《Energy Technology》：A Safe Battery Casing for a Hybrid Battery System Consisting of Lithium-Ion High-Power and High-Energy Cells in Marine Applications
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本文介绍了一种用于船舶混合动力牵引系统的电池模组设计，该系统须同时满足高功率（high-power, HP）和高能量（high-energy, HE）需求。该模组可在通用平台上容纳HP或HE锂离子电池，尽管电池尺寸不同，仅使用少量差异化部件。热失控（therm
本文介绍了一种用于船舶混合动力牵引系统的电池模组设计，该系统须同时满足高功率（high-power, HP）和高能量（high-energy, HE）需求。该模组可在通用平台上容纳HP或HE锂离子电池，尽管电池尺寸不同，仅使用少量差异化部件。热失控（thermal-runaway, TR）包容至关重要，因此研究人员针对每种电池类型开展了电芯级TR试验，为设计模组泄压系统提供依据。HE电芯为155 Ah NMC方形电池，其危害最为严重：释放约16 mol气体并喷射约1.1 kg颗粒物。为抵御高温颗粒射流，模组防护罩采用不锈钢与烧蚀复合材料双层结构。高绝缘气凝胶间隙填充片可防止热失控向相邻电芯蔓延。装有28只HE电芯的模组通过TR试验；配备88只方形HP电芯（23 Ah LTO化学体系）的第二套模组同样通过TR试验。该设计为船舶混合动力电池提供了通用、安全的平台。
论文解读
一、研究背景与意义
拖船和港口渡轮等船舶在运行过程中呈现出典型的交替负荷特征：短时高功率需求（如离泊和加速阶段，需约8–10 C倍率放电）与长时低功率巡航需求（约1–3 C倍率）频繁交替，每日多次循环。若采用单一类型电池，高功率（high-power, HP）电芯比容量低，需大量并联以满足巡航能量需求；高能量（high-energy, HE）电芯虽适合巡航，但倍率性能有限，需大量串联以满足加速功率需求。两种方案均导致电池系统体积庞大、成本高昂，且大量电芯仅在运行时间的极小部分被有效利用。
为此，欧洲联合SEABAT项目开发了一种紧凑、经济且高效的混合电池系统，将HP与HE电芯结合，核心技术为集成于每个模组内的DC/DC变换器。在短时峰值功率阶段，HP电芯以高倍率放电；在长时低功率巡航阶段，HE电芯供电，同时能量从HE电芯转移至HP电芯以保障下一次加速需求。
锂离子电池在内部或外部短路、过热、过充或机械滥用（如针刺）条件下可能发生热失控（thermal runaway, TR），引发自加速的放热化学反应链，温度可超过850 °C。即使BMS可监测部分前兆状态、模组壳体可抵御机械冲击，TR仍可能因制造过程中的潜在缺陷引发内部短路而不可完全排除。含镍正极（NMC化学体系）电芯虽提供高能量密度，但安全性下降。因此，模组壳体设计必须安全包容TR效应：承受高温颗粒射流、防止热失控在模组内传播，并通过泄压阀（pressure relief valve, PRV）将大量气体快速排出模组。
二、研究内容与主要技术方法
研究人员围绕模组壳体的热失控包容能力开展了系统研究，主要技术方法包括：
电芯级TR试验：采用CEA开发的气密量热仪，在真空条件下通过过充方式触发HE NMC电芯（155 Ah）和HP LTO孪生电芯（2×23 Ah并联）的TR，实时记录气体流量、气体体积、气体温度、电芯温度、释放能量及质量平衡，并对释放气体进行气相色谱分析。
PRV数量计算：基于等熵可压缩流（喷嘴流动）理论，以声速限制的壅塞流模型计算单个PRV的最大摩尔流量，结合HE电芯最大摩尔排放速率确定所需PRV数量。
模组壳体设计：采用不锈钢外层与烧蚀复合材料内层的双层结构，通过FEM仿真验证模组在1 bar内压下结构完整性。
模组级TR传播试验：在完整装备的HE模组（28S配置）和HP模组（44S2P配置）中进行，通过过充和过热两种方式触发指定电芯TR，监测电芯电压、内部温度、壳体温度和PRV前方温度，验证热失控是否向相邻电芯传播。
三、研究结果
3.1 电芯级TR试验——HE NMC电芯
