基于事故樹法的船舶動力電池充換電安全分析*

張文芬 嚴新平

(1.武漢紡織大學管理學院 武漢 430200；2.武漢理工大學智能交通系統研究中心 武漢 430063)

0 引 言

中國90%以上船舶為柴油機動力船舶，隨著中國水運需求快速增長，環境污染、能源消耗問題日益突出，綠色船舶已成為未來船舶主要發展方向。電池動力船舶具有運營成本低、能源節約，噪聲低，無油污水污染等優點。綠色船舶制造技術的創新與升級、動力鋰電池技術的成熟與推廣為電池動力船舶應用和普及提供了良好的技術支撐和發展契機。

歐洲電動駁船已經開始批量投放[1]，中國電池動力船也正成為一項具備戰略性的新興產業，在內河渡輪、游船、集裝箱船、貨船等應用廣泛，但隨之而來的安全問題不容忽視。2013—2016年南京、北京、揚州、合肥等地相繼發生10多起電動游船火災爆炸事故，造成了嚴重的人員傷亡、財產損失、壞境破壞。

船舶航距遠，載重量大，能量需求大，而船舶搭載電池容量有限，續航能力有限，航行途中主要通過電池充換電實現能量補給，涉及充電、換電、裝卸、運輸等環節，存在諸多安全隱患，安全事故頻繁發生。因此電池動力船舶充換電安全性值得深入研究，國內外專家和學者在動力電池安全性、電池充換電安全、新能源船舶安全方面開展了相關研究。

國內外關于動力電池安全性研究，主要集中在電池充電安全、火災危險性、電池老化等方面，多采用實驗測試、數值模擬、事故樹模型等研究方法。盧蘭光等[2]對鋰離子電池性能進行測試研究，確定影響其性能的主要因素及變化規律。Rezvanizaniani 等[3]研究了電池老化過程、影響因素和衡量參數，提出了電池預測和安全管理技術，包括電池SOC評估和SOH預測技術，用來監測電動汽車運行安全。Lisbona[4]針對不同的電池火災類型，提出了火災風險控制措施和火災撲救策略。杜珺等[5]編制了鋰電池航空運輸火災事故樹，通過事故樹分析軟件對其進行定性分析，并結合三角模糊數原理，解決事故樹分析方法不能確定事件精確發生概率的問題。Soares等[6]從電池動力系統應用生命周期，對鋰電池動力裝置風險進行分析，并詳細列出各種情形下的危險事故、危險狀態、風險概率、風險程度、風險控制措施。事故樹法廣泛應用在危險貨物運輸、純電動車的運輸安全研究中[7-8]。

關于電池充換電安全研究，以電動汽車領域研究為主。賀春等[9]通過對安全模型的研究和事故鏈的梳理，建立電動汽車充電安全模型，并提出相應的安全措施。Zaghib等[10]分析了充電電壓、容量、溫度與電池壽命間的作用關系。何向明、歐陽明高[11-12]等總結動力電池充電安全、電池損壞等安全問題，并揭示電池安全事故的產生機理。

關于新能源船舶安全，嚴新平[13]對新能源在船舶上的應用進行展望；周唯等[14]提出了溢油回收船動力系統安全節能設計方案；聶細亮等[15]從安全操作、安全建模、安全管理等方面對LNG船舶運輸安全進行綜述；李峰等[16]等運用數值模擬研究了燃料電池船舶氫氣泄露、爆炸對船舶安全帶來了威脅；王星昱[17]從設計的角度研究岸電系統的安全與保護裝置，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電池動力船舶的安全管理制度和規定，充換電是電池動力船舶運營的關鍵環節，現有關于電池動力船舶安全研究多集中在電力推進系統狀態評估[19]和故障分析，關于船舶充換電安全文獻十分匱乏，對船舶動力電池充換電安全展開研究顯得尤為重要。

動力電池安全性是社會關注的焦點，也是電動船推廣應用關鍵所在。本文首先分析船舶動力電池充換電模式和流程，總結火災爆炸、電池損壞2類主要安全事故發生機理，構建事故樹模型，再采用布爾代數法、結構重要度公式、Trilith事故樹分析軟件，結合湖州500 t電動貨船實例，對電池動力船舶充換電安全性事故進行系統分析，最后從技術、管理層面提出船舶動力電池充換電安全管控措施。

1 船舶動力電池充換電模式與安全事故

合理充換電是保證動力電池船舶正常運營的前提，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，在岸邊布設充電樁，當船舶靠港時，用充電電纜把船舶電池接入電網，采用恒壓恒流式充電, 充電電流相對較低。

