基于事故樹法的船舶動(dòng)力電池充換電安全分析*

張文芬 嚴(yán)新平

(1.武漢紡織大學(xué)管理學(xué)院 武漢 430200；2.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心 武漢 430063)

0 引 言

中國90%以上船舶為柴油機(jī)動(dòng)力船舶，隨著中國水運(yùn)需求快速增長，環(huán)境污染、能源消耗問題日益突出，綠色船舶已成為未來船舶主要發(fā)展方向。電池動(dòng)力船舶具有運(yùn)營成本低、能源節(jié)約，噪聲低，無油污水污染等優(yōu)點(diǎn)。綠色船舶制造技術(shù)的創(chuàng)新與升級(jí)、動(dòng)力鋰電池技術(shù)的成熟與推廣為電池動(dòng)力船舶應(yīng)用和普及提供了良好的技術(shù)支撐和發(fā)展契機(jī)。

歐洲電動(dòng)駁船已經(jīng)開始批量投放[1]，中國電池動(dòng)力船也正成為一項(xiàng)具備戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)，在內(nèi)河渡輪、游船、集裝箱船、貨船等應(yīng)用廣泛，但隨之而來的安全問題不容忽視。2013—2016年南京、北京、揚(yáng)州、合肥等地相繼發(fā)生10多起電動(dòng)游船火災(zāi)爆炸事故，造成了嚴(yán)重的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、壞境破壞。

船舶航距遠(yuǎn)，載重量大，能量需求大，而船舶搭載電池容量有限，續(xù)航能力有限，航行途中主要通過電池充換電實(shí)現(xiàn)能量補(bǔ)給，涉及充電、換電、裝卸、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，存在諸多安全隱患，安全事故頻繁發(fā)生。因此電池動(dòng)力船舶充換電安全性值得深入研究，國內(nèi)外專家和學(xué)者在動(dòng)力電池安全性、電池充換電安全、新能源船舶安全方面開展了相關(guān)研究。

國內(nèi)外關(guān)于動(dòng)力電池安全性研究，主要集中在電池充電安全、火災(zāi)危險(xiǎn)性、電池老化等方面，多采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值模擬、事故樹模型等研究方法。盧蘭光等[2]對(duì)鋰離子電池性能進(jìn)行測(cè)試研究，確定影響其性能的主要因素及變化規(guī)律。Rezvanizaniani 等[3]研究了電池老化過程、影響因素和衡量參數(shù)，提出了電池預(yù)測(cè)和安全管理技術(shù)，包括電池SOC評(píng)估和SOH預(yù)測(cè)技術(shù)，用來監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車運(yùn)行安全。Lisbona[4]針對(duì)不同的電池火災(zāi)類型，提出了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)控制措施和火災(zāi)撲救策略。杜珺等[5]編制了鋰電池航空運(yùn)輸火災(zāi)事故樹，通過事故樹分析軟件對(duì)其進(jìn)行定性分析，并結(jié)合三角模糊數(shù)原理，解決事故樹分析方法不能確定事件精確發(fā)生概率的問題。Soares等[6]從電池動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用生命周期，對(duì)鋰電池動(dòng)力裝置風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并詳細(xì)列出各種情形下的危險(xiǎn)事故、危險(xiǎn)狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)概率、風(fēng)險(xiǎn)程度、風(fēng)險(xiǎn)控制措施。事故樹法廣泛應(yīng)用在危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸、純電動(dòng)車的運(yùn)輸安全研究中[7-8]。

關(guān)于電池充換電安全研究，以電動(dòng)汽車領(lǐng)域研究為主。賀春等[9]通過對(duì)安全模型的研究和事故鏈的梳理，建立電動(dòng)汽車充電安全模型，并提出相應(yīng)的安全措施。Zaghib等[10]分析了充電電壓、容量、溫度與電池壽命間的作用關(guān)系。何向明、歐陽明高[11-12]等總結(jié)動(dòng)力電池充電安全、電池?fù)p壞等安全問題，并揭示電池安全事故的產(chǎn)生機(jī)理。

關(guān)于新能源船舶安全，嚴(yán)新平[13]對(duì)新能源在船舶上的應(yīng)用進(jìn)行展望；周唯等[14]提出了溢油回收船動(dòng)力系統(tǒng)安全節(jié)能設(shè)計(jì)方案；聶細(xì)亮等[15]從安全操作、安全建模、安全管理等方面對(duì)LNG船舶運(yùn)輸安全進(jìn)行綜述；李峰等[16]等運(yùn)用數(shù)值模擬研究了燃料電池船舶氫氣泄露、爆炸對(duì)船舶安全帶來了威脅；王星昱[17]從設(shè)計(jì)的角度研究岸電系統(tǒng)的安全與保護(hù)裝置，李曉光等[18]研究船舶岸電的安全連接。

