随着锂离子电池(lithium-ion battery, LIB)在电子设备、新能源汽车和储能电站等领域的广泛应用^[1-2]，LIB模块热失控(thermal runaway, TR)引起的火灾爆炸事故危险性呈上升趋势^[3-4]，严重阻碍了LIB产业的发展。研究有效抑制LIB模块TR及其传播的技术措施具有重要意义, 国内外学者对LIB模块TR及其在电池模块内的传播机制和防控技术进行了大量理论、试验和数值模拟研究^[5-7]。Larsson等^[8]分析了7种LIB火灾产生的HF、POF₃等有毒气体的危害。文[9-10]发现不同LIB模块TR后的反应气体有一定的燃烧和爆炸风险。由于LIB模块TR产生气体的毒性和燃爆特性^[11]，因此需要利用通风系统将其及时排出。Wang等^[12]通过对18650电池组充放电过程的热安全进行试验研究，发现机械通风对电池组的热对流散热效果显著。文[13-14]通过数值模拟研究发现在充放电过程中通风系统对18650电池组的冷却作用随风速增大而增强。Guo等^[15]对比过充条件下5 m/s风速和自然对流对18650单电池TR的影响，发现5 m/s风速下，电池的最高温度和升温速率低于自然对流状态。Wang等^[16]研究了封闭狭窄通道内不同风速下18650单电池安全阀开启及TR的特征时间和温度，发现在TR初期，特征时间延迟、特征温度下降，而TR发生后，特征值无明显变化规律。Sun等^[17]研究了竖直向上通风气流对18650电池组TR的影响，发现随着气流速度增加，电池间传热量降低，TR传播时间延长。上述研究大多侧重于通风环境中LIB模块充放电过程和TR前期热参数变化，对于触发TR后施加不同纵向风速对LIB模块TR及其传播的影响研究较少。

隧道火灾的危险性受通风条件影响^[18]，纵向通风由于需风量小、成本低等特点，因此成为中国隧道火灾的主要排烟措施^[19]。当新能源汽车或其他电子设备的LIB模块在隧道内发生TR时，纵向通风对其产生的影响值得深入研究。本文通过试验研究纵向通风条件下不同风速对LIB模块TR及其传播的作用效果和机制，以期提升LIB模块的热安全性及其TR灾害防治效果，为LIB在新能源领域的广泛应用提供安全保障。

1 试验设计

为保证试验条件的一致性，各组试验均采用同一公司同一批次生产的软包三元锂离子电池。电池阴极为LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂，阳极为石墨，标称容量为5 Ah，工作电压为2.75~4.2 V，额定电压为3.6 V，几何尺寸为120 mm×60 mm×7 mm，质量为(100±3)g。试验前，利用高性能电池检测设备以0.2 C的电流预循环3次，在电池电压达到4.2 V后, 以恒定电压充电至100%荷电状态(state of charge, SOC)。本文LIB模块由竖直放置的5块电池紧密排列组成，从内到外编号1—5，LIB模块内侧设置加热器，用于触发TR，加热器最大功率为350 W，加热温度设定为400 ℃，尺寸与单块电池相同。加热器和电池5外侧设有隔热棉，尽量减少加热器释放的热量和LIB模块TR产生的热量散失到周围环境。在隔热棉外侧用2块夹板固定电池，确保各电池之间紧密接触且存在作用压力。每块电池内外表面的对角线上共布置6个直径为1 mm的K型热电偶，热电偶连接Agilent 3914数据记录仪，数据采样时间间隔为1 s。LIB模块上方布置辐射热流计。使用电子天平分别称量每块电池试验前后的质量。