过充触发（75 A/8.6 V，C/2-2U）下，电芯电压在SOC达147%时降至0 V，约2分钟后发生TR。最大电芯温度745 °C。最大气体体积1176 L，气体在5.5 s内喷射完毕，最大气体流量830 L/s。冷却后气体体积390 L（300 K），对应16 mol气体，归一化产气量2.5 L/Ah，与文献中157 Ah电芯的2.6 L/Ah一致。根据热气体与冷却气体体积比（1176/390 L），由理想气体定律推算热气体温度约905 K。电芯质量损失62%，其中颗粒物1117.5 g（占质量损失68%）、气体404 g（占24%），颗粒物与气体比例与文献报道范围一致。气体主要成分为氢气、一氧化碳和二氧化碳，约三分之二为高度可燃组分，与空气混合后极易点燃。
3.2 电芯级TR试验——HP LTO孪生电芯
过充触发（23 A/4.5 V）下，孪生电芯先后在SOC达174%时发生两次TR，最大电芯温度320 °C。最大气体体积99 L，冷却后61 L，对应2.45 mol，归一化产气量1.3 L/Ah，显著低于NMC电芯。气体流量峰值达580 L/s，持续约100 ms。电芯质量损失高达90.4%，其中颗粒物793.3 g（占质量损失78%）、气体63.2 g（仅占6%），颗粒物比例处于文献上限，气体比例远低于文献范围，归因于LTO化学体系的显著差异。两次TR的喷射热量分别为546 kJ和392 kJ，非喷射热量仅24 kJ和52 kJ，热功率分别为18.5 kW和49 kW。
3.3 能量释放速率分析
HE电芯TR总释放能量约3195 kJ（喷射热）加非喷射热，总能量超出文献相关性预测值近30%，而非喷射热仅为预测值的40%。这一差异归因于文献相关性未包含过充触发的TR试验——过充触发比针刺和过热触发更剧烈、能量释放更高，且释放能量主要以喷射热形式表现。由气体喷射持续时间（5.5 s）和喷射热（3195 kJ）计算，气体射流平均热功率达581 kW，是焊接10 mm钢板的手持焊炬功率（约20 kW）的20倍以上。
3.4 模组壳体设计
模组壳体采用双层防护罩结构：2 mm不锈钢外壳（适用于海洋环境）加6 mm烧蚀复合材料内层（含矿物填料和芳纶增强的热固性材料）。烧蚀材料通过蒸发和分解吸收能量，其分解温度远低于气体温度，保护底层钢结构安全；矿物组分提供刚性并屏蔽加速颗粒。FEM仿真确认模组在1 bar内压下结构完整。基于壅塞流模型计算，单个PRV（有效流通面积850 mm2）在2 bar绝对压力、905 K热气体条件下可提供15.4 mol/s的摩尔流量，考虑HE电芯最大排放速率33 mol/s，设计采用4个PRV以留足裕量。
3.5 模组级TR传播试验——HE模组
过充触发试验中，触发电芯14电压在SOC达138%时降至0 V，但未发生TR，因相邻电芯和冷却板吸收了热量，电芯最高温度仅36 °C（电芯级试验为84 °C）。随后通过两台1.6 kW热风枪对已过充电芯施加局部过热，TR在7557 s发生。触发电芯峰值温度502 °C，PRV前方温度达1125 °C，壳体表面最高191 °C。TR导致壳体膨胀、PRV开启、烟雾/气体喷射及短暂火焰（<14 s），残余排气火焰持续约9分钟。事后检查确认仅触发电芯14的泄压阀破裂，未发生热失控传播，但壳体防护罩被侵蚀（约2 mm深、20 mm直径），电芯因高温暴露不可逆损伤。
3.6 模组级TR传播试验——HP模组
HP模组（44S2P配置，88只LTO电芯）同样通过TR传播试验，验证了壳体设计对HP电芯热失控的包容能力。
四、总结与结论
该研究通过电芯级和模组级TR试验，系统验证了SEABAT混合电池模组壳体的安全性能。HE NMC电芯（155 Ah）在过充触发下释放约16 mol气体和约1.1 kg颗粒物，气体射流平均热功率达581 kW，远超常规焊接设备；HP LTO孪生电芯质量损失高达90.4%，颗粒物比例处于文献上限。模组壳体采用不锈钢与烧蚀复合材料双层结构，配合气凝胶间隙填充片和冷却板，成功将热失控限制在触发电芯内，未向相邻电芯传播。4个PRV的设计满足33 mol/s的最大气体排放需求。该模组设计通过平台化策略，仅以少量差异化部件即可容纳HE或HP两种电芯类型，在满足安全性要求的同时兼顾成本效益，为船舶混合动力电池系统提供了通用、安全的解决方案。
