一型鋰電池客渡船電池安全設計分析

杜 睿 孟 寧

（1. 中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011； 2. 92569部隊 三亞 572000）

0 引 言

近年來，在強調(diào)綠色環(huán)保的大環(huán)境下，一系列環(huán)保法規(guī)政策相繼發(fā)布實施，對常規(guī)燃油動力船舶排放要求逐漸提高。電池動力船舶以其“零排放”、低噪聲和較低的運營成本而愈發(fā)引人關注。作為船舶主動力源，鋰電池安全至關重要。鋰電池的主要風險是燃燒和爆炸，原因主要有內(nèi)、外部短路和外部高溫。相比常規(guī)燃油動力，鋰電池對布置環(huán)境和安全配套設備要求更高。加之船上高溫、振動等惡劣環(huán)境的影響，需要在設計階段對鋰電池安全特別關注。本文針對某磷酸鐵鋰電池動力內(nèi)河客渡船，就鋰電池安全設計方面開展研究分析。

1 鋰電池動力船安全設計難點

鋰電池動力船舶是以鋰電池作為主動力源，經(jīng)配電系統(tǒng)供給電力推進系統(tǒng)和船上其他負載。主流船舶動力電池類型為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，國內(nèi)由于規(guī)范法規(guī)和價格等原因，目前已上船的均為磷酸鐵鋰電池。

純電池動力船在消防方面存在以下難點:

（1）電池總?cè)萘看?/p>

由于船的用電負載遠大于電動汽車等普通陸用鋰電池動力設備，導致電池動力船安裝電池量和工作電流都很大。以目標船為例，安裝鋰電池4 000 kWh，約為普通鋰電池動力汽車的幾十倍。大量的鋰電池集中布置且系統(tǒng)復雜，對電池安全性提出了很高的要求。

（2）船舶環(huán)境惡劣

船舶大容量動力電池由于體積和重量原因，一般布置于主甲板以下艙室，通風環(huán)境相對較差，而且會同時面臨振動、潮濕等一系列惡劣環(huán)境。磷酸鐵鋰電池在不同溫度條件下的循環(huán)測試表明：高溫對于電池安全和壽命有直接影響，且電池循環(huán)性能隨著溫度升高迅速下降，同時高溫循環(huán)后電池負極掉粉現(xiàn)象嚴重，內(nèi)阻增幅變大，詳見表1。

表1 某型鋰電池不同溫度下循環(huán)次數(shù)和容量保持

（3）熱失控產(chǎn)生可燃氣體及有毒氣體影響

鋰電池的熱失控過程會產(chǎn)生可燃氣體及有毒氣體。電池艙應急狀態(tài)下通風不暢會導致可燃、有毒氣體聚集，對人員安全及滅火過程有較大影響。電池消防過程中的電池艙排氣排煙及人員防護問題尤為重要。2019年10月，挪威MF Ytteroyningen號客船的蓄電池室發(fā)生火災，事故造成多名消防員因為接觸與電池有關的有害氣體而被送往醫(yī)院。

2 鋰電池船安全控制策略

2.1 相關規(guī)范要求

目前國內(nèi)法規(guī)要求的主要依據(jù)是《純電池動力電動船檢驗指南》（2019），此法規(guī)生效以后，替代以往的《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南》（2014）和《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范2016》中相應磷酸鐵鋰電池上船應用章節(jié)。

相關規(guī)范對鋰電池船安全要求主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）鋰電池單體 / 模塊安全要求；

（2）鋰電池系統(tǒng)安全要求；

（3）電池管理系統(tǒng)（battery management system,BMS）要求；

（4）鋰電池布置要求；

（5）鋰電池艙通風冷卻要求；

（6）鋰電池艙通風/排氣要求；

（7）鋰電池艙消防要求；

（8）人員逃生通道設置。

2.2 安全控制對策

對電池組的安全控制，可通過如下幾個方面實現(xiàn)。

目標船采用的電池單體具備船檢形式認可證書，配備電芯級保險絲以保障意外情況隔離單體電芯。每個電池柜通過保護開關和配電系統(tǒng)連接，當電池柜出現(xiàn)過流、短路等故障，開關斷開并將故障電池柜隔離。

每個電池簇各自設置溫度傳感器，監(jiān)測電芯的溫度，并實時將溫度信息送至電池管理系統(tǒng)；根據(jù)電芯溫度情況，按預設程序控制每簇電池的輸入輸出功率。當電芯溫度超出最高設定值，電池管理系統(tǒng)將此簇電池與系統(tǒng)斷開，以防故障蔓延。