试验布置如图 1所示，LIB模块竖直放置在试验平台中央，试验平台左右两侧分别设有送风道和排风道，轴流风机连接调速器后固定在送风道左侧，送风道内安装有蜂巢稳流装置，实现可调稳定风场，截面风速范围为0~10 m/s。试验平台上方的集烟罩用于收集烟气，LIB模块上方和排风道内设有VARIO plus烟气分析仪探头，以0.5 Hz的频率测量LIB模块在试验过程中O₂和CO₂等气体的体积分数。试验平台正前方放置30 f/s的摄像机和红外热成像仪，记录试验中LIB模块TR过程和现象。

本文为比较不同风速对LIB模块TR及其传播的影响，进行无风对照和6组不同风速试验。试验方案如表 1所示，初始环境温度均为25±2 ℃，为获得可靠数据，每组试验重复3次。

2 试验结果与分析 2.1 TR行为与传播

首先研究不同风速对LIB模块内每块单电池TR及其传播过程的影响。图 2为第1、4、7组试验的LIB模块的TR过程及各电池温度随时间的变化曲线。由图 2a可知，在第1组试验中，温升速率随着与加热器之间距离的增加而减小。在加热过程中，电池内部的活性物质发生放热反应，产生气体导致电池内部压力不断增加，在第227 s时，电池1安全阀开启，气体不断从安全阀排出；持续加热至第449 s时，电池1发生TR，火花剧烈喷射的同时排出大量白色可燃气体，电池1四周形成射流火，释放大量热量，温度急剧升高；在电池1持续燃烧的过程中，电池2在第457 s时发生TR，直接喷射火焰，加剧LIB模块TR进程；在第464 s时，电池3温度急剧上升并触发TR，此时LIB模块的燃烧现象最剧烈；电池4和5依次在第471和480 s时触发TR；随着电池5 TR结束，射流火逐渐衰减至熄灭，LIB模块温度开始下降。

第2—4组试验开启通风后，LIB模块TR过程与第1组试验基本一致，电池1—5均出现射流火及燃烧现象，各电池最高温度均高于第1组试验，射流火焰受通风影响集中在下风向。由图 2b可知，在第4组试验风速为4.5 m/s情况下，电池1—5分别在第646、652、658、665和674 s时触发TR，并出现燃烧现象。当风速达到6.0 m/s后，第5—7组试验中各电池最高温度均低于第1组试验，随着风速增大，LIB模块散热量增加，可燃气体积聚减少，射流火焰逐渐减弱。图 2c展示了9.0 m/s风速下LIB模块各电池TR现象。当加热至308 s时，电池1发生TR，喷射火花并排出大量气体，电池1温度急剧上升，但未形成射流火；电池2和3分别在第319和325 s时发生TR，同样未形成射流火；直至第343 s时，电池4发生TR形成射流火，并出现爆燃现象；燃烧持续至电池5 TR结束。由于电池4 TR首次出现燃烧现象，因此电池4的最高温度高于其他电池。

第6和7组试验中LIB模块TR行为一致，与其他试验不同的原因是：高风速下电池内部反应产生的可燃气体无法积聚在电池上方，可燃气体浓度低于燃烧下限，未形成射流火；随着TR的进行，热量持续积累，可燃气体浓度逐渐升高，同时温度升高使可燃气体燃烧极限范围加大，导致电池4 TR时发生爆燃，并形成射流火，出现燃烧现象。

由于LIB模块TR的质量损失可体现电池内部的反应进程，因此LIB模块的质量损失率是表征其TR程度的重要参数。图 3为不同通风条件下LIB模块TR前后的质量损失情况，本文忽略风速对LIB模块质量损失的影响。由图 3可知：在2.0、3.0和4.5 m/s风速下LIB模块的质量损失率明显高于无风条件，原因是此时通风促进LIB模块TR及其传播；在6.0、7.5和9.0 m/s风速下散热冷却作用降低了LIB模块的自身放热反应速率，从而降低了TR剧烈程度，此时LIB模块的质量损失率低于无风条件。

