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摘 要 在全球能源轉(zhuǎn)型加速推進(jìn)的背景下，大規(guī)模儲能電站的安全運(yùn)行面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其中由熱失控誘發(fā)的電弧故障因其高溫、高能量特性，成為了加劇火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)的核心致災(zāi)因素。本文回顧了近年來對儲能系統(tǒng)電弧形成機(jī)理以及電弧對電池?zé)崾Э赜绊懙南嚓P(guān)研究，全面綜述了儲能電池系統(tǒng)中電池?zé)崾Э靥匦耘c各類電弧故障之間的聯(lián)系，系統(tǒng)總結(jié)了儲能系統(tǒng)中電弧形成的多路徑耦合機(jī)理：當(dāng)電氣安全間距小于電弧臨界擊穿距離時，高溫或機(jī)械破壞引發(fā)的絕緣失效可導(dǎo)致氣體介質(zhì)放電；熱失控噴發(fā)的高溫氣體、顆粒物、電解液可顯著降低絕緣強(qiáng)度，改變局部介質(zhì)環(huán)境；電連接點(diǎn)松動或化學(xué)腐蝕引發(fā)的結(jié)構(gòu)劣化會導(dǎo)致絕緣破損并演化為持續(xù)電弧。但目前電弧誘發(fā)機(jī)制研究仍存在局限性：發(fā)生方式以噴發(fā)物為介質(zhì)觸發(fā)為主，觸發(fā)位置發(fā)生在電池安全閥和極柱上，對電弧發(fā)生機(jī)理和以電解液為介質(zhì)觸發(fā)等研究不足。在電池電弧仿真領(lǐng)域，基于磁流體動力學(xué)的電弧多物理場模型雖能表征電弧穩(wěn)定燃燒后的溫度場、磁場與流場的耦合特征，但仍難以準(zhǔn)確模擬熱失控過程中電弧動態(tài)觸發(fā)行為，因此，急需發(fā)展融合“熱-電-力-化學(xué)”多場耦合的智能仿真模型，為儲能系統(tǒng)電弧災(zāi)害防控提供理論支撐與技術(shù)思路。本文旨在加深對儲能電池系統(tǒng)電弧發(fā)生特征理解，并為提高系統(tǒng)電氣安全提供思路，促進(jìn)儲能系統(tǒng)的高安全性發(fā)展。
關(guān)鍵詞 儲能系統(tǒng)；鋰離子電池；熱失控；電??；誘發(fā)機(jī)制
在全球能源需求持續(xù)激增和氣候變化日益嚴(yán)峻的背景下，世界各國都在推動儲能電力系統(tǒng)的發(fā)展，以適應(yīng)大規(guī)模和高比例的可再生能源應(yīng)用。儲能技術(shù)在緩解可再生能源波動、削峰填谷、調(diào)節(jié)頻率和電壓以及改善電能質(zhì)量方面具有顯著優(yōu)勢。儲能電站主要包括電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(EMS)、電力系統(tǒng)、冷卻與溫控系統(tǒng)、安全與保護(hù)系統(tǒng)等。然而，電池受到熱、電、機(jī)械等濫用條件作用，存在自身缺陷或在老化破損等原因時，極易發(fā)生熱失控(TR)，導(dǎo)致鋰離子電池(LIBs)溫度呈現(xiàn)不可控上升，常伴隨著H2、CO、CH4等氣體釋放。當(dāng)這些混合氣體在有限空間中遇到引火源或達(dá)到自燃溫度時極易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。近年來，各國頻發(fā)的儲能電池?zé)崾Э厥鹿?，不僅嚴(yán)重影響鋰離子電池在電化學(xué)儲能電站中的大規(guī)模應(yīng)用，也會對人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大威脅。在韓國光伏儲能多起火災(zāi)(2019)、澳大利亞儲能系統(tǒng)爆燃(2021)、美國亞利桑那州儲能電站事故(2022)等的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由電池?zé)崾Э?、高壓沖擊、冷卻液泄漏等原因?qū)е碌碾娀」收希娀囟雀哌_(dá)6000 K，遠(yuǎn)超儲能系統(tǒng)常用材料(鋼、鋁、銅等)熔點(diǎn)，因其高溫、高能量等特點(diǎn)極大增加了儲能電池?zé)崾Э厥鹿实奈：Τ潭取Ｒ虼?，深入研究儲能電站中的電弧故障，明確電弧致災(zāi)機(jī)理及路徑，可為后續(xù)儲能電站中有針對性的安全防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考，進(jìn)而降低儲能電站大規(guī)模事故發(fā)生的概率。
1 電弧發(fā)生類型
儲能系統(tǒng)的電弧形成是典型的多因素耦合過程，其核心機(jī)制可歸納為3類物理路徑(圖1)。
圖1 儲能電站電弧發(fā)生形式
（1）絕緣失效誘導(dǎo)型
電池形變、機(jī)械振動或裝配應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移(如電芯膨脹、匯流排形變)，使原本絕緣的部件出現(xiàn)金屬材料裸露。當(dāng)裸露導(dǎo)體與相鄰部件之間的安全間距減小至臨界擊穿距離時(如空氣中為1 mm/kV)，電場強(qiáng)度超過介質(zhì)強(qiáng)度，會引發(fā)氣體擊穿并形成導(dǎo)電通道。
（2）熱失控產(chǎn)物致變型
電池?zé)崾Э剡^程中噴發(fā)的高溫氣體與顆粒物改變了局部介質(zhì)環(huán)境：可燃性電解液蒸氣[碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)]降低絕緣強(qiáng)度(可降至空氣的20%~50%)；金屬微粒形成氣-固混合介質(zhì)，誘發(fā)非均勻場強(qiáng)畸變；顆粒沉積在絕緣表面形成導(dǎo)電通道。
（3）結(jié)構(gòu)劣化累積型
長期運(yùn)行中，電連接點(diǎn)松動或化學(xué)腐蝕導(dǎo)致絕緣破損，最終在高壓回路(如直流母線、高壓觸點(diǎn))產(chǎn)生局部放電，逐步演化為持續(xù)電弧。
不同路徑引發(fā)的電弧放電進(jìn)一步加快熱蔓延甚至?xí)紵?，形成“熱失?絕緣失效/電場改變/導(dǎo)電通道-電弧-熱蔓延/燃燒”的災(zāi)難級聯(lián)效應(yīng)。
2 電弧誘發(fā)機(jī)理研究
2.1 絕緣材料失效誘發(fā)電弧
在儲能系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)鏈中，絕緣材料失效是引發(fā)電弧故障的核心原因之一。隨著電池能量密度的持續(xù)提升和電壓平臺的升級，絕緣材料面臨更嚴(yán)苛的電-熱-機(jī)械應(yīng)力耦合挑戰(zhàn)。儲能系統(tǒng)絕緣材料需要同時滿足電絕緣性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械可靠性要求。電池?zé)崾Э睾髿埡〉母邷?、噴發(fā)的顆粒和氣體均破壞材料的絕緣性。電池系統(tǒng)全生命周期的老化也會影響絕緣特性。當(dāng)絕緣材料失效后，電池之間、電池與系統(tǒng)內(nèi)其他附件之間若存在高壓回路，則會誘發(fā)電弧，從而造成更嚴(yán)重的災(zāi)害。
黃懷宇等研究了高壓條件下軟包電池鋁塑膜外殼絕緣失效引發(fā)的熱失控，明確了鋁塑膜在電壓大于400 V下的擊穿特性及熱失控演化路徑。牛騰騰等研究了高壓電池儲能系統(tǒng)電場分布及結(jié)構(gòu)膠缺陷導(dǎo)致絕緣失效問題，提出了需要對高壓電池簇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行絕緣加固。Chen等結(jié)合鋰離子電池的失效特征，闡明了殼體絕緣失效引發(fā)的過電壓通過枝晶生長誘發(fā)熱失控的過程。
