船舶磷酸鐵鋰動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性研究

李杰

（中國(guó)船級(jí)社臺(tái)州辦事處，浙江 臺(tái)州 318010）

1 鋰離子電池的基本情況

1.1 鋰離子電池的原理和特點(diǎn)

以碳材料為負(fù)極，以含鋰化合物作為正極的鋰電池，在充放電過(guò)程中不存在金屬鋰，只有鋰離子，這就是鋰離子電池（工作原理詳見(jiàn)圖1）。磷酸鐵鋰電池，就是將磷酸鐵鋰（LiFePo4）作為正極材料的鋰離子電池。相比鎳鎘電池、鎳氫電池和鉛酸電池，鋰離子電池主要具備輸出電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命高、充電效率高等特點(diǎn)，同時(shí)由于其生產(chǎn)制造過(guò)程對(duì)于環(huán)境相對(duì)友好，因此被認(rèn)為是目前綠色能源的代表。

圖1 鋰離子電池工作原理

1.2 鋰離子動(dòng)力電池的基本要求

與通用儲(chǔ)能型鋰離子電池和起動(dòng)用鋰離子電池不同，作為動(dòng)力電池的鋰離子電池需要同時(shí)具備比能量高、比功率大、循環(huán)壽命高且材料價(jià)格便宜的特點(diǎn)。比能量高意味著電池在單位體積內(nèi)儲(chǔ)存的電量多，比功率大意味著電池的輸出功率高，電池循環(huán)壽命和材料價(jià)格則決定了其經(jīng)濟(jì)性和推廣能力。

根據(jù)鋰離子動(dòng)力電池的基本要求，將常見(jiàn)的鋰離子電池正極材料進(jìn)行性能比較（詳見(jiàn)表1）后可知，磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元鋰作為目前主流的鋰離子動(dòng)力電池正極材料，在能量密度、循環(huán)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面各有所長(zhǎng)。相對(duì)而言，以磷酸鐵鋰的綜合優(yōu)勢(shì)最大，是目前較為理想的動(dòng)力電池材料，在船舶的應(yīng)用也最廣泛。

表1 常見(jiàn)鋰離子電池正極材料及其性能比較

2 鋰離子動(dòng)力電池在船舶的應(yīng)用情況

2015年5月，全球首艘電池動(dòng)力汽車(chē)渡船“Ampere”號(hào)正式投入運(yùn)營(yíng)。該船由挪威建造，入級(jí)DNV-GL，總長(zhǎng)80 米，型寬20 米，采用2×450 kW 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可搭乘360 名乘客及120 輛汽車(chē)，擁有良好的低速操縱性能和能效表現(xiàn)，為船東節(jié)約了60%的燃料成本。

2017年12月，全球首艘新能源電動(dòng)自卸船“河豚”號(hào)進(jìn)行了海試。該船由廣船國(guó)際負(fù)責(zé)建造，入級(jí)CCS，總長(zhǎng)70.5 米，型寬13.9 米，型深4.5 米，設(shè)計(jì)載貨量2000DWT，采用“鋰離子電池+超級(jí)電容雙電驅(qū)動(dòng)”技術(shù)，達(dá)到中國(guó)船級(jí)社《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》要求的“Green Ship-Ⅲ”級(jí)船舶綠色度。據(jù)了解，該船的充電時(shí)間約2.5小時(shí)，在滿載條件下，最高航速7 節(jié)，續(xù)航力40 余海里。

2018年4月，“48TEU 智能新能源集裝箱船”項(xiàng)目在湖州正式啟動(dòng)，入級(jí)CCS。據(jù)了解，該船以磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力源，建成后在湖州安吉上港碼頭至上海共青碼頭的航線上運(yùn)行。

2019年6月全球首批5000 噸新能源散貨船（Diamond 5K 系列）項(xiàng)目啟動(dòng)，共計(jì)18 艘；新能源散貨船最大載重量達(dá)到5400 噸；建成后將是全球最大的江海聯(lián)運(yùn)新能源散貨船隊(duì)。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)多個(gè)廠家的磷酸鐵鋰電池和BMS 不斷發(fā)力加快進(jìn)入船用動(dòng)力電池市場(chǎng)。

