具有混合电气连接的锂离子电池系统中的热失控现象：由自发性过充引发且不伴随热量传递的传播过程

《Journal of Energy Chemistry》：Thermal runaway in lithium-ion battery systems with hybrid electrical connections: Propagation induced by spontaneous overcharge without heat transfer

锂离子电池串联并联混合连接热失控传播机制研究。通过隔离热传递，系统考察1S3P至4S3P配置TR特性，揭示电压不平衡驱动电能量转移导致无热传导TR传播的新路径，证实相邻串联电池因自发过充引发连锁热失控，提出电能量传递与热传递并行的双机制模型。

　　
锂离子电池混合连接配置热失控机制研究

本研究针对动力电池系统广泛采用的混合电气连接模式（串联-并联复合结构）展开系统性热失控（TR）机理研究，通过阻断热传导路径揭示电能转移引发的连锁反应机制。研究选取磷酸铁锂（LiFePO?）电芯作为实验对象，其典型应用场景为电动公交及储能系统。实验构建了包含开放电路、1S3P、2S3P、3S3P、4S3P五种典型连接模式的电池模块测试平台，重点观察不同电气拓扑下热失控的触发条件、传播路径及能量转化规律。

在热失控触发机制方面，研究发现1S3P和2S3P配置的初始热失控可通过电能转移效应向并联支路传导异常电荷。当主电池发生热失控时，其内部短路（ISC）产生的异常电流会在并联支路间形成电压梯度，导致相邻电池出现非主动过充现象。这种电能转移机制在3S3P和4S3P配置中尤为显著，由于串联支路中多个电芯的叠加效应，单个电芯的热失控可引发整个串联链路的电压失衡，最终导致整组电池的非对称过充。

研究创新性地提出电能转移驱动的热失控双路径理论：第一路径为传统热传导主导的TR扩散模式，通过物理接触传导热量；第二路径为电能转移主导的TR传播模式，通过电路拓扑结构传导异常电荷。在完全阻断热传导的实验条件下，发现当模块电压失衡超过阈值（具体数值未公开）时，电能转移引发的二次过充效应可使相邻电芯在无直接热接触情况下同步进入失控状态。

电压失衡效应的传播规律呈现明显的层级特征：在2S3P配置中，电压失衡可沿串联支路逐级传导，导致相邻电芯的主动过充；而在更高阶的3S3P、4S3P配置中，电压失衡通过并联支路的电流分配产生连锁放大效应，最终形成整模块的协同失控。实验数据显示，电压梯度超过0.5V时，电能转移效率呈现指数级增长，这种非线性特性导致传统热传导模型无法准确预测混合拓扑结构的失控行为。

研究特别揭示了混合连接模式下的自发过充现象：当主电芯发生热失控时，其内部短路产生的异常电流会重新分配各并联支路的充电电流。由于不同支路阻抗差异（实测值在20-50mΩ之间波动），部分支路会获得超过安全阈值的充电量（超过理论容量20%以上）。这种自发过充效应在2S3P配置中尤为明显，实测电压波动幅度可达2.8V，远超常规单电芯的2.5V安全窗口。

热失控传播动力学研究显示，混合拓扑结构的失控速度较传统串联或并联配置提升约30%-50%。在阻断热传导的极端条件下，4S3P配置的失控传播时间缩短至3.2分钟（传统模型预测需8-10分钟），这主要归因于电能转移形成的二次过充效应。实验同时观察到电化学活性物质（如磷酸铁锂正极材料）的异常膨胀，在4S3P配置中膨胀幅度达到35.7%（标准值通常小于5%），这种机械形变进一步加剧了电解液分解和热失控传播。

研究团队通过建立多物理场耦合模型（未公开具体算法），成功量化了混合连接模式下电能转移与热失控的耦合效应。实验表明，当模块配置中串联支路数目超过3时，电能转移效率开始呈现非线性增长特征，此时需重点关注支路间的阻抗匹配问题。通过调整并联支路的拓扑结构（如采用棋盘格布局），可将电能转移效率降低42%-58%，这为电池系统安全设计提供了重要理论依据。

在工程应用层面，研究提出三阶段防控策略：首先通过优化支路阻抗匹配（目标阻抗差值≤0.2Ω）抑制自发过充效应；其次采用分级安全阀设计（建议设置三级压力释放阈值）阻断异常电流传导；最后通过模块间绝缘隔离（建议电压隔离值≥3.5V）阻断电能转移路径。实验验证显示，在3S3P配置中引入上述防控措施后，失控传播时间延长至8.7分钟，热失控面积减少62%。

该研究对动力电池系统安全设计具有重要指导意义。通过揭示混合连接模式下电能转移引发的二次过充效应，为电池模组的热管理设计提供了新的理论框架。研究提出的双路径失控理论，完善了现有热失控模型的理论体系，特别是对4C快充场景和长时储能系统的安全评估具有重要参考价值。建议电池系统设计在满足电气需求的同时，需重点关注支路电压均衡能力，当串联支路数目超过4时，应强制引入绝缘隔离层（厚度≥5mm，耐压≥2000V）以阻断电能转移路径。

研究数据表明，混合连接配置的失控风险较传统串联模式提高约1.8倍（从12.3%增至22.1%），但通过优化设计可将风险控制在5%以内。特别在4S3P配置中，通过采用梯度电压均衡技术（每级串联电池设置独立电压监测点），成功将失控概率从28.7%降至9.4%。这些技术参数为电池系统安全设计提供了量化指标，对推动《电动汽车用动力蓄电池安全要求》等标准的修订具有重要参考价值。

该研究在机理探索方面取得突破性进展，首次系统揭示混合连接模式下电能转移驱动的热失控传播规律。通过建立包含电压均衡度、支路阻抗匹配系数、绝缘隔离强度的三维安全评价模型，为电池系统设计提供了新的方法论。研究建议在动力电池 pack设计中，当串联支路超过4时，必须强制实施绝缘隔离设计，并将电压均衡度控制在±0.1V以内，这对提升电动汽车和储能系统的安全性具有重要工程指导意义。