霍克锂电池系统电弧故障特性及风险评估的数值研究
锂离子电池已成为储能系统的主流解决方案，并越来越多地应用于高压平台，但仍存在电弧故障等重大安全隐患。本研究基于改进的Cassie模型和磁流体动力学，分析了不同模块配置下电弧故障的特性、临界条件及热危害。结果表明，串联电弧特性同时受模块工作电流与电池串联数量影响。以典型280Ah磷酸铁锂...4在0.5C倍率下工作的电池模块，维持1毫米、5毫米、10毫米和20毫米稳定电弧所需的最小电池数量分别为8、12、16和20个。此外，综合考虑电弧烧蚀效应与对周边元件的热威胁，本研究提出电弧热危害量化评估方法，结果表明极端工况下5毫米和10毫米电弧具有最高的热危害性。最后基于电弧发生概率与热危害严重程度，计算了不同模块配置下的电弧风险值。敏感性分析表明电池数量对电弧风险的影响大于工作电流，这为电池系统电弧检测与风险评估提供了理论依据。
引言
为缓解全球碳排放问题，新型储能技术正成为现代能源系统与智能电网的关键组成部分（Liu等，2022）。得益于高能量密度、低自放电率、可回收性及长循环寿命等优势，锂离子电池（LIBs）已成为电池储能系统（BESS）的核心。截至2024年上半年，在中国投运的新型储能项目中，锂离子电池占比超过90%（国家能源局，2024）。这些大规模储能设施的运行安全是过程安全工程领域的重要议题，其故障可能引发灾难性事故。
然而，锂离子电池独特的电化学特性可能在滥用工况下扳机热失控（TR），此时剧烈的内部化学反应会释放易燃有毒气体，甚至引发电池储能系统（BESS）的火灾或爆炸事故（Peng等，2024）。根据中国能源研究会储能专委会2025年统计数据，自2011年以来全球已累计记录127起BESS安全事故，例如2021年4月北京丰台区发生的灾难性火灾爆炸事故。这些安全问题已成为制约锂离子电池系统发展的关键瓶颈，凸显出对先进风险评估与安全管理策略的迫切需求。
大量研究致力于理解和缓解电池储能系统(BESS)中的电池风险。Chen等(2025)对采用不同正极材料的电池在过热条件下进行了热失控实验，并提出了基于关键参数的安全评估矩阵。Wang等(2023)通过模拟研究了密闭空间中电池火灾对热失控传播的影响，其定量结果为基于锂离子电池(LIB)系统的风险评估提供了支持。此外，Li等（2023）基于STPA方法对电池储能系统（BESS）运行场景进行了风险分析，并通过模糊评估量化了风险因素的相对发生概率。然而，现有研究普遍忽略了电弧故障等特定风险因素，导致综合风险模型存在空白。电弧作为一种常见电气故障，可在低至30V的电压下持续存在并产生极高温度（>6000K）（Jeevarajan等，2022；Liu等，2018），对锂离子电池构成严重热威胁，增加其热失控及系统级联故障的风险。客观而言，电池储能系统（BESS）中复杂的拓扑网络和高密度连接点也增加了电弧故障发生的可能性。实证表明，由电弧故障引发的BESS火灾和爆炸事件在全球范围内日趋频繁。2019年韩国政府对23起BESS火灾事件的调查报告指出，电气保护措施不足与电弧故障是导致热失控的重要原因（Ministry of Trade, Industry and Energy of South Korea, 2019）。2021年7月，澳大利亚Megapack BESS设施更是发生了火灾爆炸事故。调查表明，冷却剂泄漏导致电池组内部产生电弧，进而引发热失控和火灾（Blum等，2022）。这些事件凸显了BESS中电弧故障带来的安全挑战。此外，1500 V高压平台在BESS中的广泛应用可能进一步增加电弧故障发生率，提高热失控事件概率，并导致更严重的安全事故。
除了常见的电气问题（如绝缘老化和接地故障）外，电池储能系统（BESS）特有的风险因素——包括电池因素（过充、过放、内部短路、连接松动）和系统因素（热管理系统冷却液泄漏引发短路）——也可能触发电弧故障（Zhou et al., 2024）。为深入理解电池系统中电弧故障的成因与危害，研究人员已开展多项研究。Xu等学者（2023）分析了BESS电池模组和机柜中电弧故障的成因及发生位置，指出机械振动、碰撞以及端子连接松动均可能诱发电弧。他们强调，由于直流系统特性，电池系统产生的电弧危害显著高于交流系统。Augeard等（2016）则研究了18650型电池在高压条件下电流中断装置（CID）动作时的电弧特性。研究发现，当CID开启时，19伏低电压下即可产生电弧现象，存在引燃电池电解液的风险。值得注意的是，电池金属外壳的导电特性使其可能成为放电目标。一旦绝缘层因多种因素受损，电弧可能直接作用于电池外壳。Xu等学者（2024）通过实验证实，持续电弧会通过负极向电芯传递热量，导致隔膜熔毁并引发严重内部短路。持续约200秒的电弧放电可直接触发20 Ah方形电池的热失控。对于较短的电弧持续时间，电弧产生的高能量会瞬间损坏电池外壳与安全阀，形成局部高温热点。虽然此类突发热流未必总能引发电池热失控，但其温度已足以熔化壳体（铝的熔点约为660°C）甚至击穿电池外壳，破坏密封性能并加速电池的退化与失效进程（Zhang et al., 2025; Xu et al., 2025）。
当前关于电弧诱发电池失效与热失控的研究主要集中于电池暴露于电弧后的宏观与微观特征演化机制。在这些研究中，电弧参数通常为预设值，而未考虑实际运行场景中的动态变化。当模组内部电池间发生电弧故障时，模组构型、电路拓扑、工作电压与电流等因素将影响电弧的临界条件和电气特性，进而决定能否形成稳定电弧及其危害程度。因此，对于电池模组中电弧故障电气特性的认知仍存在空白。填补这些空白至关重要，因为此类特性与热危害（特别是高温效应和烧蚀现象）存在直接关联。针对不同模块配置与运行工况下电弧现象的外部电气特性及内部热危害开展系统性研究，可为电池储能系统（BESS）实时运行中的电弧识别、检测与抑制提供特征参数，并支撑风险评估。此类定量分析数据对于将电弧故障风险纳入更广泛的BESS过程安全管理体系具有基础性意义。
本研究通过经验证改进的Cassie模型，系统考察了电路拓扑结构与模块配置对电弧外部电气特性的影响。进一步提出了一种高效数学方法，用于确定不同模块配置与运行工况下电弧的关键特性参数，包括触发条件（Trigger）、临界电流与最大弧长。基于磁流体动力学（MHD）模型，深入分析了不同电弧特性参数对应的内部温度分布及热危害特征。最终，通过将电弧触发条件与量化的热危害参数相结合，实现了对不同模块运行工况下电弧风险的评估。该风险评估方法和结果可为增强锂离子电池系统的电弧防护提供有价值的参考，为动态运行风险管理及更安全电池系统的设计提供量化依据。