3 船用和車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)的使用條件差異

3.1 動(dòng)力電池系統(tǒng)在船上的主要安裝方式

3．1．1 獨(dú)立蓄電池艙安裝

當(dāng)采用充電法補(bǔ)充能源時(shí)，船舶會(huì)配備較大容量的動(dòng)力電池，從而提高其單次充電的續(xù)航力，以上文提到的電池動(dòng)力汽車(chē)渡船“Ampere”號(hào)為例，雖然其用于短線輪渡，但是裝載的動(dòng)力電池總重也達(dá)到10 噸。

為了保證動(dòng)力電池有足夠的安裝空間和良好的散熱環(huán)境，此類(lèi)船舶的動(dòng)力電池通常安裝在一個(gè)或多個(gè)溫度可控的獨(dú)立蓄電池艙室內(nèi)。

3．1．2 電池集裝箱安裝

當(dāng)采用換電法補(bǔ)充能源時(shí)，動(dòng)力電池的布置需要便于吊裝更換，因此可采用電池集裝箱的形式，并沿航線設(shè)置若干個(gè)換電碼頭用于更換電池集裝箱。荷蘭建造的歐洲首艘電池動(dòng)力內(nèi)河集裝箱船，其運(yùn)輸能力為24 個(gè)TEU，使用1 個(gè)電池集裝箱作為動(dòng)力，能在碼頭進(jìn)行充電或更換電池，而其后續(xù)船型的運(yùn)輸能力設(shè)計(jì)為224 個(gè)TEU，將采用4 個(gè)電池集裝箱。

此種電池集裝箱通常安放在露天處所，需要通過(guò)保溫層、通風(fēng)系統(tǒng)甚至滅火系統(tǒng)來(lái)保障電池的工作環(huán)境和安全性。

3.2 船用和車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)的適用標(biāo)準(zhǔn)

鋰離子動(dòng)力電池在新能源汽車(chē)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)于此類(lèi)電池的性能要求和安全性要求，目前權(quán)威的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有IEC 62660-3-2022《電動(dòng)公路車(chē)輛推進(jìn)用二次鋰離子電池》系列標(biāo)準(zhǔn)和ISO 12405《電動(dòng)道路車(chē)輛鋰離子動(dòng)力電池組和系統(tǒng)的測(cè)試規(guī)范》系列標(biāo)準(zhǔn)。2015年，我國(guó)在非等效采用ISO 12405 系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，發(fā)布了GB/T 31467《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)我國(guó)新能源船舶的發(fā)展需求，CCS 發(fā)布的《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）和中華人民共和國(guó)海事局發(fā)布的《內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2016）納入了蓄電池組電力推進(jìn)船舶的附加要求，并在《太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》（2014）中，規(guī)定了磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造和檢驗(yàn)要求，其中對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)的主要安全性要求指向了汽車(chē)行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 船用和車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)的使用條件對(duì)比

為了更好地將動(dòng)力電池系統(tǒng)的車(chē)用要求引用和轉(zhuǎn)化為船用要求，首先將兩者的使用情況差異比對(duì)如下：

3．3．1 安裝空間

車(chē)用動(dòng)力電池通常安裝于汽車(chē)底盤(pán)（詳見(jiàn)圖二），電池布局需要滿足整車(chē)形狀，空間極為緊湊。船用動(dòng)力電池安裝于獨(dú)立的艙室或者獨(dú)立的集裝箱（詳見(jiàn)圖三），允許采用更大容量的電池單體，更為規(guī)整的電池模塊以及更為疏松的系統(tǒng)布局；

3．3．2 電池容量

以特斯拉Model S 為代表，官方給出的動(dòng)力電池容量為85kWh。而船用動(dòng)力電池容量根據(jù)其使用需要，通常為數(shù)千kWh，這對(duì)BMS 的信息采集和處理能力要求提高了兩個(gè)量級(jí)。

圖2 特斯拉Model S 的電池板

圖3 某船用集裝箱電池系統(tǒng)示意圖

3．3．3 安裝環(huán)境

車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)的安裝環(huán)境振動(dòng)劇烈，溫度變化大，容易受外界環(huán)境影響。此外，由于汽車(chē)容易發(fā)生各類(lèi)交通事故，安裝于其底盤(pán)的動(dòng)力電池遭受碰撞、擠壓、浸水的概率也較高。