中國乃至全球缺乏針對(duì)電池動(dòng)力船舶的安全管理制度和規(guī)定，充換電是電池動(dòng)力船舶運(yùn)營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，現(xiàn)有關(guān)于電池動(dòng)力船舶安全研究多集中在電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估[19]和故障分析，關(guān)于船舶充換電安全文獻(xiàn)十分匱乏，對(duì)船舶動(dòng)力電池充換電安全展開研究顯得尤為重要。

動(dòng)力電池安全性是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，也是電動(dòng)船推廣應(yīng)用關(guān)鍵所在。本文首先分析船舶動(dòng)力電池充換電模式和流程，總結(jié)火災(zāi)爆炸、電池?fù)p壞2類主要安全事故發(fā)生機(jī)理，構(gòu)建事故樹模型，再采用布爾代數(shù)法、結(jié)構(gòu)重要度公式、Trilith事故樹分析軟件，結(jié)合湖州500 t電動(dòng)貨船實(shí)例，對(duì)電池動(dòng)力船舶充換電安全性事故進(jìn)行系統(tǒng)分析，最后從技術(shù)、管理層面提出船舶動(dòng)力電池充換電安全管控措施。

1 船舶動(dòng)力電池充換電模式與安全事故

合理充換電是保證動(dòng)力電池船舶正常運(yùn)營的前提，為滿足多樣化的充電需求，船舶充換電有交流慢充、直流快充和更換電池3種模式。

1)交流慢充。目前最常見的船舶充電方式，在岸邊布設(shè)充電樁，當(dāng)船舶靠港時(shí)，用充電電纜把船舶電池接入電網(wǎng)，采用恒壓恒流式充電, 充電電流相對(duì)較低。

2)直流快充。直流快充是以高強(qiáng)電流短時(shí)間為電池充電，多是應(yīng)急狀況下或有時(shí)效要求情況下采用，廣州瑞華內(nèi)河航運(yùn)船電池容量2 400 kWh。但直流快充對(duì)電池性能要求較高，且大電流充電會(huì)致使電池過熱，縮短電池使用壽命。

3)更換電池。更換電池是指船舶航行至換電站，利用港口裝卸設(shè)備將低電電池箱卸下，滿電電池箱更換至船。按照充電站的位置，更換電池模式可細(xì)分為岸邊充電、集中充電(充電站)2種方式。岸邊充電是指充電站建設(shè)在該換電站內(nèi)或附近岸邊，充電在換電站內(nèi)或附近完成，通過正面吊或者叉車即可完成低電和滿電電池箱運(yùn)輸作業(yè)。集中充電是一個(gè)充電站覆蓋若干換電站，通常充電站建設(shè)在港口內(nèi)陸地區(qū)，將多個(gè)換電站電池集中起來充電，完成充電后統(tǒng)一配送。滿電電池箱提前運(yùn)送至換電站，低電電池箱卸下后運(yùn)送至充電站充電，通過集裝箱汽車將電池箱運(yùn)送至充電站，正面吊、叉車等輔助設(shè)備進(jìn)行集裝箱的堆疊和運(yùn)輸作業(yè)。

綜上，電池動(dòng)力船舶充換電共包括電池充電、電池裝卸船、電池車輛裝載、電池運(yùn)輸(汽車和船舶運(yùn)輸)和儲(chǔ)存5個(gè)操作環(huán)節(jié)。

電池動(dòng)力船舶多以磷酸鐵鋰電池為動(dòng)力源，生產(chǎn)儲(chǔ)存或運(yùn)輸途中的各種因素如短路、高溫、跌落、撞擊、擠壓、包裝破損、受潮、電池鼓脹、設(shè)計(jì)缺陷等均有可能導(dǎo)致鋰電池發(fā)生安全事故。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上安全事故是發(fā)生在電池充換電過程中，如火災(zāi)事故、電池?fù)p壞等，事故危害性大。其中充電和儲(chǔ)存過程易發(fā)生火災(zāi)事故；裝卸和運(yùn)輸過程，由于電池沒有接入電路中，多以電池?fù)p壞事故為主。

