電動(dòng)船磷酸鐵鋰電池艙的環(huán)境控制

馮 豐

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著船舶節(jié)能減排理念的逐步推廣，綠色新能源船舶概念越來越受到船東的歡迎，磷酸鐵鋰電池作為電動(dòng)船的主流能源之一，不僅具備了零排放、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，而且體積小，充電速度快，還可以自由調(diào)節(jié)容量，其重量只有鉛蓄電池的1/3。另外磷酸鐵鋰電池還可免維護(hù)3年，即使不使用也可折舊回收，相對(duì)于鉛蓄電池更適用于小型旅游客船。目前對(duì)磷酸鐵鋰電池在船舶上的應(yīng)用有較多介紹研究，陳晨等詳細(xì)介紹了磷酸鐵鋰電池在電力推進(jìn)船舶上的應(yīng)用，杜睿等對(duì)磷酸鐵鋰電池在船舶推進(jìn)和直流配電系統(tǒng)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，雷克兵等對(duì)磷酸鐵鋰電池在船舶上的儲(chǔ)能分配作了相關(guān)研究。然而，針對(duì)磷酸鐵鋰電池間環(huán)境控制的研究文獻(xiàn)至今仍比較少。本文以某庫區(qū)小型執(zhí)法公務(wù)船為例，通過對(duì)相關(guān)船級(jí)社規(guī)范分析和研究，對(duì)于電池艙風(fēng)量計(jì)算、系統(tǒng)布置以及磷酸鐵鋰電池船的安全環(huán)境控制提出設(shè)計(jì)思路。

1 規(guī)范分析研究和設(shè)計(jì)思路

1.1 相關(guān)規(guī)范要求

中國(guó)船級(jí)社《內(nèi)河雙電（磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容）純電動(dòng)電力推進(jìn)游覽船審圖、檢驗(yàn)指南》和《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》對(duì)于磷酸鐵鋰電池船的應(yīng)用安全技術(shù)要求有明確規(guī)定。其要求基本一致，僅第8條和第9條有區(qū)別，相關(guān)內(nèi)容包括：

（1）磷酸鐵鋰電池應(yīng)安裝在一個(gè)環(huán)境可控的蓄電池間（包括電池艙（室）、箱、柜）中；從電池使用壽命和效率考慮，建議磷酸鐵鋰電池長(zhǎng)期工作溫度為：充電0～45℃，放電-20～55℃。

（2）電池艙（室）應(yīng)采用機(jī)械通風(fēng)或其他溫度調(diào)節(jié)裝置，以避免電池周圍環(huán)境溫度過高。通風(fēng)口應(yīng)有防止水和火焰進(jìn)入的措施。

（3）電池艙（室）內(nèi)不應(yīng)安裝與電池?zé)o關(guān)的熱源設(shè)備。

（4）電池艙（室）內(nèi)除電池系統(tǒng)外應(yīng)避免安裝電氣設(shè)備。若必須安裝時(shí)，應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離電池，且應(yīng)將電氣設(shè)備的發(fā)熱量計(jì)入電池艙（室）通風(fēng)量的計(jì)算中。

（5）電池艙（室）采用機(jī)械通風(fēng)時(shí)，按廠家提供的方法進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)計(jì)算，若廠家未提供計(jì)算方法，則按以下方法計(jì)算通風(fēng)量。

通風(fēng)量

q′

不應(yīng)小于式（1）計(jì)算所得之值：

式中：

Q

為單個(gè)電池模塊工作時(shí)自身產(chǎn)生的發(fā)熱量，W；

Q

為其他熱源發(fā)熱量，W；

n

為電池模塊總數(shù)；Δ

t

為電池艙（室）與外面空氣的最高溫度差，℃；

k

為風(fēng)扇裕量常數(shù)，實(shí)際選擇時(shí)取1.5～2。

（6）電池艙（室）必須設(shè)有獨(dú)立的溫度探測(cè)裝置。當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，應(yīng)能在經(jīng)常有人值班的處所發(fā)出聽覺和視覺警報(bào)。