本文作者課題組選用電池系統(tǒng)內(nèi)常見的絕緣材料，包括云母紙、隔熱氣泡膜、結(jié)構(gòu)膠以及電池藍(lán)膜，對其開展高溫測試并測量電阻變化，如圖2所示。將絕緣材料置于箱式爐內(nèi)，以10 ℃/min的升溫速率升至400 ℃加熱1 min后，開始自然降溫。在此過程中，云母紙?jiān)?00 ℃內(nèi)形狀變化差異不大，隔熱氣泡膜和電池藍(lán)膜在300 ℃內(nèi)形狀變化微小，但在400 ℃時出現(xiàn)明顯的收縮形變。而儲能系統(tǒng)中使用范圍較廣、用量較大的結(jié)構(gòu)膠在200 ℃時開始發(fā)生熱解，在300 ℃時已經(jīng)軟化失去原有形狀，在400 ℃時完全熔化。使用Keithley高阻表測量不同溫度下絕緣材料的電阻值，見表1。各絕緣材料受高溫作用后，電阻值增長，但因高溫發(fā)生收縮或缺損，從而使得帶電位置失去絕緣保護(hù)，加劇短路拉弧的風(fēng)險(xiǎn)。
圖2 (a) 絕緣材料樣品；(b) 箱式爐；(c) 熱處理后的絕緣材料
表1 絕緣材料在不同溫度下的電阻值
2.2 顆粒誘發(fā)電弧
電池?zé)崾Э貒姲l(fā)出大量高溫可燃煙氣和固體顆粒物。顆粒物隨煙氣流動，當(dāng)顆粒物沉積在系統(tǒng)內(nèi)的高壓部件之間時，會誘發(fā)電弧。現(xiàn)有研究對不同體系、不同封裝形式、不同容量電池在不同觸發(fā)方式下發(fā)生熱失控噴發(fā)的顆粒物進(jìn)行了詳細(xì)研究，主要包括顆粒物的噴發(fā)質(zhì)量、粒徑分布、元素組成、化學(xué)成分類型和形態(tài)等，如圖3所示。2019年，Zhang等開展了對鋰離子電池在熱失控過程中噴發(fā)顆粒的研究，重點(diǎn)研究了噴發(fā)顆粒物的尺寸分布和元素組成。Essl等使用掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線譜(EDS)分析研究了熱濫用軟包鋰離子電池的形態(tài)和化學(xué)成分類型。Wang等采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、熱重分析(TG)和差熱分析來研究熱濫用棱柱形鋰離子電池噴發(fā)顆粒的熱氧化特性。Wang等提出了一種電池排氣過程的多尺度模型，并可視化了粒子的噴射、擴(kuò)散和沉積過程。Wang等明確了具有不同陰極材料的熱濫用LIBs釋放的顆粒的尺寸分布、元素組成、形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)。
圖3 電池?zé)崾Э貒姲l(fā)顆粒物研究進(jìn)展
2024年，Li等設(shè)計(jì)了電池?zé)崾Э貒姲l(fā)顆粒物誘發(fā)電弧的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置包括直流電源(電壓U0)、由相距一定距離的電極片組成的電弧產(chǎn)生區(qū)域(區(qū)域電壓U，電阻R)、負(fù)載電阻R0、電流表，高速數(shù)據(jù)采集器等，顆粒填充在電極間隙中模擬電池噴發(fā)后顆粒沉積引發(fā)電弧的情況，如圖4(a)所示。圖中I為回路電流，T1和T2是布置在電極片上的熱電偶，采集電弧發(fā)生后電極上的溫度變化。在密閉環(huán)境中收集熱失控噴發(fā)顆粒后，利用搭建的可調(diào)節(jié)電極間距、負(fù)載電阻的測試系統(tǒng)，分別研究了顆粒尺寸、電極間隙、回路電阻與電弧臨界電壓的關(guān)系。對于Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2鋰離子電池，其顆粒誘發(fā)電弧的臨界擊穿電壓最低為(99±5) V(電極間距為1 mm)，在4 mm電極間距下為(155±5) V(僅為空氣擊穿電壓的1.2%)。揭示了熱失控噴發(fā)過程中局部電暈放電、顆粒誘發(fā)電弧和過渡態(tài)電弧3種電弧模式。
圖4 顆粒物誘發(fā)電弧實(shí)驗(yàn)裝置圖