1)電池火災(zāi)爆炸事故。導(dǎo)致船舶動(dòng)力電池發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的直接原因有：①外部熱源。電池持續(xù)吸收環(huán)境中的熱量而溫度升高，會(huì)發(fā)生熱失控，并釋放出大量可燃?xì)怏w，遇明火發(fā)生燃燒、爆炸。②電池短路。磷酸鐵鋰電池在短路條件下，電路中電流較大，會(huì)長時(shí)間持續(xù)放熱，從而發(fā)生電池爆炸、自燃。 ③電池過充。過度充電或BMS系統(tǒng)故障時(shí)，鋰電池內(nèi)部熱量積累，產(chǎn)生大量熱量、氣體，會(huì)引起電池的溫度、壓力急劇增加，從而導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故。

2)電池?fù)p壞事故。電池充換電過程中，與其他交通工具、輔助設(shè)施接觸頻繁，容易出現(xiàn)電池?fù)p壞狀況，如：電池受機(jī)械沖擊變形、擠壓、針刺、破損等，且電池過充、過放均對(duì)會(huì)電池造成損壞。一

般符合國家標(biāo)準(zhǔn)的磷酸鐵鋰電池，由于電解質(zhì)中添加了阻燃劑，不考慮電池內(nèi)部隔膜擠壓破裂引起的短路火災(zāi)事故。

2 船舶動(dòng)力電池充換電安全事故樹

由于電池動(dòng)力船舶尚未推廣普及，目前有關(guān)電池動(dòng)力船舶運(yùn)營的安全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏，無法采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色預(yù)測(cè)、支持向量機(jī)模型等基于數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，本研究選用事故樹模型，對(duì)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)依賴程度低，并結(jié)合電池動(dòng)力船舶事故機(jī)理特性，探究和梳理了船舶電池充換電過程的安全事故，并運(yùn)用采用布爾代數(shù)法定量測(cè)算出船舶動(dòng)力電池充換電安全事故發(fā)生的概率。

在充換電安全事故分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探析事故誘因，包括電池質(zhì)量問題(原材料質(zhì)量缺陷，設(shè)計(jì)缺陷、工藝缺陷等)、(錯(cuò)誤充放電、碰撞、外部短路、高溫使用等)、惡劣環(huán)境(高溫、潮濕、顛簸)等。從船舶充換電流程視角，查找并識(shí)別各環(huán)節(jié)引發(fā)安全事故的事件[20]，并分析事件間的邏輯關(guān)系，進(jìn)一步細(xì)化研究事件發(fā)生的影響因素，分別建立電池?fù)p壞事故樹和電池火災(zāi)事故樹如圖1和圖2所示。

充換電電池安全事故事件樹模型中各事件編號(hào)和描述如表1所示。

圖2 船舶充換電電池火災(zāi)事故樹模型Fig.2 Battery fire accident tree model for ship charging

表1 參數(shù)描述Tab.1 Parameter Description

3 電池動(dòng)力船舶充換電安全分析

3.1 最小割集

在事件樹模型中，頂事件是研究對(duì)象事件，最小割集就是頂事件發(fā)生的一種可能途徑?；诖皠?dòng)力電池充換電安全事故樹模型，應(yīng)用安全系統(tǒng)工程理論，列出邏輯關(guān)系式，求出最小割集，找出引發(fā)船舶充換電安全事故的可能路徑，以電池?fù)p壞事故為例，用布爾代數(shù)法求電池?fù)p壞事故的最小割集。

頂事件電池?fù)p壞事故T1

T1=A1+A2

=(A3+X3+X4+X5)+(A4+A5+A6)

=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+

X9+X10

(1)

即船舶充換電電池?fù)p壞事故的最小割集有{X1}，{X2}，{X3}，{X4},…,{X10}共10組。同理，對(duì)于船舶充換電火災(zāi)事故T2

T2=A7+A8

=(A9+A10+A3+A11)+(A12+X18)

=X3+X4+X11+X12+X13+X1+X2+

X14+X15X16+X17X16+X18

(2)

船舶充換電電池火災(zāi)事故最小割集有11組:

{X1}，{X2}，{X3}，{X4},{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15X16}，{X17X16}，{X18}。

3.2 基本事件結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度反映基本事件在事故樹中的重要性，即影響程度。故障樹一旦建立,各事件間的邏輯關(guān)系就確定了,不考慮基本事件發(fā)生概率，只與故障樹的結(jié)構(gòu)有關(guān)，基本事件結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算公式如下。

