鋰電池動力船舶的輪機系統(tǒng)設計

張 禹 胡敏芝

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

近年來，隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，環(huán)境保護的重要地位逐漸凸顯。我國作為航運大國，每年由于船舶主機燃燒化石燃料產生的污染物排放量較大。電池作為一種零排放的清潔能源，應用在電力推進船上替代或部分替代柴油發(fā)電機組，可以起到很好的減排效果。同時，電池應用于船上還有以下特點和優(yōu)勢：在用電負荷變化時起到削峰填谷的作用，提高船舶電網(wǎng)穩(wěn)定性；在瞬時巨大負載擾動時，吸收或釋放能量，減小負載變化對電網(wǎng)的沖擊，改善電網(wǎng)的動態(tài)特性；振動噪聲低，有利于改善船員居住環(huán)境等。目前，電池動力船舶已獲得廣泛關注，具有良好的發(fā)展前景。

1 船用動力鋰電池概述

船舶上常用作動力源的儲能電池類型主要有燃料電池、超級電容和鋰電池。其中燃料電池具有能量轉化率高、不污染環(huán)境、壽命長等優(yōu)點，但其單體功率較小、造價昂貴、配套技術尚不成熟；超級電容具有充電時間短、循環(huán)壽命長、維護保養(yǎng)容易、監(jiān)控狀態(tài)容易等優(yōu)點，但其能量密度低、造價昂貴；鋰電池具有高能量密度、自放電率小、輸出功率大、成本相對低等優(yōu)點，但必須有特殊的保護電路防止過充或過放。相比之下，鋰電池的優(yōu)勢更為明顯，在船上的應用也最為廣泛。

根據(jù)正負極的材料，鋰電池可分為磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈦酸鋰電池、錳酸鋰電池等類型。目前可應用在船上的主要有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，這兩種鋰電池各有優(yōu)缺點，主要性能對比見表1。

表1 磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池對比

由于磷酸鐵鋰電池的安全性較好，目前在國內外的實船應用較多，而三元鋰電池僅在國外有一些應用案例，但隨著技術發(fā)展未來仍有較大的應用潛力。

2 規(guī)范要求

對于電池動力船舶，各主要船級社都制定了相關規(guī)范和指南，并根據(jù)實踐不斷進行修訂和完善。

國外船級社中，DNV·GL最早于2012年在船舶入級規(guī)范中納入電池動力暫行規(guī)范，而后電池動力（Battery power）相關內容也被納入2015年推出的新DNV·GL聯(lián)合規(guī)范第6篇 第2章 第1節(jié)，經(jīng)過數(shù)輪修訂完善，目前最新版本為2020年版，章節(jié)名稱更改為電能儲備（Electric energy storage）。ABS于2017年頒布《鋰電池在船舶與海洋工程中的應用指南》（Guide for use of lithium batteries in the marine and offshore industries），目前最新版本為2020年版。

CCS曾于2014年頒布了《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南》，并在2016年《鋼質內河船舶建造規(guī)范》中增加了磷酸鐵鋰電池船上應用的安全技術要求。而后于2019年發(fā)布了《純電池動力船舶檢驗指南》，目前已正式生效并替代了前2份文件，適用于包括海船和河船在內的以蓄電池為推進電源的船舶，混合動力電動船也可參照執(zhí)行。

以下對各船級社規(guī)范指南中與輪機系統(tǒng)相關的部分進行簡要摘述。

2.1 DNV·GL相關要求

2.1.1 布置

電池艙內只能布置與電池系統(tǒng)相關的設備，且電池艙內的設備應滿足2類危險區(qū)的安裝要求。

例如管路泄漏會增加電池系統(tǒng)的風險，故一般不應在電池艙內布置管路；若無法避免，則在電池艙內不應有任何可拆接頭。另外，消防栓不應布置在電池艙內。

2.1.2 通風

電池艙應設有機械通風，通風系統(tǒng)通常應獨立設置，具體要求取決于電池組的內部設計。對于在電池熱失控時將釋放的氣體直接排放到電池艙的系統(tǒng)，電池艙應設置負壓抽風機，抽風量不小于每小時6次換氣量，具體取決于電池系統(tǒng)的設計，DNV·GL規(guī)范中也給出了計算公式；對于設有集成的排氣導管，在電池熱失控時將釋放的氣體排入排氣導管的系統(tǒng)，電池艙應設置正壓送風機，送風量不小于每小時6次換氣量，另外排氣導管中是否需要設置抽風機也取決于電池系統(tǒng)的內部設計。