2025年，Zhang等搭建電弧發(fā)生實(shí)驗(yàn)平臺，通過在電池安全閥口上方設(shè)置留有一定距離的通電電極，結(jié)合高頻電信號采集與噴射物成分分析，研究熱失控噴射過程中實(shí)時發(fā)生電弧。實(shí)驗(yàn)中粒徑>2 mm的碎片(占噴發(fā)物總質(zhì)量的5.78%)引發(fā)電弧的概率，比顆粒物為介質(zhì)時高出300%，主要原因是碎片的電阻值比顆粒(Li等的研究)低兩個數(shù)量級的電阻。本文通過電阻實(shí)測，首次證明金屬碎片是持續(xù)電弧的主要誘因。同時，建立安全邊界方程Uc≥4.08L2(Uc為電弧發(fā)生區(qū)的電壓，L為電極間隙的距離)，推導(dǎo)出400 V/800 V/1500 V系統(tǒng)的最小安全間距，為電池包防電弧設(shè)計(jì)提供了新思路。
在填充顆粒物誘發(fā)電弧的研究中，石墨占比約70%的顆粒物能顯著降低空氣絕緣強(qiáng)度，使其擊穿電壓降至純空氣環(huán)境的0.9%~2.3%。電極間距在1～8 mm內(nèi)時，電弧擊穿電壓與間距二次正相關(guān)，當(dāng)間距>8 mm時顆粒物無法在400 V內(nèi)誘發(fā)電弧。同時，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電弧擊穿電壓與粒徑負(fù)相關(guān)，大顆粒(尺寸>100 μm)更易誘發(fā)電弧，而負(fù)載電阻R對擊穿電壓的影響不大?；谝陨蠑?shù)據(jù)，Li等提出了臨界擊穿電壓圖譜，結(jié)合電極間距與顆粒尺寸預(yù)測擊穿電壓邊界，如圖5(a)、(b)所示。圖中U為回路電壓，d0為電極間距，D0為樣品顆粒粒徑，CBV為電弧發(fā)生瞬間前的電壓和擊穿所需最小電壓的平均值，F(xiàn)it為CBV的擬合曲線。在噴發(fā)顆粒物誘發(fā)電弧的研究中發(fā)現(xiàn)，噴發(fā)顆粒物中的金屬碎片(尺寸>2 mm)雖然僅占總質(zhì)量的5.78%，但因其電阻極低(Cu：1.11～3.99 mΩ)且易卡在電極間，顯著降低了電弧擊穿電壓。同時，首次系統(tǒng)闡明了熱失控噴發(fā)顆粒物誘發(fā)電弧多種模式的機(jī)制。結(jié)合電信號高頻采集與顆粒物物性測試(電阻率、成分等)，定量分析了電弧模式與顆粒物特性的關(guān)系，提出了基于臨界電場強(qiáng)度的安全設(shè)計(jì)模型，為電池系統(tǒng)防電弧設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，如圖5(c)、(d)所示。
圖5 (a) 電極間距和粒徑的臨界電壓圖；(b) 一種預(yù)防顆粒物誘發(fā)電弧的參數(shù)評估和設(shè)計(jì)方法；(c) 3種不同電弧模式示意圖；(d) 電弧臨界電壓和電極間距的邊界關(guān)系
2.3 電解液誘發(fā)電弧
儲能電站中多使用磷酸鐵鋰電池，其熱失控噴發(fā)物包含大量的電解液以及電解液與顆粒的混合物。因此，電解液誘發(fā)的電弧機(jī)理對儲能電站的安全性至關(guān)重要。本文作者課題組針對儲能電站中電解液誘發(fā)電弧的問題，模擬了電站中電芯和電芯之間外殼遭受電解液噴發(fā)的侵蝕，同時經(jīng)受高壓的情況。以鋁和鋁為電極組合，電解液為介質(zhì)，設(shè)計(jì)了電解液誘發(fā)電弧的實(shí)驗(yàn)。
電弧發(fā)生區(qū)域采用的是一種絕緣耐高溫塑料載具，如圖6所示。將電解液滴入槽中，然后將兩個極片伸進(jìn)電解液中并且可以隨意調(diào)整間距，由于電弧發(fā)生位置最高溫度可達(dá)上千攝氏度，為避免溫度傳感器在電弧發(fā)生時被燒毀，將其布置在距離電弧發(fā)生點(diǎn)約5 mm處。其中，注液量是根據(jù)塑料載具可以盛放的體積來確定的，保證每組間隙的注液量一致。
圖6 電解液誘發(fā)電弧電路
首先，對所使用的電解液進(jìn)行電導(dǎo)率的測試。通過對電解液電導(dǎo)率的測試以此來判斷電解液的導(dǎo)電程度。如表2所示，電解液的電導(dǎo)率大約為13.45 mS/cm，銅、鋁在室溫下的電導(dǎo)率分別為5.8×108 mS/cm、3.5×108 mS/cm，由此可知，電解液在高壓下無法直接導(dǎo)通形成短路回路。
