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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理：當(dāng)電氣安全間距小于電弧臨界擊穿距離時，高溫或機械破壞引發(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度，改變局部介質(zhì)環(huán)境；電連接點松動或化學(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)、安全與保護系統(tǒng)等。然而，電池受到熱、電、機械等濫用條件作用，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?，電弧溫度高達(dá)6000 K，遠(yuǎn)超儲能系統(tǒng)常用材料(鋼、鋁、銅等)熔點，因其高溫、高能量等特點極大增加了儲能電池?zé)崾Э厥鹿实奈：Τ潭?。因此，深入研究儲能電站中的電弧故障，明確電弧致災(zāi)機理及路徑，可為后續(xù)儲能電站中有針對性的安全防護設(shè)計提供參考，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)，電場強度超過介質(zhì)強度，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
長期運行中，電連接點松動或化學(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)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，云母紙在400 ℃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，加劇短路拉弧的風(fēng)險。
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)計了電池?zé)崾Э貒姲l(fā)顆粒物誘發(fā)電弧的實驗裝置，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)電弧實驗裝置圖
2025年，Zhang等搭建電弧發(fā)生實驗平臺，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時發(fā)生電弧。實驗中粒徑>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，實驗驗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度的安全設(shè)計模型，為電池系統(tǒng)防電弧設(shè)計提供了理論依據(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)計了電解液誘發(fā)電弧的實驗。
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
在實驗準(zhǔn)備就緒后開始進(jìn)行電解液誘發(fā)電弧的實驗，如圖7所示。該實驗電路由一個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)實驗發(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、膨脹或機械應(yīng)力等因素，連接電池的焊點可能會松動或斷裂。這將導(dǎo)致電池之間的連接點處形成電弧，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)電弧事件的實驗平臺，如圖9所示。實驗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 模擬電弧實驗平臺
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為電弧被嚴(yán)重?zé)龤В?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的實驗中電弧引發(fā)了嚴(yán)重的災(zāi)難。因此，實驗發(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，實驗發(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，實驗發(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)過實驗發(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?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。
隨著計算機技術(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)的物理機理和能量傳輸過程分別進(jìn)行考慮，其優(yōu)點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，并運用MHD方程組對限流器的電弧停滯過程進(jìn)行了計算。Enami等通過計算流體動力學(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)模擬了電極的運動。基于局部熱平衡(LTE)假設(shè)，通過溫度、壓力及氣體成分計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)致與實際工況存在偏差。鑒于電池系統(tǒng)電氣連接點眾多，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)，提高熱失控擴散風(fēng)險。
（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，電池連接點處會發(fā)生電弧，甚至?xí)T發(fā)電池?zé)崾Э?，提高?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)貼合實際事故發(fā)生情景，從實驗復(fù)現(xiàn)到建模仿真探究儲能系統(tǒng)中電弧發(fā)生機理、明確電池?zé)崾Э?電弧致災(zāi)的發(fā)展規(guī)律，從而加強儲能系統(tǒng)安全防護、降低災(zāi)難性事故發(fā)生的概率。
