一型锂电池客渡船电池安全设计分析
时间：2023-02-11 12:35:08 来源：千叶帆 本文已影响人
杜 睿 孟 宁
（1. 中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；
2. 92569部队 三亚 572000）
近年来，在强调绿色环保的大环境下，一系列环保法规政策相继发布实施，对常规燃油动力船舶排放要求逐渐提高。电池动力船舶以其“零排放”、低噪声和较低的运营成本而愈发引人关注。作为船舶主动力源，锂电池安全至关重要。锂电池的主要风险是燃烧和爆炸，原因主要有内、外部短路和外部高温。相比常规燃油动力，锂电池对布置环境和安全配套设备要求更高。加之船上高温、振动等恶劣环境的影响，需要在设计阶段对锂电池安全特别关注。本文针对某磷酸铁锂电池动力内河客渡船，就锂电池安全设计方面开展研究分析。
锂电池动力船舶是以锂电池作为主动力源，经配电系统供给电力推进系统和船上其他负载。主流船舶动力电池类型为三元锂电池和磷酸铁锂电池，国内由于规范法规和价格等原因，目前已上船的均为磷酸铁锂电池。
纯电池动力船在消防方面存在以下难点:
（1）电池总容量大
由于船的用电负载远大于电动汽车等普通陆用锂电池动力设备，导致电池动力船安装电池量和工作电流都很大。以目标船为例，安装锂电池4 000 kWh，约为普通锂电池动力汽车的几十倍。大量的锂电池集中布置且系统复杂，对电池安全性提出了很高的要求。
（2）船舶环境恶劣
船舶大容量动力电池由于体积和重量原因，一般布置于主甲板以下舱室，通风环境相对较差，而且会同时面临振动、潮湿等一系列恶劣环境。磷酸铁锂电池在不同温度条件下的循环测试表明：高温对于电池安全和寿命有直接影响，且电池循环性能随着温度升高迅速下降，同时高温循环后电池负极掉粉现象严重，内阻增幅变大，详见表1。
表1 某型锂电池不同温度下循环次数和容量保持
（3）热失控产生可燃气体及有毒气体影响
锂电池的热失控过程会产生可燃气体及有毒气体。电池舱应急状态下通风不畅会导致可燃、有毒气体聚集，对人员安全及灭火过程有较大影响。电池消防过程中的电池舱排气排烟及人员防护问题尤为重要。2019年10月，挪威MF Ytteroyningen号客船的蓄电池室发生火灾，事故造成多名消防员因为接触与电池有关的有害气体而被送往医院。
2.1 相关规范要求
目前国内法规要求的主要依据是《纯电池动力电动船检验指南》（2019），此法规生效以后，替代以往的《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》（2014）和《钢质内河船舶建造规范2016》中相应磷酸铁锂电池上船应用章节。
相关规范对锂电池船安全要求主要体现在以下几方面：
（1）锂电池单体 / 模块安全要求；
（2）锂电池系统安全要求；
（3）电池管理系统（battery management system,BMS）要求；
（4）锂电池布置要求；
（5）锂电池舱通风冷却要求；
（6）锂电池舱通风/排气要求；
（7）锂电池舱消防要求；
（8）人员逃生通道设置。
2.2 安全控制对策
对电池组的安全控制，可通过如下几个方面实现。
目标船采用的电池单体具备船检形式认可证书，配备电芯级保险丝以保障意外情况隔离单体电芯。每个电池柜通过保护开关和配电系统连接，当电池柜出现过流、短路等故障，开关断开并将故障电池柜隔离。
每个电池簇各自设置温度传感器，监测电芯的温度，并实时将温度信息送至电池管理系统；
根据电芯温度情况，按预设程序控制每簇电池的输入输出功率。当电芯温度超出最高设定值，电池管理系统将此簇电池与系统断开，以防故障蔓延。
每个电池柜内均配备热气溶胶灭火装置，如图1所示。
图1 电池柜外观及内置气溶胶灭火装置
热气溶胶灭火剂是一种固态化学灭火剂。通过热（电）启动后，反应产物经冷却形成并凝集成溶胶状态。在热作用下，反应产物与火焰中的活性基团发生亲和反应，吸收与中和燃烧自由基，从而达到化学方法灭火作用，同时生成的溶胶有极好的热隔绝作用。根据出厂试验结果，热气溶胶能在7～8 s填充整个柜体，达到模组级消防。
采用经过船检认可且具备形式认可证书的BMS。BMS能在电池单体故障或模组故障情况下对故障部分进行判断和切除，将故障影响降低到最小。BMS系统选用主动均衡方法控制，相比被动均衡更安全。
考虑到本船为客船并且电池容量较大，应格外重视动力系统安全性，故采取设计方案如下：
（1）目标船将电池舱左右分开设计，两舱间为A60 防火分隔，防止因单一电池舱电池起火引起的动力源全部丧失。本船装船电池容量较大，分舱布置后，使得单舱电池容量不超过2 000 kWh，即使热失控蔓延也能保证消防效果，提高系统安全性。
（2）目标船根据电池使用时舱内最大发热量和运行区域最高温度计算配备通风机，防止电池舱内热量聚积。根据规范要求在电池舱内配备独立的环境温度监测装置，电池舱温度信号送至监测报警系统和驾控台，供相关操作员参考。如果机械通风满足不了散热需求，就需要考虑空调制冷加入。
（3）磷酸铁锂电池按CCS划分为安全等级2的蓄电池，本船应急通风可以由蓄电池间通风机兼用，不必单独设置应急通风系统。
（4）电池舱内安装火灾报警系统，配备感温和感烟探头。根据电池舱布置，在舱外适当位置安装七氟丙烷气体灭火装置。当电池火灾超出电池柜级别，则释放电池舱七氟丙烷气体。