電池艙的進排風口應直接通向大氣，并確保可能產生的有毒氣體不會對人員造成危害，通風口1.5 m以內的范圍應視為2類危險區(qū)。

2.1.3 消防

電池艙內應設有固定式滅火系統(tǒng)，可為以下任何一種型式：滿足IMO MSC/Circ.1165及MSC.1/Circ.1269和MSC.1/Circ.1386修正案的水基滅火系統(tǒng)；滿足FSS、IMO MSC/Circ.848及MSC/Circ.1267修正案的氣體滅火系統(tǒng)；滿足FSS的CO滅火系統(tǒng)。

對于使用水基滅火的情況，系統(tǒng)應先使用淡水滅火30 min后再轉為使用海水繼續(xù)滅火。對于使用氣體滅火劑或CO滅火的情況，所使用的滅火劑應適用于電池產生的可燃氣體，并且若被保護電池艙的電池容量不小于100 kW h，滅火系統(tǒng)應能滿足二次滅火的需要。

2.2 ABS相關要求

2.2.1 布置

電池艙內不應設置任何熱源或高失火風險的物體。

任何與推進、轉舵、應急設施相關的重要系統(tǒng)的設備、電纜和管路都不應設置在電池艙內，以免在電池熱失控等事故下對重要系統(tǒng)造成影響。

2.2.2 通風

電池艙應設置有效的排氣手段，將在電池異常情況下產生的氣體排至露天甲板。

電池艙應設有機械通風，進排風應在露天甲板安全區(qū)域，并且排風不應引起火災、爆炸風險或有毒氣體對人員造成傷害。電池艙的通風系統(tǒng)應具有足夠的容量以盡可能降低可燃氣體的聚集，通風量應至少為每小時6次換氣量。電池艙的通風管道應與其他艙室獨立。

2.2.3 消防

電池艙應設有由電池廠商推薦的適用于該電池的固定式滅火系統(tǒng)。固定式滅火系統(tǒng)應有措施防止噴嘴釋放時產生靜電。另外，還需根據(jù)規(guī)范配置手提滅火器。

2.2.4 危險區(qū)要求

根據(jù)電池的設計和化學特性，如在正常使用中可能產生可燃氣體，該電池艙應作為危險區(qū)，且露天甲板上電池艙進排風口3 m范圍內也視為危險區(qū)。

危險區(qū)的電池艙應設有獨立的甲板排水或不設甲板排水。

2.3 CCS相關要求

2.3.1 安全分級

電池根據(jù)熱失控情況下釋放的氣體進行安全分級，如熱失控時同時釋放氧氣和有毒可燃氣體，燃燒爆炸風險較高，則安全等級為1；如熱失控時僅釋放有毒可燃氣體，燃燒爆炸風險較低，則安全等級為2。

2.3.2 布置

電池艙不應安裝與電池無關的熱源設備。電池艙內除電池系統(tǒng)外應避免安裝電氣設備，若必須安裝時，應盡可能遠離蓄電池，并在電池艙通風量計算中考慮電氣設備的發(fā)熱。

2.3.3 冷卻

電池艙應采用機械通風或其他溫度調節(jié)裝置，以避免蓄電池周圍環(huán)境溫度過高。采用機械通風時，除考慮艙室的正常通風外，還應考慮電池的熱交換，計算方法應由廠家提供，同時CCS指南中也提供了計算公式。采用空調等其他溫度調節(jié)裝置時，應充分考慮蓄電池和其他熱源的發(fā)熱量。

2.3.4 應急通風

對于安全等級為1的蓄電池，應設置獨立的無火花型應急排氣系統(tǒng)，將可能產生的有毒或可燃氣體直接排出。排氣管道需通向開敞甲板上的安全地點，并遠離有人居住或含有熱源的處所，同時遠離其他處所的進風口至少3 m。

對于安全等級為2的電池艙，應設置獨立的無火花型應急排風機，以便及時排出蓄電池熱失控情況下產生的可燃氣體，風機應與電池艙內的可燃氣體探測系統(tǒng)聯(lián)鎖。應急排風量應根據(jù)評估確定，但不應小于每小時10次的換氣量。如滿足應急通風的相關要求，則該應急通風也可由日常通風系統(tǒng)兼用。

2.3.5 消防

電池艙應設有水滅火保護，對于設有水滅火系統(tǒng)的船舶，應在電池艙出入口附近設置1個消火栓，采用水柱/水霧兩用型的水槍。

電池艙應設有固定式滅火系統(tǒng)進行保護。

對于安全等級為2的電池艙，固定式滅火系統(tǒng)可采用七氟丙烷滅火系統(tǒng)、二氧化碳滅火系統(tǒng)（僅適用于超級電容）或壓力水霧滅火系統(tǒng)。

對于安全等級為1的電池艙，固定式滅火系統(tǒng)可采用壓力水霧滅火系統(tǒng)或七氟丙烷滅火系統(tǒng)。當使用七氟丙烷滅火系統(tǒng)時，滅火劑量和控制系統(tǒng)應能保證該系統(tǒng)在蓄電池復燃時能再次釋放，除非電池箱或電池包單獨設有內置滅火裝置。