通過(guò)下表（表2）可更清楚地了解兩者的差異。

表2 船用和車(chē)用動(dòng)力電池的使用條件對(duì)比

在安全性方面，車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)的安裝和使用環(huán)境較船用更為惡劣，因此可以在車(chē)用標(biāo)準(zhǔn)的安全性要求基礎(chǔ)上，進(jìn)一步梳理船舶的特殊要求，從而更有針對(duì)性地提高船舶動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性。

4 船用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池單體的安全性控制

電池單體系指電池里最小的結(jié)構(gòu)單元，是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的基本結(jié)構(gòu)，因此電池單體的安全性是電池系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)。

相比于其他類(lèi)型的鋰離子電池，磷酸鐵鋰電池單體存在一致性較差的情況，這意味著磷酸鐵鋰電池在使用過(guò)程中，容易出現(xiàn)電池單體容量衰減不一致、內(nèi)阻增長(zhǎng)不一致、老化速率不一致和溫升不一致等情況。船用動(dòng)力電池系統(tǒng)實(shí)質(zhì)由大量電池單體串并聯(lián)組成，這種不一致將造成磷酸鐵鋰動(dòng)力電池系統(tǒng)的使用壽命降低和安全性風(fēng)險(xiǎn)提高。

因此，嚴(yán)格控制電池單體的品質(zhì)，并對(duì)其進(jìn)行完整的安全性試驗(yàn)，是管控船用動(dòng)力電池安全的第一道關(guān)。

4.1 磷酸鐵鋰電池單體的生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制

磷酸鐵鋰電池單體主要包括電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼和端子，其生產(chǎn)流程包括：正負(fù)極配料、正負(fù)極合漿、正負(fù)極涂布、連續(xù)輥壓、連續(xù)分條或者切片、卷繞整形（圓柱形）或者疊片（方形）、焊接裝配、注液、化成、電池老化、電池分容、電池分組等。

綜上可見(jiàn)，孟子獨(dú)標(biāo)“仁者無(wú)敵”的武德思想，以“明明德于天下”的內(nèi)圣取代“平天下”的外王實(shí)踐，對(duì)于暴力與霸道進(jìn)行徹底的否定，絕端的反對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)和刑殺，導(dǎo)致其政治理想失去了現(xiàn)實(shí)的抓手而缺乏可操作性。齊宣王所言“吾惛，不能進(jìn)于是矣”，便是治政者對(duì)于道德理想不知如何轉(zhuǎn)化落實(shí)為實(shí)操層面的慨嘆?！妒酚洝贩Q(chēng)孟子“迂遠(yuǎn)而闊于事情”[9](P2343)，就連十分推重孟子的朱熹也不得不指出：“孟子所論，自世俗觀之，則可謂無(wú)謀矣。”[4](P226)孟子武德觀念在當(dāng)時(shí)的碰壁，在于其“以所如者不合”[9](P2343)，無(wú)法應(yīng)對(duì)戰(zhàn)國(guó)之世的現(xiàn)實(shí)危局。

在生產(chǎn)流程中，為確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性，應(yīng)在各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量控制。如正負(fù)極漿料的粘度檢測(cè)、正負(fù)極涂層厚度的檢測(cè)、分條切片后的正負(fù)極涂層厚度檢測(cè)，電池焊接裝配后，還應(yīng)根據(jù)具體工藝控制情況進(jìn)行短路測(cè)試、開(kāi)路電壓測(cè)試、內(nèi)阻測(cè)試、容量/內(nèi)阻/電壓測(cè)試等。

其中正負(fù)極配方是廠家的核心競(jìng)爭(zhēng)力，生產(chǎn)線硬件水平和工廠品控能力則決定了產(chǎn)品的性能和良品率。檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)需要在認(rèn)可初期，通過(guò)生產(chǎn)場(chǎng)地評(píng)估、生產(chǎn)設(shè)備評(píng)估、檢測(cè)設(shè)備評(píng)估和質(zhì)量體系復(fù)核等方式，對(duì)廠家進(jìn)行總體考核，將軟硬件實(shí)力不過(guò)關(guān)的生產(chǎn)廠家阻擋在船用市場(chǎng)之外。

4.2 船用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池單體的安全性試驗(yàn)要求

船用磷酸鐵鋰電池單體的安全性試驗(yàn)要求應(yīng)參考IEC 62660-2《電動(dòng)公路車(chē)輛用二次鋰電池——可靠性和抗濫用測(cè)試》對(duì)用于BEV（純電動(dòng)車(chē)）電池單體的可靠性和抗濫用測(cè)試要求，試驗(yàn)項(xiàng)目包括：