（7）電池艙（室）需要配備固定式滅火系統(tǒng)。該固定式滅火系統(tǒng)應(yīng)能將磷酸鐵鋰電池燃燒所造成的火災(zāi)撲滅，例如七氟丙烷滅火系統(tǒng)。電池箱、柜可配備沙箱或手提式七氟丙烷滅火器。

（8）電池艙（室）與其他相鄰艙室的限界面，在位于電池艙一側(cè)應(yīng)敷設(shè)厚度不小于10 mm 的認(rèn)可型隔熱材料。隔熱應(yīng)在該限界面與其他艙壁、甲板或縱行等強(qiáng)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)交接處以及該限界面的終止處延伸450 mm。

（9）電池艙（室）與其他艙室的防火分隔應(yīng)滿足相應(yīng)法規(guī)對(duì)機(jī)艙的要求。

1.2 規(guī)范的分析研究

磷酸鐵鋰電池充放電溫度區(qū)間的交集0～45℃為其工作溫度的安全區(qū)間。對(duì)于磷酸鐵鋰電池艙來說，為使其工作溫度處于安全范圍以內(nèi)，需要使用通風(fēng)或空調(diào)等方法對(duì)艙室內(nèi)進(jìn)行降溫冷卻，在嚴(yán)寒季節(jié)和地區(qū)需要使用空調(diào)、盤管或電加熱對(duì)艙室進(jìn)行加熱保溫。通風(fēng)開口應(yīng)設(shè)置風(fēng)雨密關(guān)閉和金屬絲網(wǎng)，以防止水和火焰進(jìn)入。為減少電池艙內(nèi)的發(fā)熱總量，艙內(nèi)不應(yīng)再裝設(shè)其他發(fā)熱設(shè)備，同時(shí)應(yīng)盡量減少電氣設(shè)備的安裝。若必須安裝電氣設(shè)備，則需將其發(fā)熱量作為環(huán)境保障的去除對(duì)象，一并算入電池艙的通風(fēng)或空調(diào)計(jì)算中。

電池艙的通風(fēng)計(jì)算公式根據(jù)比熱容公式

Q

=

cm

Δ

t

推導(dǎo)而來，物理意義為需要引入一定量的外界低溫空氣來使不斷發(fā)熱的電池模塊保持在安全的工作溫度區(qū)間內(nèi)。需注意的是，根據(jù)《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》中的解釋，公式中Δ

t

所指的電池艙（室）與外面空氣的最高溫度差中，外面空氣的最高溫度取船舶航行區(qū)域可能出現(xiàn)的最高環(huán)境溫度，但不超過45℃。而在《內(nèi)河雙電（磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容）純電動(dòng)電力推進(jìn)游覽船審圖、檢驗(yàn)指南》沒有這一解釋，如果采用此單規(guī)范設(shè)計(jì)，此時(shí)需注意外面空氣要按實(shí)際可能出現(xiàn)的最高環(huán)境溫度取值。雖然是計(jì)算通風(fēng)，但考慮到計(jì)算公式的實(shí)際物理意義和電池工作的安全性，不能按夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度來取值，也不能按設(shè)計(jì)資料或技術(shù)規(guī)格書中寫的夏季室外干球溫度來取值。

在本船的計(jì)算中，該地區(qū)歷史極值最高溫度為40.8℃，夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度為29.9℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度為33.7℃，技術(shù)規(guī)格書中所寫的夏季艙外干球溫度為35℃，計(jì)算時(shí)應(yīng)使用歷史極值最高溫度取41℃，要注意避免公式中選錯(cuò)溫度參數(shù)，造成電池室溫度超出磷酸鐵鋰電池的安全工作溫度區(qū)間，形成潛在安全隱患。

此外，電池艙（室）應(yīng)設(shè)溫度報(bào)警器，在人員值班處發(fā)出聲光報(bào)警；同時(shí)，需配備固定滅火系統(tǒng)，滅火介質(zhì)最好采用七氟丙烷，這樣可在火災(zāi)后開啟風(fēng)機(jī)將電池艙內(nèi)的泡沫排出到室外。第8條為《內(nèi)河雙電（磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容）純電動(dòng)電力推進(jìn)游覽船審圖、檢驗(yàn)指南》要求，如果電池艙與其他相鄰艙室存在限界面，應(yīng)在電池艙一側(cè)敷10 mm厚隔熱材料，以免相鄰艙室發(fā)熱量傳入電池艙內(nèi)，使艙內(nèi)溫度超過電池工作安全范圍。有風(fēng)管穿艙壁時(shí)，風(fēng)管上應(yīng)從該艙壁延伸450 mm敷設(shè)隔熱材料。第9條為《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》要求，在與其他艙室進(jìn)行防火分隔時(shí)，將電池艙視作機(jī)艙來采用相應(yīng)法規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。建議在設(shè)計(jì)時(shí)將防火和隔熱一起考慮。

