The effect of large-scale lithium-ion battery pack thermal runaway on energy storage system room structures on ferries

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis

Authors

Date

2025-07-31

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's programme in Mechanical Engineering

Language

en

Pages

84

Series

Abstract

This study investigates the effect of a modern 500 kWh burning Nickel Manganese Cobalt (NMC) lithium ion battery pack on S355-grade steel structures in a fully electric ferry. An approximation for the heat release rate (HRR) curve was defined based on available data from the open literature to approximate the external thermal load from the burning battery pack. A two-step uncoupled thermomechanical analysis was performed using FEMAP Simcenter NASTRAN. An iterative Simcenter NASTRAN transient heat transfer analysis provided a temperature field that was used as a load in the second analysis step. The resulting structural behavior was inspected using a non-iterative linear static solver by NASTRAN as the second step. This study provides valuable information on the limitations and relevance of uncoupled linear analysis to solve thermomechanical problems compared to the most advanced fully coupled nonlinear analysis procedures to evaluate the structural behavior of a ferry under battery fire.

Tämä työ tutkii modernin, 500 kWh suuruisen, palavan Nikkeli Mangaani Koboltti (NMC) litiumioniakkupaketin vaikutusta täyssähköisen lautan S355-teräsrakenteisiin. Approksimaatio lämmönvapautumistehon (HRR) käyrälle määritettiin avoimen kirjallisuuden perusteella ulkoisen akkupaketista aiheutuvan palokuorman arvioimiseksi. Kaksivaiheinen kytkemätön lämpömekaaninen analyysi suoritettiin FEMAP Simcenter NASTRAN:ia hyödyntäen. Analyysin toisessa vaiheessa lämpökuormaksi vaadittu lämpökenttä määritettiin suorittamalla iteratiivinen Simcenter NASTRAN aikariippuvainen lämmönsiirtymäanalyysi prosessin ensimmäisessä vaiheessa. Toisessa vaiheessa rakenteen vastetta lämpökuormaan tutkittiin NASTRAN:in epäiteratiivisella lineaaris-staattisella ratkaisijalla. Työ antaa arvokasta tietoa epäkytketyn analyysitavan rajoitteista ja relevanssista lämpömekaanisten ongelmien ratkaisemiseen verrattuna edistyneimpiin, täysin kytkettyihin, analyysitapoihin lautan akkupalokuorman vaikutusten tutkimisessa.

Description

Supervisor

Romanoff, Jani

Thesis advisor

Kivelä, Eetu

Keywords

finite element method, linear thermo-mechanical analysis, thermal runaway, battery fire, marine batteries, electric ferry

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508186271

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG