、演化规律及其对电池系统的致灾行为，对于提升电池系统的电气安全设计、故障预警与防护至关重要。以往的电弧仿真研究多集中于交流（AC）电弧、直流（DC）电弧、电弧炉等领域，虽分析了电弧自身特性，但较少关注高电弧温度对电池系统本体的具体影响。本研究旨在填补这一空白。

二、 详细研究流程 本研究采用“建模仿真”与“实验验证”相结合的研究范式，流程主要分为三大步骤：建立并分析串联电弧有限元仿真模型、搭建实验平台进行系列实验、对比验证模型准确性。

第一步：建立与分析串联电弧有限元仿真模型。 研究对象为方形（prismatic）磷酸铁锂（LiFePO₄）电池。研究团队基于磁流体动力学（Magnetohydro-dynamic, MHD）方程，建立了一个方形电池串联电弧故障的二维轴对称有限元仿真模型。模型中，计算区域为42.5 mm × 20 mm的矩形，包含了铝电极、电池正极柱与铝壳、电池卷芯（Jellyroll）及空气域。为优化仿真效率与精度，研究引入了五个关键假设：忽略电弧产生启动过程；假设电弧等离子体满足局部热力学平衡；假设电弧具有轴对称性且等离子体流动为层流；假设电导率、热导率等材料属性仅与温度相关；忽略高电弧温度对电池和电极材料烧蚀的影响。

模型的控制方程为一组高度耦合的MHD方程，考虑了电场、磁场、流场和温度场的综合作用，具体包括：能量守恒方程、径向与轴向动量守恒方程、质量守恒方程、麦克斯韦方程、电流连续性方程以及欧姆定律。通过求解这组方程，可以模拟电弧发生过程中温度场、速度场、电场和磁场的变化。边界条件的设定至关重要：在电场中，边界6设置为与电路模块耦合的终端，施加直流高电位；边界1、3、4、5设为电绝缘；边界2接地。磁场中，除中心轴外所有边界设为磁绝缘。温度场和流场中，设置了初始温度、边界热源、出流口和壁面条件。

仿真分析主要在工作条件为电源电压（U_dc）= 200 V、回路电流（I_dc）= 20 A下进行，研究了电极间距（l）分别为0.5 mm和1 mm时的电弧电压，以及此时刻电弧周围的电场、温度场、磁场和流场分布。研究旨在确定电弧故障发生时，电场强度、磁通密度、电弧温度和流速的最大值及其位置。

第二步：搭建实验平台并实施系列实验。 研究团队自主搭建了能够模拟电弧发生的实验平台。该平台核心包括电弧故障发生器（Arc Fault Generator, AFG）、直流电源、负载电阻、霍尔电流传感器、高速数据采集卡、热电偶和高清摄像机。AFG是该研究的创新设备，主要由调节平台、绝缘夹具、移动滑块和步进电机组成，能够精确控制移动电极（尖端铝电极）与电池正极柱的分离速度和间距，从而可靠地诱发串联电弧。

实验对象为20 Ah方形磷酸铁锂电池，正极柱材料为铝。实验方案旨在模拟电池连接片松动或断裂导致的电弧故障。实验步骤标准化：首先确保电极与电池正极紧密接触；启动电路和步进电机，使电极以恒定速度（v = 0.153 mm/s）分离；通过高速数据采集记录电弧电压、回路电流、电池电压及电池表面温度（距电弧发生位置1 cm处）的演化波形；同时使用高清摄像机记录电弧形态变化。实验后，对电池正极和铝电极的烧蚀形貌进行观察。

研究设计了多组对比实验，以探究不同因素对电弧演化及致灾行为的影响，包括： 1. 不同电源电压（U_dc）：在回路电流为10 A和20 A的条件下，变化电源电压（如40 V, 42 V, 48 V, 50 V, 200 V），观察电弧能否稳定燃烧，确定产生稳定电弧的临界电源电压，并分析电弧燃弧时间的变化。 2. 不同回路电流（I_dc）：在固定电源电压200 V下，变化回路电流（20 A, 30 A, 40 A），研究电流对电弧电压、燃弧时间、电弧形态及对电池侵蚀严重程度的影响。 3. 不同电极间距（l）：在固定电源电压和回路电流（200 V + 20 A 及 200 V + 40 A）下，变化间距（0.5 mm, 1 mm），分析间距变化对燃弧时间和电弧稳定性的影响。