表2 電解液電導(dǎo)率測試值
在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備就緒后開始進(jìn)行電解液誘發(fā)電弧的實(shí)驗(yàn)，如圖7所示。該實(shí)驗(yàn)電路由一個0～1000 V的直流電源控制，直流電源在第12 s的時候開啟并施加235 V的電壓，可以看到在電源打開的一瞬間電極和電解液之間出現(xiàn)了1 s的電光，但是該現(xiàn)象并未將兩極片導(dǎo)通發(fā)生拉弧，這也是由前面所分析的電解液不導(dǎo)電所致的，可能只是電源打開的一瞬間，電壓瞬間增加、溫度也瞬間增大。隨后，18～28 s之間電解液由于高壓電產(chǎn)生的高溫迅速蒸發(fā)并伴隨著白煙，蒸發(fā)后電解液變成黑色的糊狀物，與此同時28～30 s之間黑色糊狀物的表面出現(xiàn)弧狀閃光，伴隨著2 s的弧狀閃光逐漸變亮，在第30 s的時候突然發(fā)生拉弧并伴隨劇烈的弧光，此刻鏡頭無法記錄電弧的形狀，觀測到耀眼的弧光，測溫點(diǎn)的溫度在30～39 s之間迅速增加到890 ℃左右，此刻根據(jù)測溫點(diǎn)的溫度和弧光的顏色可以推測電弧發(fā)生位置的溫度在6000 ℃左右。電弧結(jié)束后依然有微弱的火焰存在并持續(xù)了1 s，而后經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)鋁電極的表面出現(xiàn)非常嚴(yán)重的燒蝕痕跡，并且鋁電極的部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了熔融。
圖7 電弧發(fā)生過程
經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電解液誘發(fā)電弧會伴隨著高溫和火焰，目前大多數(shù)磷酸鐵鋰電池趨向于大容量且會在電池包中放置更多的電芯，因此磷酸鐵鋰電池一旦熱失控則會出現(xiàn)大量的液態(tài)噴發(fā)物并覆蓋在裸露的電極之間，如果此時電池發(fā)生短路則會瞬間引發(fā)拉弧導(dǎo)致高溫燃燒。隨之而來的是，熱失控噴發(fā)的可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃甚至?xí)l(fā)爆炸。因此，后續(xù)對電解液誘發(fā)電弧的研究應(yīng)盡快展開，以解決目前面臨的電池安全問題。
3 誘發(fā)電弧危害
在儲能系統(tǒng)和電動車輛中，為滿足系統(tǒng)的功率輸出要求，電池系統(tǒng)將多個電池單元和模組進(jìn)行串并聯(lián)。因此，系統(tǒng)內(nèi)部串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對系統(tǒng)安全性至關(guān)重要。在電池系統(tǒng)的循環(huán)過程中，由于電池老化、膨脹或機(jī)械應(yīng)力等因素，連接電池的焊點(diǎn)可能會松動或斷裂。這將導(dǎo)致電池之間的連接點(diǎn)處形成電弧，如圖8所示。因此，電弧放電加上高溫影響可能會導(dǎo)致電池端子和連接器出現(xiàn)嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕問題。這不僅顯著縮短電池壽命，更嚴(yán)重威脅系統(tǒng)運(yùn)行安全，甚至可能觸發(fā)熱失控連鎖反應(yīng)導(dǎo)致火災(zāi)。
圖8 電池連接點(diǎn)處的電弧問題
