全尺寸储能容器：LiFePO4电池热失控气体扩散行为的特性分析与数值建模

《Process Safety and Environmental Protection》：Full-Scale Energy Storage Container: Characterization and Numerical Modeling of LiFePO4 Battery Thermal Runaway Gas Diffusion Behavior

　　

Jiamin Tian|Meilin Liu|Baohui Chen|Chuanping Wu|Tiannian Zhou

国家电网电力系统灾害防治与减灾重点实验室，中国湖南长沙410129

摘要

电池储能容器（BESC）是一个典型的密闭空间，集成了众多锂离子电池，一旦内部发生热失控，将面临严重的安全威胁。然而，全尺寸BESC中热失控气体的时空演变过程尚不清楚，且缺乏能够平衡早期预警效率和布局合理性的优化检测方法。因此，本研究系统地研究了280 Ah磷酸铁锂电池在全尺寸容器内的热失控气体的扩散行为和检测特性。首先，通过密封BESC的热失控实验，系统地揭示了温度升高、气体浓度演变和扩散路径，并阐明了热失控气体在舱内的典型阶段演变特征。随后，进一步比较了不同通风条件对气体积聚和扩散行为的影响。结果表明，将排气速率提高一倍可使浓度平台持续时间缩短60.7%，并将达到安全浓度水平所需的时间减少59.2%。此外，开发了一个包含内部障碍物的三维模拟模型，以分析不同热失控位置的气体浓度的时空演变过程以及相应检测器在空间域内的响应。最后，使用NSGA-II算法对检测器布置进行了多目标优化，并通过K-means聚类确定了最佳布局。这些发现为排气系统的设计和检测器的部署提供了理论指导，从而有助于提高锂离子电池储能系统的固有安全性。

引言

在碳达峰和碳中和目标的推动下，以及新型电力系统的建设背景下，磷酸铁锂（LFP）电池因其长循环寿命和高能量密度而被广泛应用于大规模储能站和分布式供电系统（Cheng等人，2025年；Qi等人，2024年）。然而，这种大规模集成带来了系统性的安全挑战，特别是在电池储能容器（BESCs）的密闭环境中（Wang等人，2019a；Wang等人，2012年）。随着LFP电池越来越多地集成到电池储能容器（BESCs）中，这些封闭空间的密闭性带来了重大的安全挑战（Xiao等人，2025年）。在热失控过程中，大量可燃气体在有限的体积内迅速生成并积聚，如果遇到点火源，将构成严重危险（如表1所示）。同时，实际工程应用面临两个关键挑战。一个是气体扩散路径的复杂性，因为容器内的众多障碍物使得热失控气体的三维扩散行为难以准确预测；另一个是检测器经济性和可靠性之间的权衡，因为过于密集的布局会导致高昂的成本，而检测器不足可能会产生盲点并延迟早期预警。因此，在电池储能容器层面进行安全研究，以揭示气体扩散模式并优化检测器布局，对于确保储能系统的安全发展具有重要意义。

尽管LFP电池的安全性已得到广泛研究，但大多数研究集中在电池单元或模块层面（Cheng等人，2024年；Liu等人，2025年；Zhang等人，2023年）。例如，Huang等人（Huang等人，2021年）比较了大型LFP电池和NCM电池在过热条件下的热失控行为。结果表明，NCM电池产生了强烈的喷射火焰和燃烧，而LFP电池在热失控过程中主要释放出浓密的白色烟雾。较少有研究关注密闭空间中的热失控行为。Mao等人（Mao等人，2024年）证明，在封闭环境中增强通风可以在一定程度上缓解压力积聚并加剧燃烧。Zhu等人（Zhu等人，2025a）报告称，增加纵向通风速度可以有效降低LFP电池在隧道密闭环境中产生的峰值CO浓度。然而，这些研究的规模和边界条件与全尺寸BESC的情况有显著差异，限制了它们在工程实践中的直接适用性。

最近的研究采用了数值模拟来研究容器层面的气体扩散。根据电池组和BESC层面的安全研究，电池的热失控行为主要涉及气体扩散、火灾和爆炸（Jia等人，2025年）。气体扩散是热失控早期的关键特征，也是火灾和爆炸等重大灾害的基础。Zalosh等人（Zalosh等人，2021年）基于对几起储能容器火灾事故的分析得出结论，大规模爆炸是由于热失控过程中储存的可燃气体迅速燃烧所致。可以得出结论，可燃气体的扩散和有效检测对于锂离子电池储能容器内的风险控制至关重要。Lou等人（Lou等人，2025年）表明，门开启角度显著影响热失控过程中的温度场。Jia等人（Jia等人，2024年）发现通风可以强烈抑制后期气体积聚。Chen等人（Chen等人，2025b）研究了电池热失控的动态气体生成特性，并提出了一种负压抽取方法来降低电池组中的热失控风险。Dong等人（Dong等人，2026年）开发了一个从电池组到储能容器的多层次气体扩散模型，表明良好的通风布局可以有效降低峰值气体浓度和危险条件的持续时间。Wang等人（Wang等人，2026年）研究了电池组压力释放阀对气体扩散的影响，表明优化这些释放阀的参数可以提高排气效率并抑制储存容器内的可燃气体峰值浓度。