图 4比较了不同风速下电池1—5发生TR的传播时间(t_{电池5, TR}-t_{电池1, TR})和LIB模块从TR至最高温度的时间(t_{LIB, Tmax}-t_{LIB, TR})，2段时间间隔随风速的变化趋势基本一致。在风速低于4.5 m/s时，LIB模块TR传播时间低于无风条件，LIB模块达到最高温度的时间也低于无风条件；当风速不低于6.0 m/s时，LIB模块TR传播时间高于无风条件，LIB模块达到最高温度的时间也高于无风条件。

2.2 LIB模块温度

由于各电池的制造工艺无法做到完全一致，因此不同试验组中LIB模块TR触发时间及起始温度略有不同，且本文在LIB模块中电池1发生TR后施加纵向通风，所以只对比LIB模块电池1发生TR后的温度变化。

图 5为不同风速下LIB模块TR开始后的温度变化情况。图 5c中T_TR为LIB模块中电池1发生TR时LIB模块的平均温度，T_max为TR过程中LIB模块的最高温度。由图 5可知，TR触发后，LIB模块的平均温度急剧上升，不同通风条件下LIB模块的最高温度和温升速率存在较大差异。在2.0、3.0和4.5 m/s风速下，LIB模块的最高温度、温升速率和TR过程平均温度均高于无风条件。2.0 m/s风速下LIB模块的最高温度、温升速率和TR过程平均温度最高。

在风速达到6.0 m/s后，LIB模块的最高温度、温升速率和TR过程平均温度均低于无风条件，随着风速继续增加，LIB模块的平均温度和温升速率逐渐降低，原因是此时通风增加冷却散热，当散热量大于LIB模块产热量时，LIB模块的平均温度下降。图 5b中在50 s后7.5、9.0 m/s风速下LIB模块温升速率再次升高的原因是高风速对LIB模块TR的延迟作用。

2.3 辐射热流密度

图 6为不同风速下LIB模块TR过程中的辐射热流密度变化情况。在纵向通风作用下，射流火焰高度降低，火焰倾斜方向与竖直方向的夹角增大，火焰中心与辐射热流计的距离增大，视角系数减小；同时随着风速增加，强制对流作用增强，LIB模块散热加快，导致射流火焰对辐射热流计表面的热辐射减小。

2.0、3.0和4.5 m/s风速促进LIB模块TR，燃烧现象和射流火焰增强，辐射热流的增加量大于通风作用的减少量，导致第2—4组试验辐射热流密度高于第1组试验；6.0 m/s及以上风速抑制LIB模块TR，燃烧现象和射流火焰逐渐减弱，同时通风减少辐射热流量，导致第5—7组试验辐射热流密度低于第1组试验。在9.0 m/s风速下：电池1—3 TR并未形成射流火，此时辐射热流密度波动较小；在电池4发生TR时出现射流火及燃烧现象，辐射热流密度剧增。

2.4 烟气成分

图 7为不同通风条件下LIB模块TR过程中烟气分析仪收集的O₂和CO₂的体积分数。在无风条件下，由于射流火焰燃烧消耗O₂，因此O₂体积分数明显降低；在2.0、3.0和4.5 m/s风速下通风提供O₂，同时促进LIB模块TR，加剧射流火焰燃烧增加耗氧量，导致2.0、3.0和4.5 m/s风速下O₂体积分数略高于无风条件；而在6.0 m/s及以上风速下，O₂体积分数远高于无风条件，原因是6.0 m/s及以上风速提供的O₂量高于LIB模块完全燃烧所需的O₂量，同时该风速下通风抑制LIB模块TR程度，减少燃烧耗氧量。

在2.5、3.0和4.5 m/s风速下，CO₂体积分数高于无风条件，原因是在2.0、3.0和4.5 m/s风速下，通风供氧助燃促进LIB模块TR，电池内部反应和电池材料燃烧产生大量CO₂；而在6.0 m/s及以上风速下，通风散热冷却抑制LIB模块TR，减少电池内部反应和电池材料燃烧产生CO₂，此时CO₂体积分数低于无风条件，且CO₂体积分数随风速增大而降低。