（1）機(jī)械試驗(yàn)：振動(dòng)試驗(yàn)（船用環(huán)境）、機(jī)械沖擊試驗(yàn)、擠壓試驗(yàn)；

（2）溫度試驗(yàn)：耐高溫試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)；

（3）電試驗(yàn)：外部短路試驗(yàn)、過(guò)充電試驗(yàn)、過(guò)放電試驗(yàn)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)記錄電池的狀態(tài)，具體描述為：沒(méi)影響、變形、排氣（電解液和氣體混合物從電池泄放口排出）、泄漏（電解液從電池泄放口以外的地方排出）、冒煙、破裂、著火和爆炸，但是標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有給出合格性評(píng)定要求。結(jié)合產(chǎn)品的耐受能力以及船舶的安全性要求，應(yīng)要求電池單體在所有的試驗(yàn)條件下“不著火”、“不爆炸”，在船用環(huán)境的振動(dòng)條件下應(yīng)“沒(méi)影響”。

5 船用動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性控制

完整的船用動(dòng)力電池系統(tǒng)包括動(dòng)力電池模塊、BMS、傳感器、溫度控制系統(tǒng)（適用時(shí)）、消防系統(tǒng)（適用時(shí)）、銅排電纜等。這些組成單元應(yīng)確保質(zhì)量水平，質(zhì)量控制應(yīng)根據(jù)要求嚴(yán)格控制并按要求持證。

5.1 動(dòng)力電池模塊的安全性

電池模塊系指將一個(gè)以上電池單體按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并混聯(lián)方式組合，且只有一對(duì)正負(fù)極輸出端子，并作為電源使用的組合體。電池模塊通常包括絕緣板、匯流片、電芯支架、電池單體、絕緣板等結(jié)構(gòu)，有的也會(huì)集成BMS 的采樣模塊。而船用動(dòng)力電池系統(tǒng)中，通常包含了數(shù)百個(gè)電池模塊的串并聯(lián)。

對(duì)于船用動(dòng)力電池模塊或系統(tǒng)的整體安全性試驗(yàn)，目前對(duì)車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)在驗(yàn)證階段，會(huì)進(jìn)行整體的安全性試驗(yàn)。但是船用動(dòng)力電池系統(tǒng)的體積和能量太大，沒(méi)有那么大的試驗(yàn)臺(tái)架和場(chǎng)地，也無(wú)法承受試驗(yàn)失敗的后果，因此對(duì)船用動(dòng)力電池模塊進(jìn)行安全性試驗(yàn)是可行且合理的。

船用動(dòng)力電池模塊的安全性試驗(yàn)項(xiàng)目可參考ISO 12405.3《電動(dòng)道路車(chē)輛 鋰離子動(dòng)力電池組和系統(tǒng)的測(cè)試規(guī)范-安全性能要求》，包括：振動(dòng)、機(jī)械沖擊、跌落、翻轉(zhuǎn)、模擬碰撞、擠壓、溫度沖擊、濕熱循環(huán)、海水浸泡、外部火燒、鹽霧試驗(yàn)、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)充電保護(hù)和過(guò)放電保護(hù)。其中振動(dòng)、濕熱循環(huán)、鹽霧試驗(yàn)的試驗(yàn)要求，可以根據(jù)《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗(yàn)指南》，按船用環(huán)境要求開(kāi)展。

5.2 BMS 的安全性

船用動(dòng)力電池的總?cè)萘看螅姵啬K的串并聯(lián)數(shù)多，因此系統(tǒng)需要得到更為精準(zhǔn)的監(jiān)控、報(bào)警和保護(hù)，這其中BMS 扮演了重要的角色。根據(jù)CCS 的相關(guān)要求，BMS 應(yīng)能對(duì)電池的充放電、電池溫度、單體電池間的均衡進(jìn)行控制，且其功能應(yīng)滿足下表（表3）的要求。

表3 中國(guó)船級(jí)社對(duì)于船用BMS 功能要求一覽表

從船舶整體的安全性角度出發(fā)，在船用動(dòng)力電池系統(tǒng)的BMS 設(shè)計(jì)和選擇中，以下問(wèn)題應(yīng)引起關(guān)注：

