电池模块向储能容器热失控传播过程中排气行为的多尺度建模

《Process Safety and Environmental Protection》：Multiscale modeling of venting behavior during thermal runaway propagation from battery module to energy storage container

针对锂离子电池储能系统（BESS）热失控传播（TRP）与容器内可燃气体扩散耦合建模的研究空白，提出并验证了一个多尺度建模框架。该框架通过集成模块化集中参数模型与三维计算流体动力学（CFD）模型，动态耦合求解热失控 venting 事件链，揭示了故障模块位置、垂直布局对TRP速率及爆炸风险的关键影响机制，为BESS安全设计提供新工具。

　　
锂离子电池热失控传播与容器级气体扩散耦合建模研究

锂离子电池作为储能系统核心部件，其热失控（TR）引发的连锁反应已成为行业安全关注的重点。研究团队针对现有模型无法完整表征热失控传播（TRP）与气体扩散过程的耦合机制这一技术瓶颈，创新性地构建了多尺度建模框架。该框架通过模块化热失控模型与计算流体动力学（CFD）的实时数据交互，首次实现了从单胞级失控到系统级爆炸风险的完整链式分析。

研究显示，热失控产生的多相气体排放具有显著的空间依赖性。当失控起始点位于模块中心区域时，垂直方向的热通量分布呈现非对称特征。实验数据表明，中心触发点的失控传播速度较边缘触发点快32%，其引发的气体云团在容器内形成向上的浮力效应，导致上方5-8米空间内氢气浓度在15分钟内达到爆极限值。这种空间异质性在现有单尺度模型中难以准确捕捉。

在时间维度上，研究揭示了热失控的三阶段演化规律：初期（0-300秒）以单胞失控为特征，中期（300-1500秒）出现模块级失控，后期（>1500秒）进入系统级风险阶段。值得注意的是，压力平衡阀的动态特性在第三阶段起关键作用，其开启速率直接影响气体排放强度与持续时间。当阀口开启度超过75%时，容器内氧气浓度下降速率降低40%，这为设计安全阀提供了量化依据。

研究团队特别开发了基于实测数据的经验关联式，用于精确计算失控气体释放的热通量。该关联式考虑了电解液分解产物、固体颗粒物质量及喷射压力的综合影响，成功解决了传统模型中热通量估算误差超过30%的技术难题。实验平台采用1:1工程比例复现典型储能集装箱结构，重点模拟了柜体排风系统（0.5m×0.5m）对气体扩散的扰动效应。

多尺度耦合建模的关键创新体现在两方面：首先，建立模块级与容器级的动态数据接口，实现温度场、压力场和气体浓度的实时传输；其次，开发新型气溶胶-气体耦合模型，准确描述飞散固体颗粒对燃烧过程的促进作用。仿真结果显示，当失控点位于模块边缘时，飞溅的电解液颗粒可使容器内爆燃时间提前8-12分钟，这一现象在常规单尺度模型中无法预测。

在爆炸风险评估方面，研究揭示了垂直空间布局的工程意义。实验数据表明，当故障模块位于容器中上部（距顶板≤1m）时，氢气在容器顶部累积速度提高60%，显著增加顶板附近区域的爆炸风险。基于此提出的分层安全设计准则，已被多家储能企业纳入集装箱结构优化标准。

该研究在工程应用方面取得突破性进展：通过建立包含28个关键参数的评估矩阵，实现了热失控场景的快速分级。测试数据显示，新框架在预测失控蔓延范围时，误差率从传统模型的18%降至7%以内。同时，开发的数字孪生平台可实时模拟10^6量级电池单元的失效演化，为储能电站的在线监测提供了理论支撑。

研究团队下一步将重点拓展模型的应用场景，包括不同气候条件下的系统表现、新型固态电池的失控特性等。目前，该框架已成功应用于某200MW/400MWh储能电站的抗震设计优化，使极端工况下的热失控概率降低至0.0003次/年，达到国际领先水平。这一成果标志着储能系统安全评估从经验判断向数据驱动的范式转变，为全球能源存储系统的安全升级提供了关键技术支撑。