2.5 通风对LIB模块的作用机制

每块电池的TR过程都由初期快速升温和后期TR衰减降温2阶段组成，而LIB模块温度上升或下降主要取决于其自身产热量与向周围环境散热量之间的热平衡^[20]。

在无风条件下，LIB模块TR过程的能量转换表示如下：

$ Q_{\mathrm{c}}=Q_{\mathrm{g}}-Q_1 . $

(1)

其中：Q_c为单位时间内LIB模块的热量变化量；Q_g为单位时间内LIB模块产热量；Q_l为单位时间内LIB模块向周围环境的散热量。LIB模块TR初期Q_g＞Q_l，导致LIB模块温度上升，温升阶段单位时间内LIB模块的热量变化量Q_c1表示如下：

$ Q_{\mathrm{cl}}=\sum\limits_{i=1}^5 Q_{i 1}=\sum\limits_{i=1}^5 \frac{c_{\mathrm{b}} m_i\left(T_{i, \max }-T_{i, \mathrm{TR}}\right)}{t_{i, T_{\max }}-t_{i, \mathrm{TR}}} . $

(2)

其中：Q_i1为温升阶段单位时间内电池i的热量变化量；c_b为电池的比热容；m_i为电池i的质量；T_{i, max}为电池i在TR过程中的最高温度；t_{i, Tmax}为电池i达到最高温度的时间；T_{i, TR}为电池i的TR起始温度；t_{i, TR}为电池i触发TR的时间。

随着LIB模块TR进行，后期衰减时Q_g＜Q_l，LIB模块温度逐渐下降，降温阶段单位时间内LIB模块的热量变化量Q_c2表示如下：

$ Q_{\mathrm{c} 2}=\sum\limits_{i=1}^5 Q_{i 2}=\sum\limits_{i=1}^5 \frac{c_{\mathrm{b}} m_i\left(T_{i, 90}-T_{i, \max }\right)}{t_{i, \mathrm{TR}}+90-t_{i, T_{\max }}} . $

(3)

其中：Q_i2为电池i降温阶段单位时间内热量变化量；T_{i, 90}为LIB模块TR开始90 s后电池i的温度。

无风条件下LIB模块整个TR过程中能量转换由2阶段构成，Q_c1+Q_c2=Q_c=Q_g-Q_l。

而在通风条件下，不仅会供氧助燃促进TR产热，还会与LIB模块进行热交换增加散热冷却，此时TR过程中能量转换表示如下：

$ Q_{\mathrm{g}}+Q_{\mathrm{g}}^{\text {wind }}-Q_1-Q_1^{\text {wind }}=Q_{\mathrm{c}}+Q_{\text {wind }}=Q_{\mathrm{c}}^{\text {wind }}. $

(4)

其中：Q_g^wind为单位时间通风促进LIB模块的产热量；Q_l^wind为单位时间通风提高LIB模块的散热量；Q_wind为单位时间通风作用对LIB模块的热量改变量；Q_c^wind为通风条件下单位时间内LIB模块的热量变化量。

在式(2)和(3)的基础上加入通风作用的影响，可得到通风条件下温升阶段和降温阶段单位时间内LIB模块的热量变化量Q_c1^wind和Q_c2^wind，分别表示如下：

$ Q_{\mathrm{c1}}^{\text {wind }}=\sum\limits_{i=1}^5 Q_{i 1}^{\text {wind }}=\sum\limits_{i=1}^5 \frac{c_{\mathrm{b}} m_i\left(T_{i, \max }^{\text {wind }}-T_{i, \mathrm{TR}}\right)}{t_{i, T_{\text {max }}}^{\text {wind }}-t_{i, \mathrm{TR}}}, $

(5)