為了研究電弧的危害，構(gòu)建一個模擬電池系統(tǒng)電弧事件的實(shí)驗(yàn)平臺，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)平臺主要包括主電路和測量設(shè)備。其中，主電路由直流電源、電弧觸發(fā)裝置、電池、電子負(fù)載組成。電池系統(tǒng)由直流電源代替，以模擬不同的輸出電壓，表示為Udc，Idc為回路電流，Uarc為電弧電壓，UB為電池電壓，TB為電池溫度。電弧發(fā)生裝置的一端通過絕緣夾固定到電池，而另一端將電極尖端固定到可移動滑塊。使用控制器調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)速度，進(jìn)而控制電極的移動以及電極與電池之間的距離。當(dāng)滿足電弧產(chǎn)生條件時，電極和電池之間的氣隙將被突破，導(dǎo)致電弧發(fā)生。
圖9 模擬電弧實(shí)驗(yàn)平臺
首先，研究了不同SOC情況下電弧對電池的影響。圖10展示了4種不同SOC水平下電池電弧演變的系列過程，可分為4個階段：階段Ⅰ弧前啟動，階段II電弧演變，階段III電弧熄滅和階段IV電池?zé)崾Э亍?/span>
圖10 具有不同SOC水平的電池中串聯(lián)電弧波形 (a) 0%SOC；(b) 30%SOC；(c) 60%SOC；(d) 100%SOC
階段II早期，電弧表現(xiàn)為明亮的藍(lán)白色光。此外，電弧點(diǎn)燃頂蓋上的絕緣材料并產(chǎn)生火焰，如圖10所示。對于圖10(a)、(b)，在電弧的持續(xù)作用下，銅電極的消耗增加了弧長，需要更大的輸入功率來維持燃燒。在圖10(b)的階段IV中，在電弧熄滅后10.1 s，大量白色煙霧開始從負(fù)極端子附近泄漏。磷酸鐵鋰電池產(chǎn)生的白色煙霧主要由大量可燃?xì)怏w和電解質(zhì)蒸氣組成。這是由電弧持續(xù)高溫發(fā)生的不可逆反應(yīng)造成的。負(fù)極端子附近的絕緣密封材料因?yàn)殡娀”粐?yán)重?zé)龤?，?fù)極端子與頂蓋之間形成孔洞，使得電池內(nèi)部的白色煙霧泄漏。在圖10(c)、(d)中，電弧熄滅之前，在負(fù)極端子附近發(fā)生火焰噴射現(xiàn)象。通常，在LiFePO4電池的TR過程中，若沒有火花等引火源其不容易發(fā)生燃燒，與階段IV相似，如圖10(b)所示。然而，圖10(c)、(d)階段IV中的火焰噴射現(xiàn)象發(fā)生在電弧熄滅之前，電弧點(diǎn)燃可燃煙氣。因此，電弧加劇了LiFePO4電池的損壞。由于電池的嚴(yán)重內(nèi)部故障，電路中斷，在30%、60%和100%SOC的實(shí)驗(yàn)中電弧引發(fā)了嚴(yán)重的災(zāi)難。因此，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電池SOC越高，電弧引起電池故障所需的時間越短，電池災(zāi)難的程度(火焰蔓延、質(zhì)量損失和膨脹尺寸)越嚴(yán)重。
回路電壓的大小不同也會對電弧的產(chǎn)生有影響。圖11為20 A工作條件下充電回路電流為20 A，電源電壓在40 V、42 V、50 V時的電弧電壓、回路電流的波形。當(dāng)電流為20 A、分離間隙為0.5 mm時，電壓為40 V時電弧發(fā)生時間為2.8 s，42 V為4.4 s，50 V為7.1 s。因此，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓越大時電弧發(fā)生時間越長。
圖11 在回路電流為20 A，不同電源電壓 (a) 40 V、(b) 42 V和 (c) 50 V情況下，產(chǎn)生的電弧和電壓
回路電流的大小不同也會影響電弧的發(fā)生。圖12顯示了電源電壓Udc為200 V和回路電流Idc為20 A、30 A和40 A時電弧電壓、回路電流和電池電壓的波形。當(dāng)電壓為200 V、分離間隙為0.5 mm時，電流為20 A時，電弧發(fā)生時間為20.3 s，30 A為5.7 s，40 A為4.4 s。從圖12可以看出，當(dāng)回路電流在相同的電源電壓下從20 A增加到40 A時，最小電弧電壓Uarc,min基本保持不變，但總的電弧發(fā)生時間大大縮短。如圖12所示，電弧穩(wěn)定燃燒時電壓大小基本相同，40 A時的回路電流是20 A時的2倍。因此，高功率的電弧會消耗更多的材料來維持燃燒，這使得整體電弧演變更加激烈，會出現(xiàn)電流變大時電弧發(fā)生時間變短的情況。
