磷酸鐵鋰電池在船舶上應(yīng)用的安全性分析

黃金華

（廣西中船北部灣船舶及海洋工程設(shè)計(jì)有限公司，南寧530021）

1 前言

近年來，隨著鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰電池在船舶上應(yīng)用越來越廣泛，內(nèi)河及湖泊短航程觀光旅游船發(fā)展尤為迅速，是國內(nèi)新能源電力推進(jìn)船舶的重要市場(chǎng)。為了落實(shí)國家對(duì)大氣、水污染的防治政策，CCS 和海事局適應(yīng)時(shí)代潮流，制定了船舶應(yīng)用鋰電池的有關(guān)法規(guī)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)或指南，明確允許磷酸鐵鋰電池作為船舶動(dòng)力使用。但由于近年來電力推進(jìn)船舶火災(zāi)偶有發(fā)生，鋰電池的安全性及預(yù)防措施仍是船舶設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)的關(guān)注點(diǎn)，也是鋰電池動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

根據(jù)船舶設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，船舶電池系統(tǒng)安全性主要包括以下內(nèi)容：

（1）可能產(chǎn)生的泄漏（有毒、可燃、腐蝕等）；

（2）可能產(chǎn)生的氣體（有毒、可燃、腐蝕等）；

（3）火災(zāi)危險(xiǎn)性；

（4）爆炸危險(xiǎn)性，包括電池在通風(fēng)和熱失控時(shí)釋放的氣體；

（5）蓄電池艙（或柜）氣體探測(cè)裝置；

（6）蓄電池艙自動(dòng)探火及滅火系統(tǒng)設(shè)備；

（7）蓄電池艙的通風(fēng)速率；

（8）推薦的滅火方式；

（9）電池內(nèi)部故障/熱失控；

（10）電池內(nèi)部及外部短路；

（11）過流、過壓及欠壓保護(hù)；

（12）外部熱源/火災(zāi)；

（13）安全的充/放電特性；

（14）減輕風(fēng)險(xiǎn)的安全預(yù)防措施。

2 磷酸鐵鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成

由我司設(shè)計(jì)、中船桂江造船有限公司建造的某水庫水質(zhì)監(jiān)測(cè)船，其動(dòng)力源使用磷酸鐵鋰電池，用于某市水庫水質(zhì)監(jiān)測(cè)，保障水庫庫區(qū)水質(zhì)安全。

該船主要參數(shù)：總長24.65 m、型寬5.60 m、型深2.25 m、吃水1.25 m、總噸～68 t、航速15 km/h、航區(qū)內(nèi)河B級(jí)。

該船的動(dòng)力系統(tǒng)采用直流組網(wǎng)方案： 2 套480 kWh 磷酸鐵鋰電池組作為動(dòng)力電源，滿足單航次經(jīng)濟(jì)航速4 小時(shí)電力推進(jìn)使用；兩個(gè)電池組可以單組或并聯(lián)，為船舶推進(jìn)系統(tǒng)和生活設(shè)備負(fù)載供電；電池管理系統(tǒng)（BMS）監(jiān)控蓄電池的運(yùn)行和使用狀態(tài)，確保蓄電池組和系統(tǒng)的安全使用；電池組通過雙向DC 模塊連接到直流母排；駕控臺(tái)設(shè)獨(dú)立的電池集中緊急關(guān)斷功能，可安全隔離電池；在應(yīng)急切斷時(shí)，聲音報(bào)警器及報(bào)警指示燈同時(shí)點(diǎn)亮，輸出聲光報(bào)警信號(hào)；電池及其BMS 均使用同一品牌，且具有CCS 船用產(chǎn)品證書；電池作為動(dòng)力電池，0.5 C 充放電、80%放電深度時(shí)，循環(huán)壽命大于5 000 次，使用壽命約5～6 年。電池在無加熱情況下，穩(wěn)定工作環(huán)境溫度為-15 ℃～45 ℃；單個(gè)電池之間自放電率一致性好，電池系統(tǒng)均衡能力強(qiáng)，方便維護(hù)。