由于底事件xi(i=1,2，…,n)的狀態(tài)取0或1，當(dāng)xi處于某一狀態(tài)時(shí)，其余n-1個(gè)底事件組合系統(tǒng)狀態(tài)為2n-1，因此，底事件xi的結(jié)構(gòu)重要度定義為

(3)

式中：n為底事件個(gè)數(shù)。

∑φ(1ix)=(x1，x2，…,xi-1,1i,xi+1,…,xn)，即第i個(gè)底事件為1。

∑φ(0ix)=(x1，x2，…,xi-1,1i,xi+1,…,xn)，即第i個(gè)底事件為0。

該定義中，∑φ(1ix)表示底事件xi和頂事件同時(shí)發(fā)生的狀態(tài)組合數(shù)目，即xi=1；φ(x)=1;∑φ(0ix)表示底事件xi不發(fā)生而頂事件發(fā)生的狀態(tài)組合數(shù)目，即xi=0；φ(x)=1。兩者相減則代表了底事件xi發(fā)生則頂事件發(fā)生、且底事件xi不發(fā)生頂事件也不發(fā)生的情況。

船舶充換電電池?fù)p壞事故樹基本事件個(gè)數(shù)n=10，各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度為

29+1)=0.001 95

(4)

船舶充換電電池火災(zāi)事故樹基本事件個(gè)數(shù)n=12，各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度為

Iφ(1) =Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(11)=Iφ(12)

(5)

(6)

(7)

3.3 頂事件發(fā)生概率

頂事件發(fā)生的概率也是系統(tǒng)失效概率，在數(shù)值上等于最小割集發(fā)生的概率和除去重復(fù)計(jì)算的部分。

設(shè)某事故樹有k個(gè)最小并集：E1，E2，…,Ek頂上事件的發(fā)生概率等于k個(gè)最小并集發(fā)生概率的代數(shù)和，減去k個(gè)最小并集兩兩組合概率積的代數(shù)和，加上三三組合概率積的代數(shù)和，直到加上(-1)k-1乘以k個(gè)最小割集全部組合在一起的概率積。計(jì)算見式(8)。

(8)

式中：I為基本事件的序數(shù)；qi為基本事件的發(fā)生概率；xi∈Kj為第i個(gè)基本事件屬于第j個(gè)最小割集；j，s為最小割集的序數(shù)；k為最小割集的個(gè)數(shù)；xi∈Kj∪Ks為第i個(gè)基本事件或?qū)儆诘趈個(gè)最小并集，或?qū)儆诘趕個(gè)最小并集；1≤j

在計(jì)算頂事件發(fā)生概率前需確定各基本事件發(fā)生概率，依據(jù)事件發(fā)生可能程度，可將事件發(fā)生概率分為7個(gè)等級(jí)，如表2所示。

表2 概率等級(jí)表Tab.2 Probability level table

以湖州500 t級(jí)的電池動(dòng)力貨船為例，對(duì)船舶充換電過程中的可能出現(xiàn)的18個(gè)基本事件進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，采用問卷調(diào)查法，調(diào)查對(duì)象為湖州電動(dòng)貨船的船長、船員、港航管理人員等15人，得到船舶充換電安全事故樹模型中18個(gè)基本事件發(fā)生概率如表3所示。

利用事故樹分析軟件Trilith，將基本事件發(fā)生概率值，輸入事故樹模型，計(jì)算頂事件電池?fù)p壞發(fā)生的概率為0.022 27，用Trilith軟件計(jì)算界面如圖3；電池火災(zāi)發(fā)生的概率為0.024 02,用Trilith軟件計(jì)算界面如圖4所示，火災(zāi)發(fā)生概率略高于電池?fù)p壞概率。

本案例中，電池?fù)p壞、火災(zāi)事故發(fā)生的概率分別為2.22%，2.24%與同領(lǐng)域其他研究結(jié)果基本一致。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，均指出動(dòng)力電池安全事故發(fā)生的概率范圍為2%～8%。文獻(xiàn)[21]依據(jù)電動(dòng)汽車充電站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到電池充電安全故障率為8%，文獻(xiàn)[22]中指出電動(dòng)汽車充換電故障率為3.7%～5.8%；文獻(xiàn)[5]求得鋰電池火災(zāi)事故發(fā)生的概率為2.3%，因此，本研究所提出的電池充換電安全評(píng)估失電的方法基本合理有效。