圖12 Udc為200 V和回路電流 (a) 20 A、(b) 30 A和 (c) 40 A時的電弧、電壓波形
不同間隙的大小也會對電弧的產(chǎn)生有影響。圖13展示了當(dāng)Udc=200 V和Idc≈20 A時，不同間隔距離下的電弧電壓、回路電流、電池電壓的波形。從圖13中可以看出，當(dāng)間距L=0.5 mm時，電弧發(fā)生時間為20.6 s，增大間距L為1 mm時變?yōu)?3.2 s，電弧發(fā)生時間明顯縮短，主要原因是距離的增加導(dǎo)致電弧長度增加，這需要更多的輸入能量來維持燃燒。因此，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分離間隙越大電弧發(fā)生時間越短。
圖13 在20 A的回路電流下，不同分離間隙的電弧、電壓波形 (a) 0.5 mm；(b) 1 mm
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SOC、電壓、電流、電極間距對電弧的劇烈程度以及電弧發(fā)生時間都有很大的影響，這些變量直接影響到電弧是否會發(fā)生以及發(fā)生的快慢。當(dāng)SOC越大時電弧發(fā)生時間越短，電弧所引發(fā)電池的熱失控越劇烈，當(dāng)電壓越大時電弧發(fā)生時間越長，當(dāng)電流越大時電弧發(fā)生時間越短，當(dāng)分離間隙越大時電弧發(fā)生時間越短。這些規(guī)律可以為后續(xù)的研究提供一些參考。
4 電弧誘發(fā)建模
目前，針對電池?zé)崾Э睾蟾邏合到y(tǒng)電弧擊穿行為的全耦合模型仍屬空白。電弧仿真一般是用非線性微分方程等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行，通過假設(shè)和簡化為模型提供輸入值和邊界條件，利用數(shù)值計(jì)算的方法求解電弧模型，從而得到電場、磁場、溫度場、流體場等多種物理場參數(shù)。電弧仿真的核心在于準(zhǔn)確描述等離子體的電-熱-流體多物理場耦合行為。根據(jù)建模原理與適用尺度，現(xiàn)有模型可分為3類：黑箱/經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒋帕黧w動力學(xué)(MHD)模型、微觀粒子模型。傳統(tǒng)電弧研究中的一維電弧模型普遍采用以Cassie和Mayr為代表的黑箱模型，二者計(jì)算公式簡便，但均存在局限性，只能描述電弧外部特性，忽略了電弧在發(fā)展過程中內(nèi)部的復(fù)雜變化過程，一般只對電弧的定性研究使用。后續(xù)也有一些學(xué)者基于這兩個模型提出了改進(jìn)的電弧模型，但是電弧具有非常復(fù)雜的物理過程，這些數(shù)學(xué)模型都有局限性，一般用于定性分析。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，同時人們對電弧等離子體的認(rèn)識逐漸加深，在對電弧仿真研究中對電弧動態(tài)模型的考慮越來越全面。Ragaller等在二維電弧模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合流注理論對電弧弧后介質(zhì)的恢復(fù)特性進(jìn)行了研究。Niemeyer提出了一種基于物理機(jī)理的電弧模型，該模型將電弧通道分為電流區(qū)、氣流區(qū)以及壁區(qū)，對不同區(qū)域內(nèi)的物理機(jī)理和能量傳輸過程分別進(jìn)行考慮，其優(yōu)點(diǎn)在于可以考慮電弧通道內(nèi)多種物理效應(yīng)的相互作用，能夠更加準(zhǔn)確地描述電弧的形態(tài)和特性。Beilis等在建立的電弧模型中假設(shè)電弧等離子體處于非局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)(離子與電子二者為不同的溫度)，將離子溫度與電子溫度設(shè)為常數(shù)，該模型克服了MHD模型的不足，不僅加入了電磁與流體力學(xué)方程，而且考慮了它們之間的相互影響，將電磁與流體力學(xué)方程聯(lián)合求解計(jì)算，但是這個模型也有不足，其認(rèn)為電弧宏觀上為電中性的，忽略了能量平衡方程，將電弧等離子體中的電子與離子當(dāng)成理想狀態(tài)氣體。
對于三維電弧模型，Merck等在質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒的基礎(chǔ)上，考慮了電弧發(fā)生過程中的氣體游離與復(fù)合的情況建立了新的電弧模型，并運(yùn)用MHD方程組對限流器的電弧停滯過程進(jìn)行了計(jì)算。Enami等通過計(jì)算流體動力學(xué)仿真研究了模制殼體斷路器中的電弧行為，考慮了金屬蒸氣(Cu、Ag/W、Fe)與分解氣體(CO2、H2)的影響，并采用網(wǎng)格變形與重劃分技術(shù)模擬了電極的運(yùn)動?；诰植繜崞胶?LTE)假設(shè)，通過溫度、壓力及氣體成分計(jì)算了電弧等離子體的熱力學(xué)性質(zhì)。
在電池系統(tǒng)電弧仿真研究中，Xu等和Dong等針對串聯(lián)電弧故障導(dǎo)致的鋰離子電池系統(tǒng)電氣安全問題，基于磁流體動力學(xué)方程建立了串聯(lián)電弧故障下方形電池有限元仿真模型，分析了不同電極間距下的電弧電壓，研究了電場分布、磁場分布、電弧溫度和電弧周圍的流速，以確定電弧故障時電場強(qiáng)度、磁通量密度、電弧溫度和流速的最大值和位置，分析了電弧的電熱耦合特性，進(jìn)一步獲得了電弧多物理場的分布。
圖14 (a) 電池極柱的電弧模型；(b) 溫度場；(c) 磁通量密度；(d) 流速變化
當(dāng)前儲能電池系統(tǒng)熱失控電弧模型研究仍處于起步階段。傳統(tǒng)模型的特定假設(shè)導(dǎo)致與實(shí)際工況存在偏差。鑒于電池系統(tǒng)電氣連接點(diǎn)眾多，且熱失控引發(fā)的高溫、噴發(fā)物、安全距離動態(tài)變化等復(fù)雜因素，構(gòu)建“熱-電-力-化學(xué)”多場耦合的致災(zāi)機(jī)理模型面臨重大挑戰(zhàn)。
5 結(jié)語與展望
本文系統(tǒng)解析了電弧誘發(fā)機(jī)制，從絕緣失效、噴發(fā)介質(zhì)、電弧-電池相互作用及建模仿真等維度，綜述了儲能電池系統(tǒng)熱失控電弧致災(zāi)研究進(jìn)展：
（1）高溫環(huán)境下絕緣材料(如結(jié)構(gòu)膠)在≥300 ℃時軟化失效，可能會導(dǎo)致電氣安全間距低于臨界擊穿距離時直接引發(fā)電弧。
（2）電池噴發(fā)顆粒物可以使擊穿電壓降至純空氣環(huán)境的0.9%~2.3%?，F(xiàn)有研究揭示尺寸>100 μm的顆粒和金屬碎片更易引發(fā)電弧。電解液泄漏后，受高壓作用，會觸發(fā)爆燃鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，提高熱失控?cái)U(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。
（3）電池系統(tǒng)內(nèi)部電連接器眾多，由于電池老化、膨脹等因素，電池連接點(diǎn)處會發(fā)生電弧，甚至?xí)T發(fā)電池?zé)崾Э兀岣邽?zāi)害發(fā)生概率。
儲能電池系統(tǒng)熱失控電弧誘發(fā)及仿真模型研究多基于特定的條件和假設(shè)，與實(shí)際電池系統(tǒng)內(nèi)電弧的發(fā)生存在差異。后續(xù)研究應(yīng)貼合實(shí)際事故發(fā)生情景，從實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)到建模仿真探究儲能系統(tǒng)中電弧發(fā)生機(jī)理、明確電池?zé)崾Э?電弧致災(zāi)的發(fā)展規(guī)律，從而加強(qiáng)儲能系統(tǒng)安全防護(hù)、降低災(zāi)難性事故發(fā)生的概率。