如果電池艙采用固定式壓力水霧滅火系統(tǒng)，則艙底水系統(tǒng)應具有足夠的排水能力，至少滿足水霧系統(tǒng)和規(guī)范所要求數(shù)量的消防水槍的組合容量的125%。

另外，還需根據(jù)要求配備七氟丙烷手提滅火器。

3 鋰電池動力船舶輪機系統(tǒng)設計總結

鋰電池熱失控是動力電池起火的主要原因，一旦電池由于機械碰撞、內部短路、過充電等原因導致熱失控，會發(fā)生連鎖反應而引起急劇放熱，并釋放可燃有毒氣體，可能導致燃燒和爆炸。同時，電池單體的熱失控還可能引發(fā)相鄰或其他部位電池的熱失控，導致更嚴重的后果。因此，為提高電池船舶的安全性，在設計時應遵循以下3項原則：

（1）應采取適當?shù)拇胧┍苊怆姵匕l(fā)生熱失控；

（2）應避免電池熱失控的蔓延，避免單點故障引發(fā)更多的電池進入熱失控；

（3）應避免電池系統(tǒng)的單點故障引起船舶主要功能的喪失。

依據(jù)以上設計原則，并結合各船級社的相關要求，對鋰電池動力船舶相關輪機系統(tǒng)的設計總結如下。

3.1 通風空調系統(tǒng)設計

電池艙通風空調系統(tǒng)的設計目標包括兩個方面：

（1）平時將電池艙的溫度控制在合適的范圍內，避免電池過熱；

（2）在電池熱失控時將產生的易燃有毒氣體排出，避免在艙內聚集。

為控制電池艙溫度，通常采用機械通風或配置空調的方式，設備選型時應充分考慮艙內電池和其他電氣設備的散熱量。雖然電池可以耐受的環(huán)境溫度范圍較大，但通常最佳儲存溫度為25℃左右，若電池長時間處于高溫、高濕的環(huán)境，則可能會對電池壽命產生影響，因此建議優(yōu)先考慮配置空調。

針對電池熱失控下的應急通風，應設置機械通風，并根據(jù)電池模塊的內部設計以及電池產生氣體的種類和量來確定，各船級社對通風的型式、換氣量、進排風口的位置、排風導管的設置等都有具體的要求。應急通風應能在監(jiān)測到可燃氣體產生時自動開啟，通常建議連續(xù)運行，但還需考慮對于空調效果的影響。

3.2 消防系統(tǒng)設計

電池在熱失控下內部會發(fā)生復雜的化學反應，產生多種易燃有毒氣體。對于不產生氧氣的電池類型（如磷酸鐵鋰電池），通常不會發(fā)生肉眼可見的燃燒，外部表象為產生大量的氣體煙霧；對于產生氧氣的電池類型（如三元鋰電池），氧氣會加劇內部反應，使溫度上升得更快，甚至產生肉眼可見的燃燒；而隨著燃燒的發(fā)生，產生的氣體量會減少。為抑制鋰電池火災，可將滅火劑釋放在電池艙內，或直接注入電池箱內部。各滅火劑的效果可從熄滅火焰、吸熱降溫、降低氣體溫度和吸收氣體等幾個方面綜合評判，評判結果見下頁表2。

表2 各類滅火劑滅火效果對比

向電池箱內部注入泡沫可以對電池起到很好的降溫效果，宜用于阻止電池模塊之間的火災蔓延；高壓水霧具有較好的滅火和降溫效果，并且可以降低可燃有毒氣體的溫度和濃度；七氟丙烷滅火效果較好，但降溫效果不如高壓水霧，而且釋放七氟丙烷時需關閉通風，在此期間有毒可燃氣體可能會聚集；水噴淋不能完全熄滅明火，具有和高壓水霧相近的降溫效果，但水有可能會進入電池包內部，增加爆炸的風險，不宜選用。

由此可見，對于鋰電池火災，并沒有一種效果極佳的滅火手段，滅火系統(tǒng)的選用需要結合電池的種類和電池系統(tǒng)的設計進行考慮：一方面，電池箱內部是否配置滅火設施應由電池廠家根據(jù)電池的特性和電池系統(tǒng)的設計確定；另一方面，電池艙內應配置固定式滅火系統(tǒng)，較為合適的是高壓水霧滅火系統(tǒng)和七氟丙烷滅火系統(tǒng)。