表3 基本事件發(fā)生概率表Tab.3 Basic Event Probability Table

4 研究結(jié)論與對(duì)策建議

目前關(guān)于電動(dòng)船舶安全性研究的文獻(xiàn)十分匱乏，船舶電池充換電安全的研究幾乎處于空白，筆者運(yùn)用事故樹對(duì)船舶充換電安全進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下。

1)導(dǎo)致船舶動(dòng)力電池充換電安全事故的可能路徑有21條，任何一條路徑發(fā)生，安全事故就會(huì)出現(xiàn)，且大多數(shù)最小割集是一個(gè)基本事件，如高溫、起吊設(shè)備故障、連鎖問題等單獨(dú)事件發(fā)生均會(huì)引發(fā)安全事故，必須有效控制好每個(gè)導(dǎo)致充換電安全事故的基本因素。

圖3 電池?fù)p壞事故發(fā)生概率Fig.3 Probability of Battery Damage Accident

圖4 充換電火災(zāi)事故發(fā)生概率Fig.4 Probability of ship charging

2)在電池?fù)p壞事故樹模型中，10個(gè)基本事件結(jié)構(gòu)重要度相同，均為0.001 95，可見各基本事件對(duì)電池?fù)p壞事故的影響程度相當(dāng)；在火災(zāi)爆炸事件中，基本事件可燃?xì)怏w、導(dǎo)體靜電、摩擦靜電的結(jié)構(gòu)重要度較高，分別為0.000 98,0.000 49,0.000 49，對(duì)引發(fā)火災(zāi)事故的影響突出，其他基本事件結(jié)構(gòu)重要度差異性不明顯?；馂?zāi)事故中基本事件結(jié)構(gòu)重要度要高于電池?fù)p壞事故。

3)研究顯示，高溫、過充、聯(lián)鎖問題等基本事件，發(fā)生概率較高，也是引發(fā)安全事故的主要原因。盡管單個(gè)基本事件發(fā)生概率低，但由于造成事故的可能路徑較多，電池?fù)p壞、火災(zāi)爆炸頂事件的發(fā)生概率相對(duì)較高，分別為0.022 27，0.024 02，屬于容易發(fā)生的事故級(jí)別，火災(zāi)發(fā)生概率略高于電池?fù)p壞概率。

以上研究結(jié)果表明，必須制定合理有效的安全管理措施來規(guī)避船舶充換電風(fēng)險(xiǎn)，主要措施如下。

1)建立岸電安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。不同于陸地充電，由于海水導(dǎo)電并存在電阻，船體的 “地” 和岸電的 “地” 因傳導(dǎo)電阻造成電位差。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)具備安全聯(lián)鎖功能，還可應(yīng)急切斷，可避免由于電位等位連接沒建立或岸電電源沒接通就閉合斷路器而引起的供電設(shè)備燒毀事故。

2)消除和減少靜電的產(chǎn)生，絕緣材料監(jiān)測(cè)保護(hù)。應(yīng)用防爆叉車、手推車，叉車在工作中可能發(fā)生摩擦、碰撞，將運(yùn)輸裝卸工具與電池接觸的地方涂上黃銅，能防止產(chǎn)生和聚積靜電；充電設(shè)施絕緣材料性能是影響充電安全的重要因素，開展壽命測(cè)試，可起到安全預(yù)防的作用。

3)減少人為差錯(cuò)，避免濫充電現(xiàn)象。隨著現(xiàn)代科技不斷發(fā)展，船舶本身安全性能將得到很大提高，而人的主管能動(dòng)性發(fā)揮空間越來越大。提升管理人員與操作人員素質(zhì)，提升安全保護(hù)意識(shí)，避免高溫、高濕、高壓等惡劣環(huán)境充電，規(guī)范充換電操作十分重要。

5 結(jié)束語

充換電是電池動(dòng)力船舶運(yùn)營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，充換電安全是船舶運(yùn)行最基本的要求，筆者研究了船舶充電安全分析模型和方法，并從安全事故倒查安全隱患，反向推動(dòng)電池動(dòng)力船舶安全性能不斷提升，為新能源船舶健康發(fā)展提供參考。隨著大功率充電、無線充電、群充電等新技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，安全要素也在不斷變化，因此充電安全問題的研究是一項(xiàng)長期工作，下階段將在新風(fēng)險(xiǎn)因素的提取、融合、量化評(píng)估方面進(jìn)行深入研究。