磷酸鐵鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)由電池組和BMS 兩部分組成。

2.1 電池組

分為兩個(gè)組，每個(gè)組分別由4 個(gè)電池箱并聯(lián)構(gòu)成，與一個(gè)高壓箱連接，高壓箱再與配電板直流母排連接，單獨(dú)或共同向用電負(fù)載饋電；兩組8 個(gè)電池箱均勻分布在蓄電池艙左右，每個(gè)電池箱能量120 kWh，每個(gè)組電能480 kWh，總電能960 kWh。

電池動(dòng)力系統(tǒng)示意圖，見圖1（虛線框內(nèi)為電池組）。

圖1 電池動(dòng)力系統(tǒng)示意圖

電池采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，外型結(jié)構(gòu)完全統(tǒng)一，方便互換維護(hù)；單個(gè)電池兩端電極采用激光焊接工藝，接觸電阻極小，發(fā)熱量低；電池外殼采用不銹鋼制作，具有泄壓等防爆保護(hù)措施；電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了后期維護(hù)成本及可操作性；電池組采用先并后串的連接方式，單個(gè)電池故障切除后，電池組及相關(guān)分路不受影響，只是能量略有下降，可繼續(xù)向系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

兩個(gè)電池組構(gòu)成該船動(dòng)力系統(tǒng)電池，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 全船動(dòng)力電池組主要參數(shù)

2.2 BMS

主要由主控單元（BMU）和采樣單元（LECU）組成，顯示單元采用液晶顯示屏，用于顯示電池組信息；BMS 具有電池電熱參數(shù)檢測(cè)、充放電控制、電池電量均衡、狀態(tài)（SOC、SOH、SOP）估算、熱管理、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與查詢、推進(jìn)系統(tǒng)和充電機(jī)通訊、人機(jī)界面接口等功能，保證電池全工況、全氣候、全壽命的安全使用，并延長電池有效使用壽命；

高壓配電總控箱，是整個(gè)電池系統(tǒng)的控制中心，包括電池系統(tǒng)集中供配電、電池系統(tǒng)充放電控制、一、二級(jí)電池管理系統(tǒng)內(nèi)外通信聯(lián)絡(luò)等功能。高壓箱主要由觸摸控制屏、緊急停止按鈕、空氣斷路器、電池主控單元模塊等構(gòu)成。

本系統(tǒng)每個(gè)電池箱配置一個(gè)LECU 單元、一個(gè)二級(jí)BMU，每段母排配置一個(gè)一級(jí)BMU；二個(gè)一級(jí)BMU 分別與充電機(jī)及電力推進(jìn)控制系統(tǒng)通訊聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)充放電的控制和保護(hù)。

BMS 分為三級(jí)：

第一級(jí)為模組管理。每個(gè)模組配置1 個(gè)LECU 采樣單元，主要采集電池模組內(nèi)部12 串電池電壓及溫度，并將電壓和溫度參數(shù)傳輸給二級(jí)總控單元；

第二級(jí)為電池箱管理。每個(gè)箱配置1 個(gè)二級(jí)總控單元GBMU，與采樣單元通訊聯(lián)絡(luò)并供電，采集14 個(gè)采樣單元上傳的電壓、溫度數(shù)據(jù)；采集電池箱充放電電流、總電壓，通過控制回路控制該箱的充放電過程；電池箱的SOC 計(jì)算、狀態(tài)診斷、故障定位、系統(tǒng)自檢等，與一級(jí)總控單元通訊聯(lián)絡(luò)，上傳電池箱的狀態(tài)信息、故障信息、電壓電流溫度及絕緣參數(shù)；接收一級(jí)總控輸出的DC24V 電源；

