揭示磷酸铁锂电池模组自燃机制：电池不一致性与BMS失效的耦合作用及其火灾风险演化

本研究通过实验再现了BMS失效与SOC不匹配条件下LFP电池模组的自发点火现象，揭示了模组级热失控传播（TRP）通过热量集中和电解液积聚引发点火的两种机制（安全阀摩擦火花与电解液池引发外部短路电弧），挑战了传统单电池安全范式，为电化学储能系统（ESS）的模组级安全策略提供了关键理论依据。

　　

Highlight

本研究首次实验证实了在电池不一致性与BMS失效耦合作用下，LFP电池模组可发生自发点火，揭示了模组级热失控传播（TRP）中热量集中与电解液积聚的协同致灾机制。

Introduction

磷酸铁锂（LFP）电池因其优异的热稳定性和长循环寿命，已成为电化学储能系统（ESS）和电动汽车的核心组件。尽管在单电池层面LFP电池通常被认为比高镍体系更安全，且在热失控（TR）后极少出现明火，但近年来基于LFP的储能系统火灾事故频发。这一矛盾凸显了在系统级安全风险认知上的关键空白，尤其是电池不一致性、BMS故障与热失控传播（TRP）现象的耦合效应。

先前研究主要集中于单电池行为，在孤立或外部控制的滥用条件下研究TR特性、排气演化与预警策略。例如Liu、Xu等学者分析了单电池TR的气体成分与爆炸极限，Wang团队比较了不同正极化学体系的过充耐受性。然而，这些工作未涉及电气互联下的模组级点火现象。尽管Zhang等发现外部引入电弧可引发高能电池快速失效，另一项研究证明了热失控喷射物诱发的电弧危害，但此类电弧点火是否会在LFP模组TRP过程中自发发生，以及其如何与电解液泄漏燃烧相互作用产生明火，仍不明确。

此外，与单电池TR相比，模组内部TRP可使表面温度升高约25%，从而降低燃烧所需活化能。释放的多相流通常含可燃电解液、CO、H₂及碳氢化合物气体，易形成可燃混合物。然而，多数实验采用点火器或外部电弧注入装置，未能重建真实模组场景中从故障到点火的全链条。我们对运行中ESS故障日志的调研进一步表明，容量不一致与BMS采样失效引发的局部过充是TRP事件最常见的前兆之一。

为填补这一空白，本研究在50 Ah LFP方形模组中结合SOC不匹配与BMS失效条件，探究TRP诱发的点火现象。通过重构故障驱动的过充过程并追踪TRP，我们量化了电压变异系数、传热加速、膨胀力与净热释放等关键电-热-力学指标。重要的是，我们识别了两种自发点火路径——安全阀破裂时的摩擦火花与电解液积聚引发的外部短路（ESC）电弧——二者均在模组级TRP中自然涌现。我们进一步证明了热量积累、机械压缩与电弧效应的协同作用如何加速传播并点燃模组，从而挑战了LFP系统传统的单电池安全范式。