热失控过程中产生的可燃气体具有快速扩散和强烈积聚的趋势，这使得检测器的数量和空间配置成为影响响应时间的关键因素（Liu等人，2024年）。此外，大多数现有研究关注通风条件、温度或气体浓度场，而对气体检测系统布局的优化关注较少。Huang等人（Huang等人，2023年）研究了不同结构电池组中热失控气体的扩散特性和分布模式，并发现通过捕捉电池的初始气体排放并战略性地部署传感器，可以实现电池热失控的早期预警。Zhu等人（Zhu等人，2025b）指出，气体排放过程伴随着声学信号的显著变化，并提出声学信号可以作为预测电池热失控的指标。Shi等人（Shi等人，2023年）研究了BESS容器内的气体扩散行为，并使用整数规划方法优化了检测器安装策略，从而能够在热失控发生前145秒实现早期预警。然而，尚未充分考虑气体扩散动态、空间异质性和检测延迟等因素，对检测器部署进行系统优化。

总之，现有关于锂离子电池安全性的研究缺乏将全尺寸BESC中可燃气体的时空扩散实验与容器内气体检测器布局优化相结合的系统和全面研究，未能实现两者的耦合分析并支持气体监测系统的科学设计。因此，本研究调查了280 Ah LFP电池在BESC密闭空间内的热失控相关的烟雾和气体扩散行为。通过实验改变通风排气能力和容器密封条件，系统地揭示了密封BESC中的气体生成过程、积聚特性和扩散模式。进一步利用数值模拟分析了存在内部障碍物时不同热失控位置的气体扩散情况以及不同空间区域中相应的检测器响应特性。基于这些结果，开发了一种优化的BESC检测器部署策略。

章节片段

电池样品

本研究使用的目标电池是280 Ah LFP电池，这种电池通常用于公用事业规模的储能系统。电池的关键规格列在表2中。实验用的BESS容器如图1所示。

在测试之前，每个电池都经历了三个预处理循环以确保一致性。在循环过程中应用了恒电流-恒电压（CC-CV）协议。具体来说，电池首先在0.5?C到2.5?V之间放电，然后

物理和数学模型

在本研究中，使用了Fire Dynamics Simulator（FDS）来建立电池储能容器内锂离子电池热失控的气体生成和扩散模型。FDS已广泛应用于电池热失控、燃烧和烟雾/气体扩散的数值研究中，其适用性和准确性已在相关研究中得到验证（Jia等人，2024年；Xie等人，2022年；Xu等人，2025年）。为了确保模拟和

结论

本研究系统地研究了全尺寸储能容器中电池热失控过程中的气体扩散行为，并提出了一种检测器部署的优化方法。主要结论如下：

（1）在密封条件下，烟雾扩散表现出明显的阶段性特征，遵循“靠近源头的积聚、地板水平扩散、浮力驱动的分层和整个容器的扩散”的演变路径。随着排气流量的增加，气体

未引用的参考文献

（Cheng等人，2025年；Qi等人，2024年；Wang等人，2019年；Wang等人，2012年；Xiao等人，2025年；Fernandes等人，2018年；Chen等人，2025年；Zhang等人，2025年；Qin等人，2022年；Wang等人，2023年；Zhang等人，2023年；Cheng等人，2024年；Mao等人，2024年；Zhu等人，2025年；Zalosh等人，2021年；Lou等人，2025年；Jia等人，2024年；Chen等人，2025年；Dong等人，2026年；Huang等人，2023年；Zhu等人，2025年；Wang等人，2019年；Xu等人，2025年；Aurbach等人，1995年；Feng等人，2018年；He等人，2024年，

CRediT作者贡献声明

Meilin Liu： 方法论、调查。Jiamin Tian： 编写——原始草案、验证、方法论、正式分析。Chuanping Wu： 编写——审阅与编辑、方法论。Tiannian Zhou： 编写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、数据管理。Deng Jie： 验证、监督、资源。Baohui Chen： 编写——审阅与编辑、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家电网公司科技项目（项目编号5100-202499473A-3-6-RW）的支持。