每個電池柜內(nèi)均配備熱氣溶膠滅火裝置，如圖1所示。

圖1 電池柜外觀及內(nèi)置氣溶膠滅火裝置

熱氣溶膠滅火劑是一種固態(tài)化學滅火劑。通過熱（電）啟動后，反應產(chǎn)物經(jīng)冷卻形成并凝集成溶膠狀態(tài)。在熱作用下，反應產(chǎn)物與火焰中的活性基團發(fā)生親和反應，吸收與中和燃燒自由基，從而達到化學方法滅火作用，同時生成的溶膠有極好的熱隔絕作用。根據(jù)出廠試驗結果，熱氣溶膠能在7～8 s填充整個柜體，達到模組級消防。

采用經(jīng)過船檢認可且具備形式認可證書的BMS。BMS能在電池單體故障或模組故障情況下對故障部分進行判斷和切除，將故障影響降低到最小。BMS系統(tǒng)選用主動均衡方法控制，相比被動均衡更安全。

考慮到本船為客船并且電池容量較大，應格外重視動力系統(tǒng)安全性，故采取設計方案如下：

（1）目標船將電池艙左右分開設計，兩艙間為A60 防火分隔，防止因單一電池艙電池起火引起的動力源全部喪失。本船裝船電池容量較大，分艙布置后，使得單艙電池容量不超過2 000 kWh，即使熱失控蔓延也能保證消防效果，提高系統(tǒng)安全性。

（2）目標船根據(jù)電池使用時艙內(nèi)最大發(fā)熱量和運行區(qū)域最高溫度計算配備通風機，防止電池艙內(nèi)熱量聚積。根據(jù)規(guī)范要求在電池艙內(nèi)配備獨立的環(huán)境溫度監(jiān)測裝置，電池艙溫度信號送至監(jiān)測報警系統(tǒng)和駕控臺，供相關操作員參考。如果機械通風滿足不了散熱需求，就需要考慮空調(diào)制冷加入。

（3）磷酸鐵鋰電池按CCS劃分為安全等級2的蓄電池，本船應急通風可以由蓄電池間通風機兼用，不必單獨設置應急通風系統(tǒng)。

（4）電池艙內(nèi)安裝火災報警系統(tǒng)，配備感溫和感煙探頭。根據(jù)電池艙布置，在艙外適當位置安裝七氟丙烷氣體滅火裝置。當電池火災超出電池柜級別，則釋放電池艙七氟丙烷氣體。

（5）每個電池艙內(nèi)設置1架直接通向上甲板的斜梯，2個電池艙間設置1個防火等級為A60的防火門。當起火電池艙的斜梯無法使用時，艙內(nèi)人員可以經(jīng)由另一個電池艙逃生。根據(jù)規(guī)范要求，通往上甲板的門設計成向外開啟，見下頁圖2布置。

圖2 電池艙及消防間布置圖（圖中方塊為電池箱）

（6）電池艙段舷側(cè)設置空艙，與船外板保留一定的安全距離，避免因碰撞而導致電池事故。

3 七氟丙烷滅火系統(tǒng)校核計算

對于鋰電池動力船電池艙消防，規(guī)范允許采用七氟丙烷滅火系統(tǒng)和壓力水霧滅火系統(tǒng)，目前較多實船采用七氟丙烷滅火系統(tǒng)。對于甲板面積小于4 m的蓄電池艙，可配備足夠數(shù)量的手提式七氟丙烷滅火器；超過4 m的蓄電池艙，則需采用固定式滅火系統(tǒng)。相關計算校核是船檢要求必須提供的文件。

3.1 七氟丙烷滅火裝置布置設計

本船電池艙左右對稱分開設計，故七氟丙烷滅火系統(tǒng)也設計為獨立2組（如圖3所示），分別布置在上一層甲板左右電池消防間（保護區(qū)外），對應左右2個電池艙，以下校核計算基于單個電池艙。

圖3 七氟丙烷滅火系統(tǒng)布置示意圖

3.2 計算基礎輸入

計算依據(jù)：GB50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》。

應用方式：全淹沒。

保護區(qū)的容積：單個電池艙面積為83.3 m、高度為2.1 m、容積為174.9 m。

根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》規(guī)定，設計滅火劑噴放時間取10 s，浸漬時間10 min，滅火劑設計濃度取9%。