1.3 設(shè)計(jì)思路

對(duì)于電池艙來說，優(yōu)先選用機(jī)械通風(fēng)為艙內(nèi)降溫，如果電池模塊發(fā)熱量巨大，造成風(fēng)管和通風(fēng)口尺寸過大不方便布置時(shí)，可選用空調(diào)或盤管等設(shè)備為艙內(nèi)降溫，也可同時(shí)使用空調(diào)和機(jī)械通風(fēng)共同承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷，平衡設(shè)備布置空間和投資經(jīng)濟(jì)性。雖然規(guī)范對(duì)室內(nèi)濕度沒有明確規(guī)定，但對(duì)通風(fēng)口仍有防水要求，可見，艙內(nèi)環(huán)境仍要避免出現(xiàn)積水。因此在制冷時(shí)需注意將柜機(jī)和盤管表面的凝水就地及時(shí)排出，同時(shí)需要將柜機(jī)和盤管的布置位置遠(yuǎn)離電池模塊，避免冷氣直吹電池，使電池表面溫度低于其附近空氣露點(diǎn)溫度導(dǎo)致結(jié)露凝水。

如果航行于熱帶潮濕地區(qū)，在空調(diào)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮除濕，或者配備除濕機(jī)除濕，避免外部濕空氣吸入后因室內(nèi)制冷出現(xiàn)凝水。在嚴(yán)寒季節(jié)或地區(qū)，需保持電池艙（室）溫度在0℃以上，可采用空調(diào)或盤管采暖，或選用電加熱，必要時(shí)為空調(diào)、盤管和電加熱設(shè)置溫控器關(guān)聯(lián)啟停，避免室內(nèi)溫度過高超過45℃。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

下面以庫區(qū)小型執(zhí)法船為實(shí)例，來說明電池艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布置方法。

2.1 電池艙通風(fēng)計(jì)算

（1）電池發(fā)熱量

根據(jù)電池設(shè)備廠提供的電池參數(shù)，電池總?cè)萘繛?63 kWh，每小時(shí)充電200 kW，每小時(shí)放電300 kW，電池充放電效率為：

額定充電效率，98%；額定放電效率，99%。

按照電池充放電效率計(jì)算發(fā)熱量，損耗為發(fā)熱損耗。

充電時(shí)發(fā)熱量：

963 kWh·（1-98%）=19.26 kWh

充電用時(shí)：936 kWh/200 kW=4.82 h

充電發(fā)熱功率：19.26 kWh/4.82 h=4 kW

放電時(shí)發(fā)熱量：

963 kWh·（1-99%）=9.63 kWh

放電用時(shí)：963 kWh/300 kW=3.21 h

放電發(fā)熱功率：9.63 kWh/3.21 h=3 kW

綜上，充電時(shí)發(fā)熱量為4 kW，放電時(shí)發(fā)熱量為3 kW。計(jì)算值取兩者中較大值，即電池發(fā)熱量為4 kW。

（2）其他熱源發(fā)熱量

其他熱源發(fā)熱量取0.3 kW。

（3）電池室與外界空氣的最高溫度差

根據(jù)規(guī)范解讀部分的分析，此處室內(nèi)與室外最高溫度的差值取4℃。

（4）風(fēng)扇裕量系數(shù)