第三步：仿真与实验结果对比分析与模型验证。 此步骤是连接理论与实验的关键。研究将仿真模型预测的电弧电压（不同间距下）和电池壳体边缘指定点的温升曲线，与对应实验条件下测得的数据进行定量对比。通过计算误差，验证所建立的锂离子电池串联电弧MHD模型的准确性。

三、 主要研究结果 模型仿真结果： 1. 在U_dc = 200 V，I_dc = 20 A条件下，当电极间距l从0.5 mm增加至1 mm时，仿真得到的电弧电压从18.4 V增加至19.4 V，表明电弧电压随间距增大而增加。 2. 在l = 0.5 mm条件下，四个场的分布特征如下： * 电场：电弧区域电场强，最大值位于阴极附近，达5.04 × 10⁴ V/m。 * 温度场：电弧最高温度达到19，571 K。相比此前文献中圆柱电池在10 A下的电弧温度大幅提升，一方面因铝电极导热性低于铜，另一方面更主要的原因是回路电流的增大通过焦耳加热效应显著提高了电弧温度。 * 磁场：最大磁通密度（0.02 T）出现在铝电极尖端位置。 * 流场：流速主要集中于电极与电池之间的区域，最大流速为22.4 m/s。

实验结果： 1. 不同电源电压的影响： * 在I_dc = 10 A时，U_dc = 40 V无法形成稳定电弧（燃弧时间2.5 s < 电极分离时间3.3 s），而U_dc增至48 V和50 V时可产生稳定电弧（燃弧时间分别为4.3 s和7.1 s）。临界稳定电弧电源电压在48-50 V之间。 * 在I_dc = 20 A时，U_dc = 40 V同样无法稳定（燃弧时间2.8 s），但比10A时略长。U_dc增至42 V即可产生稳定电弧（燃弧时间4.4 s）。表明在更高电流下，诱发稳定电弧所需的临界电源电压降低（42-43 V）。 * 在不同电压下，方形电池正极起弧的最小电弧电压（U_arc,min）基本稳定在15 V左右，主要由电极材料和周围气氛决定。 2. 不同回路电流的影响： * 在U_dc = 200 V固定时，将I_dc从20 A增大到40 A，最小电弧电压U_arc,min基本不变，但总体燃弧时间急剧缩短（从26 s缩短至约4 s）。 * 高清摄像观察发现，40 A下的电弧波动更剧烈，弧光更耀眼，并伴有大量火花（高温溅射的铝颗粒）向外飞溅，表明对正极的侵蚀更为严重。 * 分析认为，高电流导致电弧功率倍增，剧烈波动的电弧消耗电极和电池盖板铝材的速度加快，迅速烧穿顶盖形成孔洞，导致电弧阴极消失，从而提前熄灭。实验后观察证实，40 A电流产生的电弧在电池正极上造成的烧蚀孔面积显著大于20 A。 * 在40 A实验中，还观察到一种特殊现象：电弧末期电压未跳变回电源电压，而电流恢复至起弧前水平。这表明电路被重新导通，原因是电弧高温使电池顶盖熔化形成熔珠，重新连接了铝电极尖端与电池正极。 3. 不同电极间距的影响： * 在U_dc = 200 V，I_dc = 20 A时，间距从0.5 mm增大到1 mm，燃弧时间从20.6 s显著缩短至13.2 s。原因是间距增大导致电弧长度增加，维持燃烧所需能量增加，在相同入射能量下难以维持更长的电弧。 * 在U_dc = 200 V，I_dc = 40 A时，结果出现反转：间距0.5 mm时燃弧时间4.1 s，间距1 mm时反而增至4.3 s。分析指出，在40 A强电流下，0.5 mm小间距导致铝电极尖端迅速熔化，由于间距小，熔化的铝可能重新连接电极与电池正极，导致电弧提前熄灭。增大间距避免了这种重连，反而延长了燃弧时间。 4. 电弧对电池的致灾表现：长时间的高温电弧作用会在电池正极表面烧蚀出孔洞，并有少量电解液从中流出，伴有刺激性气味。铝电极尖端也会出现熔化现象。

