《面向电动船舶电池热管理性能提升：一种经模型验证的浸没式与外置水冷耦合复合系统》
与电动汽车不同，电动船舶在具有天然高效散热介质的水环境中运行。如何有效利用这一周边水域资源以提升船用电池系统的热管理性能，由此成为一个极具前景的研究方向。本研究提出并实验验证了一种新型电动船舶电池复合浸没式冷却系统，该系统由介电流体电池浸没冷却、外部水流对流换热以及翅片强化散热三部分构成。冷却结构、外部水流速度以及外加翅片的影响。研究结果表明：相较于静态水域条件，提高外部水流速度（0–0.5 m/s）可使电池最高温度降低5.3%–15.5%，同时将温度均匀性控制在约2 °C以内。外加翅片结构在0、0.3及0.5 m/s流速下可分别进一步降低峰值温度3.88%、5.22%与2.80%，并在0.5 m/s流速下使外部对流传热系数（HTC）提升约40%。在流动水域条件下，强制对流被证实是复合系统中的主导传热机制。本研究量化了复合浸没式冷却的热性能与对流机制，为电动船舶高性能电池热管理系统的设计提供了定量化指导依据。
国际贸易的扩展包日益增长，推动了对更清洁、可持续配对运输的需求[1]。然而传统船舶仍以燃烧化石燃料为主，导致大量温室气体燃料费排放[2]。为减轻环境影响，国际海事组织(IMO)已采取多项重要任务推动绿色低碳配对运输[3][4]。在此背景下，具有零排放与高能效的电动船舶，已成为可持续海运领域极具前景的替代方案。
在各种储能方案中，锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命、合适电压范围和低自放电率[5][6]，已成为电动船舶的首选。2015年1月，全球首艘全锂电动力渡轮MF Ampere的启航，标志着全电动船舶时代的开端[7]。此后，随着电池技术的快速进步以及对可持续船用能源系统需求的增长，电池动力船舶（battery-powered ships）获得了广泛应用，尤其在沿河流与沿海地区运营的中小型船只中更为突出[8]。
电池性能与其温度密切相关。过高温度或温度分布不均会加速电池性能衰退，并可能触发热失控（TR）现象[9][10][11]。与陆用电池系统相比，船用电池储能系统面临若干独特挑战，包括更大的能量容量、封闭式电池舱室以及更受限的事故后疏散条件[12][13]。在实际船舶运行工况下，过充、过放、短路或极端温度等因素会显著恶化锂离子电池（LIBs）的电化学性能与热稳定性[14][15]。一旦热量积聚得不到有效控制，此类情况可能升级为热失控、火灾甚至爆炸。例如2025年英国盖顿码头发生的锂电池舱爆炸事故，随即引发船舶火灾，如图1所示[16]。因此，船舶电池热管理系统（BTMS）不仅需要解决散热性能问题，还必须满足与海事应用相关的严格安全要求。
因此，实施有效的电池热管理系统（BTMS）对于确保电动船舶的安全性和可靠性至关重要。与陆地应用不同，船舶系统在运行环境中可利用周围水体作为天然可用且潜在高效的外部散热源，如图1所示。这一显著特征为探索船用电池系统中水辅助热管理策略提供了坚实基础。
近年来，电池热管理技术得到广泛研究，多种散热方法被提出以抑制峰值温度、改善温度均匀性并提升系统安全性。现有BTMS技术包括风冷、相变材料冷却、间接液冷及直接液冷（亦称浸没式冷却）。其中，浸没式冷却展现出卓越的传热能力和温度均匀性[17][18][19][20]。与此同时，先进的液冷策略——包括优化冷板、强化流道以及直接接触冷却方案——已被开发用于强化对流传热并提升严苛工况下的冷却效能[21][22]。近期研究[23][24][25]进一步表明，几何非对称设计、热优化结构以及强化流动路径可显著提升传热性能，这凸显了集成化热设计的重要性，而非仅依赖于冷却剂的选择。
除冷却方法本身的选择外，电池组层面的有效热管理还高度依赖于流体重分布、几何优化和系统级干预措施[26]。在该尺度下，冷却性能不仅取决于特定冷却介质的固有散热能力，更受到冷却液流动方式、热阻分布及电池组内产热不均匀性等因素的支配。已有研究表明，流道排布方式、冷却板几何构型、局部流体重分布及结构优化会对最高温度、温差及水力性能产生显著影响[27][28][29]。近期电池组研究还强调，需将产热分析模型与数值模拟或结构优化相结合，以提升实际运行工况下电池组的整体热响应性能[30]。研究结果表明，实际电池热管理系统（BTMS）设计应视为涉及散热方法与系统级优化的耦合热流体问题。
在现有的冷却方法中，浸没式冷却因其能够直接从电池表面移除热量并保持相对均匀的电池温度而受到越来越多的关注[31]。现有研究表明，浸没式冷却可有效降低电池温升、改善温度均匀性，并在滥用条件下缓解热失控风险[32]、[33]、[34]、[35]。然而，这些研究大多针对地面或车辆应用场景，其最终传热路径通常导向环境空气或二级冷却回路。
在船舶应用中，目前报道的电池热管理系统（BTMS）仍以空气冷却和间接液体冷却为主[24][36]。例如，全球最大的电动船舶Hull 096采用风冷设计，每个电池模块均配备独立专用风扇[37]。意大利Cerri Cantieri Navali（CCN）的混合动力游艇则应用了液冷式热管理系统[38]。相较于空气冷却，液体冷却技术通常能提供更优异的热控制性能。近期研究[27][28][29]主要聚焦于优化冷板构型、微通道结构和流道设计，以在限制水力损失的同时提升冷却效率与温度均匀性。报道结果表明，在船舶运行工况下，此类优化策略可显著降低电池温度并改善热均匀性。然而，作为大型水上平台的船舶在电池容量、功率需求和运行条件方面与道路车辆存在显著差异[39]。船用电池组通常规模更大、运行时间更长，且需承受高温高湿、盐雾及振动等严苛环境[40]。Rasul等[12]指出，大型高能量密度船用电池在散热与温度均匀性方面存在重大挑战，这对电池热管理系统（BTMS）提出了更严格的要求。在此类需求下，风冷与间接冷却方式仍难以满足电动船舶的应用需求。海洋电池热管理领域的一个关键机遇源于船舶系统在水资源丰富的环境中运行这一特性，该环境提供了独特且可能高效的外部冷源。尽管存在这一优势，直接将周围水体作为持续外部传热路径的研究尚未充分开展，且关于外部流动条件、对流转换以及外部结构强化等相关效应仍缺乏明确阐释。
这一局限性同样体现在大多数现有混合电池热管理策略（BTMS）研究中，这些策略仍主要针对陆地或车载应用开发。基于这一研究空白，本研究聚焦于面向船舶应用的复合电池热管理策略，该策略将内部介电流体浸没冷却与外部水对流相结合。不同于主要针对陆地应用而组合现有冷却技术的传统混合冷却策略，本方法明确利用周围流动水体作为持续的外部散热源。此外，该研究不仅通过实验验证了耦合冷却构型的有效性，还定量分析了外部水流速度与翅片强化传热的影响，并阐明了外部主导传热机制由自然对流向强制对流的转变规律。由此，本研究旨在为电动船舶电池热管理系统的设计与优化提供更具针对性的理论依据。