風(fēng)扇裕量系數(shù)取最大值2。

將以上各值帶入式（1），計(jì)算得通風(fēng)量

q′

=6 418 m/h，取整為6 500 m/h。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)布置

該庫區(qū)小型執(zhí)法船航行于北方地區(qū)，氣候干燥，在設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮電池艙的除濕問題，空調(diào)不是必要的。對(duì)于小船來說，空調(diào)擠占了室內(nèi)空間，增加了電氣管線布置和總重量，也有凝水泄水風(fēng)險(xiǎn)，所以通常采用機(jī)械通風(fēng)設(shè)計(jì)。另外，在冬季氣溫接近0℃時(shí)，庫區(qū)水面會(huì)結(jié)冰，此時(shí)執(zhí)法船停止工作，因此在設(shè)計(jì)時(shí)也不考慮電池艙內(nèi)的冬季保溫問題，無需設(shè)置空調(diào)、盤管或電加熱。

磷酸鐵鋰電池艙（室）的通風(fēng)機(jī)不用防爆，這是由磷酸鐵鋰電池正常工作時(shí)釋放的氣體成分和比例決定的，所以本船采用普通離心風(fēng)機(jī)JCL-39，風(fēng)量6 600 m/h。但也有船為磷酸鐵鋰電池艙（室）配備了防爆風(fēng)機(jī)，主要是出于對(duì)磷酸鐵鋰電池故障不可預(yù)知的考慮，將防爆風(fēng)機(jī)兼用作應(yīng)急事故通風(fēng)風(fēng)機(jī)。

根據(jù)式（1）可知，分母0.335Δ

t

通常很小，分子為電池總發(fā)熱量和其他熱源發(fā)熱量總和，再乘以風(fēng)扇裕量常數(shù)1.5～2，從而造成計(jì)算風(fēng)量

q′

往往較大；對(duì)小船來說，風(fēng)管和通風(fēng)裝置布置困難。若采用通風(fēng)筒從甲板面上進(jìn)行直接通風(fēng)，則會(huì)對(duì)兩側(cè)過道空間形成搶占擠壓。所以，通常需結(jié)合上層建筑的具體情況進(jìn)行分析，必要時(shí)采用附壁風(fēng)管從上建隱蔽處排管，并引至頂層甲板或艙室側(cè)壁處的百葉窗。

本船在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合上層甲板艙室布置特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室隱蔽處設(shè)附壁風(fēng)管，將排風(fēng)引到羅經(jīng)甲板通過百葉窗排出（圖1），將駕駛室桌柜下方作為中空內(nèi)腔，底部連通電池艙附壁風(fēng)管（圖2、圖3），前部與駕駛室前端空腔相連通，形成進(jìn)風(fēng)“結(jié)構(gòu)風(fēng)管”，在駕駛室前端空腔外壁設(shè)風(fēng)雨密百葉，作為進(jìn)風(fēng)入口（下頁圖4、圖5）。此設(shè)計(jì)在保證通風(fēng)效果的同時(shí)，充分利用了船體結(jié)構(gòu)，減少了風(fēng)管和通風(fēng)頭對(duì)人員活動(dòng)區(qū)域的影響。各圍壁風(fēng)管外壁均敷設(shè)A60防火絕緣，穿電池艙的風(fēng)管從所穿艙壁處雙向延伸450 mm敷保溫絕緣。

圖1 電池艙排風(fēng)風(fēng)雨密百葉窗

圖2 電池艙內(nèi)部通風(fēng)布置圖

圖3 電池艙進(jìn)風(fēng)附壁風(fēng)管剖面圖

圖4 電池艙排風(fēng)附壁風(fēng)管與進(jìn)風(fēng)“結(jié)構(gòu)風(fēng)管”及風(fēng)雨密百葉窗

圖5 電池艙進(jìn)風(fēng)主甲板開孔

3 結(jié) 語

對(duì)于電動(dòng)船來說，電池艙的環(huán)境溫度控制非常重要，關(guān)系到船舶正常的運(yùn)行。本文從規(guī)范要求著手，以某小型電動(dòng)執(zhí)法船為例，詳細(xì)闡述了船級(jí)社規(guī)范中的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，指出計(jì)算公式中的易錯(cuò)點(diǎn)和實(shí)際布置中可能面臨的困難，并提供了通風(fēng)計(jì)算和系統(tǒng)布置示例。如果在條件和成本允許的情況下，也可以采用空調(diào)方法對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制。本文可供同類型船舶電池艙的環(huán)境控制通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)參考。