高壓水霧系統(tǒng)在降溫效果上更有優(yōu)勢，但系統(tǒng)相對復雜，布置空間要求較高，建議在條件允許時優(yōu)先考慮選用。七氟丙烷滅火系統(tǒng)分為管網(wǎng)式和預制式兩種：對于管網(wǎng)式系統(tǒng)，七氟丙烷氣瓶儲存在專用的七氟丙烷間，可同時保護多個處所，使用時滅火劑通過管網(wǎng)送至被保護處所；對于預制式系統(tǒng)，七氟丙烷氣瓶布置于被保護處所，使用時將滅火劑直接釋放到被保護處所。七氟丙烷滅火系統(tǒng)布置相對靈活，更適合于布置空間有限的中小型船舶。

除了固定式滅火系統(tǒng)，還應根據(jù)規(guī)范要求設置水消防和手提式滅火劑。

3.3 艙底系統(tǒng)設計

電池艙是否屬于危險處所應根據(jù)電池的種類和相關規(guī)范要求確定，如電池艙被歸類為危險處所，則其艙底系統(tǒng)應獨立設置。

另外，如電池艙采用固定式高壓水霧滅火系統(tǒng)保護，則艙底泵應具有足夠的排量，滿足相應規(guī)范和使用的要求。

3.4 設備和管路布置

設備和管路的布置除滿足船級社的最低要求外，為提高船舶的安全性，在設計時也應注意以下幾方面：

在布置輔助設備時，應避免將不直接服務于電池艙的設備布置在電池艙內；為電池艙服務的設備和系統(tǒng)，應盡量獨立設置。

在布置管路時，應盡量避免將為船舶重要系統(tǒng)服務且與電池無關的管路布置在電池艙內，如推進器的冷卻水管路、推進器的控制空氣管路等，以免在電池艙發(fā)生事故時影響船舶重要功能；同時，也應盡量避免將為一個電池艙服務的重要管路穿過另一個電池艙（如電池艙空調的冷卻水管路等），以防一個電池艙發(fā)生事故時，增加另一個電池艙的風險。另外，與電池無關的燃油管、熱油管、蒸汽管、熱水管等均應盡量避免布置在電池艙內，以免管路泄漏時增加電池艙的風險。

4 應用實例

深圳海上危險品應急指揮船是我院為深圳海事局設計的一艘混合動力船舶。該船入CCS級，船長78 m、船寬12.8 m、設計吃水3.4 m、航速18 kn，中部設1個機艙和2個動力電池艙，配置3臺2 000 kW的柴油發(fā)電機組和2組650 kW h的磷酸鐵鋰電池組，采用電力推進方式。電池及相關系統(tǒng)設計時參考CCS《純電池動力船舶檢驗指南》。

4.1 通風系統(tǒng)的設計

為2個動力電池艙分別配置1臺專用水冷分體防爆空調機，制冷量約30 kW，滿足電池系統(tǒng)的散熱量，以維持動力電池艙在適宜的溫度。

動力電池艙采用自然進風和機械排風，每個動力電池艙配置1臺防爆離心風機，風量約500 m/h，滿足艙室每小時10次換氣量。該機械抽風系統(tǒng)兼作日常通風及應急通風，抽風機與電池艙內的可燃氣體探測系統(tǒng)連鎖，在探測到可燃氣體時可自動啟動抽風機，將電池產生的氣體排至大氣。

4.2 消防系統(tǒng)的設計

動力電池艙采用固定式七氟丙烷滅火系統(tǒng)保護，每個動力電池艙配置1套預制式七氟丙烷滅火裝置，包括1只90 L/78 kg的七氟丙烷氣瓶，滿足電池艙一次滅火用量。滅火系統(tǒng)的控制方式有電動控制和氣動控制兩種，電動施放按鈕和氣動啟動瓶應布置在電池艙外易于操作之處。

此外，每個動力電池艙內設有4瓶手提式泡沫滅火劑，并在電池艙出入口附近設有1只消防栓。

圖1 動力電池艙七氟丙烷滅火系統(tǒng)原理圖

4.3 其 他

磷酸鐵鋰電池正常使用時不產生可燃氣體，動力電池艙未歸類為危險區(qū)域，動力電池艙的艙底系統(tǒng)按常規(guī)船舶設計。

動力電池艙內僅布置鋰電池組、空調、抽風機和七氟丙烷滅火裝置，未布置其他無關設備。另外，在管路放樣時也考慮了無關管路避免穿過動力電池艙，尤其是與推進相關的重要系統(tǒng)管路。

5 結 語

目前，以鋰電池作為船舶動力源已受到廣泛關注。未來隨著電池技術的進步，電池動力船舶必將有極大的發(fā)展空間。本文簡單介紹了鋰電池船舶的相關規(guī)范要求，歸納并總結了輪機系統(tǒng)的設計要點。今后隨著電池的技術發(fā)展和電池動力船舶的經(jīng)驗累積，相關規(guī)范必將更加全面，為船舶的設計提供更完善的保障。