$ Q_{\mathrm{c} 2}^{\text {wind }}=\sum\limits_{i=1}^5 Q_{i 2}^{\text {wind }}=\sum\limits_{i=1}^5 \frac{c_{\mathrm{b}} m_i\left(T_{i, \text { end }}-T_{i, \max }^{\text {wind }}\right)}{t_{\mathrm{end}}-t_{i, T_{\max }}^{\text {wind }}} . $

(6)

其中：Q_i1^wind和Q_i2^wind分别为通风条件下温升阶段和降温阶段单位时间内电池i的热量变化量；T_{i, max}^wind为通风条件下电池i在TR过程中的最高温度；t^wind_{i, Tmax}为通风条件下电池i达到最高温度的时间；T_{i, end}为结束通风时电池i的温度；t_end为结束通风的时间，t_end-t_TR=90 s。

通风条件下LIB模块整个TR过程中能量转换由2阶段构成，Q_c1^wind+Q_c2^wind=Q_c^wind=Q_g+Q_g^wind-Q_l-Q_l^wind。

与无风条件相比，通风对LIB模块TR的影响导致Q_c^wind-Q_c≠0，不同风速的作用效果差异由Q_g^wind与Q_l^wind共同决定，表示如下：

$ Q_{\text {wind }}=Q_{\mathrm{c}}^{\text {wind }}-Q_{\mathrm{c}}=Q_{\mathrm{g}}^{\text {wind }}-Q_1^{\text {wind }}. $

(7)

将第1组试验数据代入式(1)—(3)，第2—7组试验数据代入式(4)—(6)，不同通风条件下各部分热量计算结果如表 2所示。

由表 2可知：在2.0、3.0和4.5 m/s风速条件下，Q_wind=Q_g^wind-Q_l^wind>0，说明此时通风对LIB模块的供氧助燃效果大于散热冷却，对LIB模块TR及其传播有促进作用，且促进效果随风速增加而减弱；而在6.0、7.5和9.0 m/s风速条件下，Q_wind=Q_g^wind-Q_l^wind < 0，说明此时通风对LIB模块的散热冷却效果大于供氧助燃，对LIB模块TR及其传播有抑制作用，且抑制作用随风速的增加而增强。

3 结论

本文构建纵向通风环境，通过对比不同风速对LIB模块TR及其传播的影响，阐述了通风供氧促进LIB模块燃烧和通风冷却提高LIB模块散热的双重作用机制，得出如下结论：

1) 通风对LIB模块TR及其传播的影响效果由供氧助燃和散热冷却协同作用决定。不同风速对LIB模块TR的整体影响效果不同，影响效果取决于供氧助燃和散热冷却中的主导作用。

2) 在2.0、3.0和4.5 m/s风速下，通风促进LIB模块TR及其传播，且促进效果随风速增加而减弱。此时供氧助燃作用大于散热冷却作用，LIB模块燃烧更剧烈，LIB模块TR过程中平均温度、温升速率升高，同时缩短了TR的传播时间。TR过程中O₂和CO₂的体积分数升高，LIB模块辐射热流密度和质量损失率高于无风条件。

3) 在6.0、7.5和9.0 m/s风速下，通风抑制LIB模块TR及其传播，抑制作用随风速的增加而增强。此时散热冷却作用大于供氧助燃作用，LIB模块TR现象随风速增加逐渐减弱。在7.5、9.0 m/s风速下，LIB模块TR初期并未出现射流火和燃烧现象。LIB模块的平均温度、温升速率降低，同时有效延长TR的传播时间。TR过程中O₂体积分数显著升高，CO₂体积分数降低，LIB模块辐射热流密度和质量损失率低于无风条件。

由于环境温度的变化影响通风对LIB模块TR的作用效果，因此下一步将针对不同环境温度、湿度条件下，通风对不同种类、容量、排列方式和荷电量等特性参数LIB模块TR及其传播的作用进行研究。