第三級(jí)為電池組管理。每段母排配置2 個(gè)（1 用1備）一級(jí)總控單元GBMU，通過高壓單元實(shí)現(xiàn)對(duì)4 個(gè)電池箱絕緣的循環(huán)監(jiān)測(cè)；一級(jí)總控單元與4 個(gè)電池箱的二級(jí)總控單元通訊聯(lián)絡(luò)，接收上傳的電池柜狀態(tài)信息、故障信息、電壓電流溫度及絕緣參數(shù)，給二級(jí)總控發(fā)送待機(jī)、充放電等指令，并向二級(jí)總控單元提供DC24V 電源；通過以太網(wǎng)與電力推進(jìn)系統(tǒng)通訊聯(lián)絡(luò)，上傳4 個(gè)電池柜的數(shù)據(jù)及信息，接收電力推進(jìn)系統(tǒng)傳送的指令并反饋電池系統(tǒng)狀態(tài)；高壓箱面板配備啟動(dòng)按鈕、停機(jī)按鈕、急停按鈕、就緒指示燈、運(yùn)行指示燈、故障指示燈及觸摸屏。

3 磷酸鐵鋰電池安全性分析

磷酸鐵鋰電池由于能量密度、平臺(tái)電壓較高、安全性高、成本低應(yīng)用最為廣泛。

（1）磷酸鐵鋰電池為不銹鋼外殼，耐高溫1 500 ℃；

（2）電解液主要成分為六氟磷酸鋰，當(dāng)其受熱或暴露在空氣中可產(chǎn)生氟化氫和磷酸白色煙霧，都不屬于易燃易爆氣體，而且釋放量非常少，對(duì)健康危害定義為1 級(jí)（輕度危害），安全等級(jí)為2（安全）；

（3）電池型號(hào)GSF46160M-28，具有CCS 型式認(rèn)可證書；

（4）電池管理系統(tǒng)型號(hào)GBMS，具有CCS 型式認(rèn)可證書；

（5）根據(jù)檢驗(yàn)報(bào)告，磷酸鐵鋰電池在擠壓、短路、過充和過放情況下，都不會(huì)產(chǎn)生起火和爆炸現(xiàn)象，自身安全性很好；

（6）在正常使用情況下，性能穩(wěn)定，無氣體釋放；在極端狀態(tài)下（主要是熱失控狀態(tài)），會(huì)有極少量氣體通過泄壓閥排出，主要成分是CO；單個(gè)電池模組熱失控可以立即切斷，不會(huì)影響其它模塊，不會(huì)導(dǎo)致電池艙變成危險(xiǎn)區(qū)域；

（7）單個(gè)電池采用全極耳異形匯流排激光焊接工藝，電池內(nèi)阻小，無接觸發(fā)熱現(xiàn)象；

（8）電池管理系統(tǒng)采取三級(jí)報(bào)警故障管理模式，使故障電池消除在萌發(fā)狀態(tài)，極大提高了電池運(yùn)行安全。

（9）采用功率冗余設(shè)計(jì)，即使在2 個(gè)電池箱故障不能正常并網(wǎng)時(shí)，其余2 個(gè)電池箱仍能以系統(tǒng)的額定功率運(yùn)行；

（10）充電過程BMS 實(shí)時(shí)檢測(cè)各電芯模塊電壓、溫度以及充電電流等，對(duì)整個(gè)充電過程狀態(tài)進(jìn)行管理，保證充電安全受控；

（11）電池艙防火分隔設(shè)計(jì)為A60；

（12）電池艙設(shè)置有自動(dòng)探火裝置系統(tǒng)，當(dāng)探測(cè)到火警信號(hào)時(shí)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；

（13）電池艙設(shè)進(jìn)水報(bào)警傳感器，對(duì)艙底積水進(jìn)行監(jiān)控，防止電池艙浸水對(duì)電池的危害；

（14）電池艙設(shè)有環(huán)境溫度傳感器，對(duì)艙內(nèi)環(huán)境溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)防電池艙環(huán)境溫度過高對(duì)電池造成影響。

4 結(jié)語

通過上述分析，消除了用戶對(duì)該水質(zhì)監(jiān)測(cè)船電池安全性的疑慮。在未取得第三方安全認(rèn)證的情況下，可通過安全性分析報(bào)告、安全性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告等對(duì)電池安全性進(jìn)行預(yù)判，采取安全措施，確保電池運(yùn)行在安全狀態(tài)。隨著磷酸鐵鋰電池性能研究的不斷深入，能量密度逐步提高，磷酸鐵鋰電池作為一種新型綠色清潔動(dòng)力能源，在船舶上應(yīng)用必將更加廣泛。