（5）每个电池舱内设置1架直接通向上甲板的斜梯，2个电池舱间设置1个防火等级为A60的防火门。当起火电池舱的斜梯无法使用时，舱内人员可以经由另一个电池舱逃生。根据规范要求，通往上甲板的门设计成向外开启，见下页图2布置。
图2 电池舱及消防间布置图（图中方块为电池箱）
（6）电池舱段舷侧设置空舱，与船外板保留一定的安全距离，避免因碰撞而导致电池事故。
对于锂电池动力船电池舱消防，规范允许采用七氟丙烷灭火系统和压力水雾灭火系统，目前较多实船采用七氟丙烷灭火系统。对于甲板面积小于4 m的蓄电池舱，可配备足够数量的手提式七氟丙烷灭火器；
超过4 m的蓄电池舱，则需采用固定式灭火系统。相关计算校核是船检要求必须提供的文件。
3.1 七氟丙烷灭火装置布置设计
本船电池舱左右对称分开设计，故七氟丙烷灭火系统也设计为独立2组（如图3所示），分别布置在上一层甲板左右电池消防间（保护区外），对应左右2个电池舱，以下校核计算基于单个电池舱。
图3 七氟丙烷灭火系统布置示意图
3.2 计算基础输入
计算依据：GB50370-2005《气体灭火系统设计规范》。
应用方式：全淹没。
保护区的容积：单个电池舱面积为83.3 m、高度为2.1 m、容积为174.9 m。
根据《气体灭火系统设计规范》规定，设计灭火剂喷放时间取10 s，浸渍时间10 min，灭火剂设计浓度取9%。
3.3 灭火剂设计用量计算
（1）计算灭火剂设计用量
根据《气体灭火系统设计规范》中规定和本船实际使用环境：
最低工作环境温度=0 ℃，海拔修正系数=1；
灭火剂在标准大气压和最低0 ℃工作环境温度下，质量体积可由式（1）求得：
式中：为最低工作环境温度，℃。
保护区容积=174.9 m；
灭火剂设计浓度=9%；
使用灭火剂量：
所需灌装灭火剂量：
式中：Δ为储存容器内的剩余灭火剂量，按2个储存容器（气瓶），每个0.09 m计算，Δ=0.09×2/=1.4 kg；
Δ为管道内的灭火剂剩余量，考虑到系统采用均衡管网，故此值为0。
（2）系统主管道平均设计流量：
式中：主管平均设计流量Q为安装在其下游的所有喷头设计流量之和，Q=14.72 kg/s；
支管平均设计流量Q=Q /2=7.36 kg/s。
（3）管网各段管径选择
根据《气体灭火系统设计规范》要求：当6.0 kg/s≤（管道设计流量）≤160.0 kg/s时，管径
其中：主管管径在28～56 mm，初选主管管径DN50；
支管管径在20～40 mm，初选支管管径DN32。
（4）过程中点时储存容器内压力
本方案每个电池舱消防系统均采用90 L钢瓶2个，储存容器的数量为2，储存容器的容量V为0.09 m，充装率为826 kg/m，满足90 L焊接气瓶充装率不超过950 kg/m的规范要求。七氟丙烷液体密度为1 407 kg/m，灭火剂释放前，储存容器（气瓶）内的气相总容积
灭火剂存储容器增压压力=4.3 MPa（此数据为存储容器厂家提供），N32主管单位体积0.001 96 m、长度为2 m，DN25支管单位体积0.000 8 m、长度为3.5 m，管网的管道内容积V=主管体积+支管体积=0.009 52 m。
过程中点时储存容器（气瓶）内压力：
故P=2.32 MPa。
（5）管路阻力损失计算
单位长度管路阻力损失：
或按照规范中推荐的“镀锌钢管阻力损失与七氟丙烷流量关系”曲线查询得知：
主管路:Q=14.72 kg/s，=50 mm，阻力损失△/=0.02 MPa/m，主管路阻力损失△=△/×2 m=0.04 MPa。
支管路:Q=7.36 kg/s，=32 mm，阻力损失△/=0.018 MPa/m，支管路阻力损失△=△/×3.5 m=0.063 MPa。
总管路阻力损失△=△+△=0.103 MPa。
（6）高程压头计算
式中：重力加速度=9.8 m/s²；
根据目前布置，储存容器内液面高于喷头，位差=1.8 m。
（7）喷头工作压力计算
本船储存容器内液面高于喷头，喷头工作压力：
故P=2.289 MPa。
（8）验证设计计算结果
依据规范的规定，喷头工作压力应同时满足下列条件：
P≥0.7 MPa，并且P≥P /2=1.184 MPa。
根据以上计算，P=2.289 MPa，满足规范要求。
需要注意的是，《内河船舶法定检验技术规则》相比《气体灭火系统设计规范》，对七氟丙烷灭火剂量增加了8%的裕量要求。所以灭火剂量计算时应参照《内河船舶法定检验技术规则》，喷头压力校核仍参照《气体灭火系统设计规范》。
作为一种全新的船舶动力能源类型，锂电池动力在布置、运行环境要求、热失控原因以及消防手段等都与传统燃油动力有显著区别。此类船舶设计需要重点围绕锂电池安全展开。本文从市场产品和规范法规现状研究了目前可行的锂电池动力船安全性措施。并对于典型的固定式七氟丙烷灭火系统进行计算校核。但需要注意：目标船采用的是磷酸铁锂电池，当采用其他类型锂电池时，需要充分考虑不同电池的布置、消防和充放电散热等需求。另外，目前使用的七氟丙烷灭火介质，在受热后会分解产生氢氟酸，对人体有害并会腐蚀电子产品，释放后处理较繁琐。未来针对锂电池火灾的新型环保灭火介质将是重要的研究方向。
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