（1）故障安全原則。BMS 作為船舶動(dòng)力能源的控制設(shè)備，如其本身發(fā)生故障，應(yīng)確保電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)維持在其故障前的狀態(tài)。

（2）越控的設(shè)置。CCS《太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》（2014）要求BMS 應(yīng)在其達(dá)到極限狀態(tài)并停機(jī)之前發(fā)出預(yù)報(bào)警，但是并未明確是否允許越控。傳統(tǒng)動(dòng)力船舶設(shè)有“棄車(chē)保船”的越控按鈕，通過(guò)強(qiáng)行驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)，在危急關(guān)頭保障船舶安全。但是電池動(dòng)力船不同，對(duì)電池的停機(jī)保護(hù)動(dòng)作一旦被越控，將存在電池發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，并可能因此導(dǎo)致電池起火爆炸，從而造成重大船損。因此對(duì)于單體溫度過(guò)高停機(jī)、過(guò)流保護(hù)停機(jī)等保護(hù)動(dòng)作，應(yīng)結(jié)合電池的實(shí)際情況確定是否允許被越控。必要時(shí)應(yīng)考慮進(jìn)行汽車(chē)行業(yè)動(dòng)力電池的“熱失控?cái)U(kuò)展”試驗(yàn)，模擬電池模塊在其中某一電池單體熱失控的情況下，不發(fā)生外部起火和爆炸。

（3）BMS 與動(dòng)力電池的匹配度問(wèn)題。許多鋰離子電池廠家本身并不設(shè)計(jì)生產(chǎn)BMS，且電池廠家往往無(wú)法與BMS 廠家共享電池的核心技術(shù)參數(shù)，這就導(dǎo)致BMS廠家較難精確估算配套電池的SOC，存在監(jiān)測(cè)、充放電等環(huán)節(jié)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。因此，選擇擁有BMS 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電池廠家將更為可靠。

5.3 動(dòng)力電池系統(tǒng)安裝環(huán)境的安全性

5．3．1 電池艙布置

動(dòng)力電池系統(tǒng)安裝于獨(dú)立的電池艙時(shí)，應(yīng)充分考慮電池的安裝布置、電池艙的通風(fēng)布置、電池艙的消防布置、電池艙溫度檢查裝置的布置、電池艙與其他艙室的防火分隔等。

應(yīng)考慮電池組的布置是否便于更換、檢查、測(cè)試和清潔，電池組是否被安裝在可能遭受過(guò)熱、過(guò)冷、水濺、蒸汽、其他損害其性能或加速其性能惡化影響的處所內(nèi)。

5．3．2 電池集裝箱布置

采用模塊化的動(dòng)力電池集裝箱時(shí)，應(yīng)將電池集裝箱安放在易于吊裝，又最不容易受到損壞的位置。條件允許的情況下，甚至可以考慮將電池集裝箱置入專(zhuān)用艙室，從而更好的防護(hù)集裝箱，并更易于布置相關(guān)的電氣接插件。

應(yīng)對(duì)電池集裝箱整體采取有效的隔熱布置，防止外部環(huán)境溫度變化對(duì)集裝箱產(chǎn)生過(guò)大影響。電池集裝箱內(nèi)部應(yīng)合理布置通風(fēng)，確保每個(gè)電池模塊均能有效散熱，同時(shí)通風(fēng)風(fēng)量應(yīng)考慮到電池最?lèi)毫拥陌l(fā)熱工況。

6 提升船舶動(dòng)力電池安全性的總體考慮

電池動(dòng)力船舶是新能源船舶和智能船舶發(fā)展的重要產(chǎn)物，如何提高其動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性，是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，需要在船舶論證和設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行充分考慮動(dòng)力電池系統(tǒng)在船上的總體布局，從而反向推演出對(duì)電池及所有相關(guān)系統(tǒng)的要求。

同時(shí)，也建議業(yè)界充分考慮現(xiàn)有的技術(shù)手段，如采用氣溶膠填充技術(shù)提高電池系統(tǒng)的防止“熱失控?cái)U(kuò)展”能力，借鑒高壓岸電系統(tǒng)的“電纜管理系統(tǒng)”提高充電系統(tǒng)的可靠性，采用七氟丙烷提高消防系統(tǒng)的使用效能，配合超級(jí)電容優(yōu)化動(dòng)力電池的使用工況等。