模型验证结果： * 电弧电压误差：在U_dc=200 V，I_dc=20 A条件下，l=0.5 mm和1 mm时，仿真电弧电压（18.4 V， 19.4 V）与实验值（18.9 V， 19.9 V）的误差在±0.5 V以内。 * 温度误差：在相同条件下，距电弧发生位置1 cm处的电池壳体边缘温升曲线，仿真与实验的均方根误差分别为1.45°C和2.66°C。相较于实验最高温度（131.2°C和120.8°C），误差百分比分别为1.1%和2.2%，均小于2.5%。 * 电压和温度误差均在较小范围内，有效验证了所建立的锂离子电池串联电弧MHD模型的准确性。

四、 研究结论 本研究通过构建基于MHD方程的方形电池串联电弧模型，并搭建可模拟电弧发生的实验平台，系统研究了不同电气参数和几何参数下锂离子电池串联电弧的演化规律与致灾行为，得出以下主要结论： 1. 所建立的模型能有效模拟电弧电压随间距增大的趋势，并揭示了电弧故障时电场、磁场、温度场和流场的空间分布特征，峰值位置明确。 2. 实验揭示了电弧触发与演化的关键电气规律：起弧前电弧电压为0，回路电流等于电路电流；起弧后电弧电压跃升，回路电流因电弧电阻而下降。产生稳定电弧存在临界电源电压，且该临界值随回路电流增大而降低。最小电弧电压由电极材料决定，基本恒定。增大回路电流会显著缩短燃弧时间并加剧对电池的侵蚀危害。电极间距对燃弧时间的影响与电流大小密切相关，在低电流下增大间距缩短燃弧时间，在高电流下可能因避免重连而延长燃弧时间。 3. 电弧对电池的主要致灾形式是在正极烧蚀出孔洞导致电解液泄漏，高电流会扩大孔洞面积，加剧危害。 4. 仿真与实验结果高度吻合，电弧电压误差小于±0.5 V，温度误差小于2.5%，证实了模型的有效性。

五、 研究意义与价值 科学价值：本研究首次将MHD电弧模型系统应用于锂离子电池系统的串联电弧故障分析，将电弧物理与电池安全两个领域深度结合。研究不仅揭示了电池系统内电弧的多物理场耦合特性，更重要的是定量分析了电弧参数（电压、电流、间距）与电弧行为（稳定性、燃弧时间）及最终致灾效果（烧蚀形貌）之间的复杂关系，为理解电池系统电气故障的深层机理提供了新的视角和详实的数据基础。 应用价值：研究成果对电动汽车和储能电池系统的安全设计、故障诊断与防护具有直接指导意义。研究确定的临界稳定电弧电压、电流与间距的关系，可为电池管理系统（BMS）中电弧故障检测算法的阈值设定提供依据。对电弧高温致灾（烧蚀穿孔、电解液泄漏）的明确认识，强调了在电池包结构设计、热管理及消防系统中考虑电弧危害的必要性。所验证的精确仿真模型可作为后续开发更复杂电弧防护方案（如新型灭弧装置）的有效辅助设计工具。

六、 研究亮点 1. 研究对象的针对性：聚焦于锂离子电池系统特有的串联电弧故障，直接关联当前电动汽车和储能领域的关键安全问题。 2. 研究方法的创新性：自主搭建了可精确控制电极分离的电弧故障发生器（AFG），实现了电池串联电弧的可重复、可控实验。 3. 多物理场建模的深度：基于完整的MHD方程建立有限元模型，深入揭示了电弧过程中电-磁-流-热四场的耦合分布与相互作用。 4. 系统化的参数研究：通过精心设计的实验矩阵，系统探究了电源电压、回路电流、电极间距三个关键参数对电弧特性影响的独立与交互作用，发现了高电流下间距影响的特殊反转现象。 5. 模型与实验的紧密结合：研究遵循了严格的“建模-实验-验证”闭环，通过高精度数据对比（电压误差<0.5V，温度误差<2.5%）强有力地证实了模型的可信度，使理论研究具有坚实的实验支撑。 6. 对致灾行为的直接观测：通过高清摄像和事后形貌分析，直观展示了电弧对电池本体的严重烧蚀破坏，将抽象的电气故障转化为具体可见的安全威胁，增强了研究的说服力和警示意义。