3.3 滅火劑設計用量計算

（1）計算滅火劑設計用量

根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》中規(guī)定和本船實際使用環(huán)境：

最低工作環(huán)境溫度=0 ℃，海拔修正系數(shù)=1；滅火劑在標準大氣壓和最低0 ℃工作環(huán)境溫度下，質(zhì)量體積可由式（1）求得：

式中：為最低工作環(huán)境溫度，℃。

保護區(qū)容積=174.9 m；滅火劑設計濃度=9%；使用滅火劑量：

所需灌裝滅火劑量：

式中：Δ為儲存容器內(nèi)的剩余滅火劑量，按2個儲存容器（氣瓶），每個0.09 m計算，Δ=0.09×2/=1.4 kg；Δ為管道內(nèi)的滅火劑剩余量，考慮到系統(tǒng)采用均衡管網(wǎng)，故此值為0。

（2）系統(tǒng)主管道平均設計流量：

式中：主管平均設計流量Q為安裝在其下游的所有噴頭設計流量之和，Q=14.72 kg/s；支管平均設計流量Q=Q /2=7.36 kg/s。

（3）管網(wǎng)各段管徑選擇

根據(jù)《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》要求：當6.0 kg/s≤（管道設計流量）≤160.0 kg/s時，管徑

其中：主管管徑在28～56 mm，初選主管管徑DN50；支管管徑在20～40 mm，初選支管管徑DN32。

（4）過程中點時儲存容器內(nèi)壓力

本方案每個電池艙消防系統(tǒng)均采用90 L鋼瓶2個，儲存容器的數(shù)量為2，儲存容器的容量V為0.09 m，充裝率為826 kg/m，滿足90 L焊接氣瓶充裝率不超過950 kg/m的規(guī)范要求。七氟丙烷液體密度為1 407 kg/m，滅火劑釋放前，儲存容器（氣瓶）內(nèi)的氣相總?cè)莘e

滅火劑存儲容器增壓壓力=4.3 MPa（此數(shù)據(jù)為存儲容器廠家提供），N32主管單位體積0.001 96 m、長度為2 m，DN25支管單位體積0.000 8 m、長度為3.5 m，管網(wǎng)的管道內(nèi)容積V=主管體積+支管體積=0.009 52 m。

過程中點時儲存容器（氣瓶）內(nèi)壓力：

故P=2.32 MPa。

（5）管路阻力損失計算

單位長度管路阻力損失：

或按照規(guī)范中推薦的“鍍鋅鋼管阻力損失與七氟丙烷流量關系”曲線查詢得知：

主管路:Q=14.72 kg/s，=50 mm，阻力損失△/=0.02 MPa/m，主管路阻力損失△=△/×2 m=0.04 MPa。

支管路:Q=7.36 kg/s，=32 mm，阻力損失△/=0.018 MPa/m，支管路阻力損失△=△/×3.5 m=0.063 MPa。

總管路阻力損失△=△+△=0.103 MPa。

（6）高程壓頭計算

式中：重力加速度=9.8 m/s2；根據(jù)目前布置，儲存容器內(nèi)液面高于噴頭，位差=1.8 m。

（7）噴頭工作壓力計算

本船儲存容器內(nèi)液面高于噴頭，噴頭工作壓力：

故P=2.289 MPa。

（8）驗證設計計算結果

依據(jù)規(guī)范的規(guī)定，噴頭工作壓力應同時滿足下列條件：

P≥0.7 MPa，并且P≥P /2=1.184 MPa。

根據(jù)以上計算，P=2.289 MPa，滿足規(guī)范要求。

需要注意的是，《內(nèi)河船舶法定檢驗技術規(guī)則》相比《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》，對七氟丙烷滅火劑量增加了8%的裕量要求。所以滅火劑量計算時應參照《內(nèi)河船舶法定檢驗技術規(guī)則》，噴頭壓力校核仍參照《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》。

4 結 語

作為一種全新的船舶動力能源類型，鋰電池動力在布置、運行環(huán)境要求、熱失控原因以及消防手段等都與傳統(tǒng)燃油動力有顯著區(qū)別。此類船舶設計需要重點圍繞鋰電池安全展開。本文從市場產(chǎn)品和規(guī)范法規(guī)現(xiàn)狀研究了目前可行的鋰電池動力船安全性措施。并對于典型的固定式七氟丙烷滅火系統(tǒng)進行計算校核。但需要注意：目標船采用的是磷酸鐵鋰電池，當采用其他類型鋰電池時，需要充分考慮不同電池的布置、消防和充放電散熱等需求。另外，目前使用的七氟丙烷滅火介質(zhì)，在受熱后會分解產(chǎn)生氫氟酸，對人體有害并會腐蝕電子產(chǎn)品，釋放后處理較繁瑣。未來針對鋰電池火災的新型環(huán)保滅火介質(zhì)將是重要的研究方向。