2)直流快充。直流快充是以高強電流短時間為電池充電，多是應急狀況下或有時效要求情況下采用，廣州瑞華內河航運船電池容量2 400 kWh。但直流快充對電池性能要求較高，且大電流充電會致使電池過熱，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在該換電站內或附近岸邊，充電在換電站內或附近完成，通過正面吊或者叉車即可完成低電和滿電電池箱運輸作業。集中充電是一個充電站覆蓋若干換電站，通常充電站建設在港口內陸地區，將多個換電站電池集中起來充電，完成充電后統一配送。滿電電池箱提前運送至換電站，低電電池箱卸下后運送至充電站充電，通過集裝箱汽車將電池箱運送至充電站，正面吊、叉車等輔助設備進行集裝箱的堆疊和運輸作業。

綜上，電池動力船舶充換電共包括電池充電、電池裝卸船、電池車輛裝載、電池運輸(汽車和船舶運輸)和儲存5個操作環節。

電池動力船舶多以磷酸鐵鋰電池為動力源，生產儲存或運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、設計缺陷等均有可能導致鋰電池發生安全事故。

據統計，70%以上安全事故是發生在電池充換電過程中，如火災事故、電池損壞等，事故危害性大。其中充電和儲存過程易發生火災事故；裝卸和運輸過程，由于電池沒有接入電路中，多以電池損壞事故為主。

1)電池火災爆炸事故。導致船舶動力電池發生火災爆炸事故的直接原因有：①外部熱源。電池持續吸收環境中的熱量而溫度升高，會發生熱失控，并釋放出大量可燃氣體，遇明火發生燃燒、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，會長時間持續放熱，從而發生電池爆炸、自燃。 ③電池過充。過度充電或BMS系統故障時，鋰電池內部熱量積累，產生大量熱量、氣體，會引起電池的溫度、壓力急劇增加，從而導致火災爆炸事故。

2)電池損壞事故。電池充換電過程中，與其他交通工具、輔助設施接觸頻繁，容易出現電池損壞狀況，如：電池受機械沖擊變形、擠壓、針刺、破損等，且電池過充、過放均對會電池造成損壞。一

般符合國家標準的磷酸鐵鋰電池，由于電解質中添加了阻燃劑，不考慮電池內部隔膜擠壓破裂引起的短路火災事故。

2 船舶動力電池充換電安全事故樹

由于電池動力船舶尚未推廣普及，目前有關電池動力船舶運營的安全統計數據缺乏，無法采用神經網絡、灰色預測、支持向量機模型等基于數據的方法進行安全評價，本研究選用事故樹模型，對歷史統計數據依賴程度低，并結合電池動力船舶事故機理特性，探究和梳理了船舶電池充換電過程的安全事故，并運用采用布爾代數法定量測算出船舶動力電池充換電安全事故發生的概率。

在充換電安全事故分析的基礎上，進一步探析事故誘因，包括電池質量問題(原材料質量缺陷，設計缺陷、工藝缺陷等)、(錯誤充放電、碰撞、外部短路、高溫使用等)、惡劣環境(高溫、潮濕、顛簸)等。從船舶充換電流程視角，查找并識別各環節引發安全事故的事件[20]，并分析事件間的邏輯關系，進一步細化研究事件發生的影響因素，分別建立電池損壞事故樹和電池火災事故樹如圖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和描述如表1所示。

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

表1 參數描述Tab.1 Parameter Description

3 電池動力船舶充換電安全分析

3.1 最小割集

在事件樹模型中，頂事件是研究對象事件，最小割集就是頂事件發生的一種可能途徑。基于船舶動力電池充換電安全事故樹模型，應用安全系統工程理論，列出邏輯關系式，求出最小割集，找出引發船舶充換電安全事故的可能路徑，以電池損壞事故為例，用布爾代數法求電池損壞事故的最小割集。

頂事件電池損壞事故T1

T1=A1+A2

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

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

X9+X10

(1)

即船舶充換電電池損壞事故的最小割集有{X1}，{X2}，{X3}，{X4},…,{X10}共10組。同理，對于船舶充換電火災事故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 基本事件結構重要度

結構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,各事件間的邏輯關系就確定了,不考慮基本事件發生概率，只與故障樹的結構有關，基本事件結構重要度的計算公式如下。

由于底事件xi(i=1,2，…,n)的狀態取0或1，當xi處于某一狀態時，其余n-1個底事件組合系統狀態為2n-1，因此，底事件xi的結構重要度定義為

(3)

式中：n為底事件個數。

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

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

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

船舶充換電電池損壞事故樹基本事件個數n=10，各基本事件的結構重要度為

29+1)=0.001 95

(4)

船舶充換電電池火災事故樹基本事件個數n=12，各基本事件的結構重要度為

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

(5)

(6)

(7)

3.3 頂事件發生概率

頂事件發生的概率也是系統失效概率，在數值上等于最小割集發生的概率和除去重復計算的部分。

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

(8)

式中：I為基本事件的序數；qi為基本事件的發生概率；xi∈Kj為第i個基本事件屬于第j個最小割集；j，s為最小割集的序數；k為最小割集的個數；xi∈Kj∪Ks為第i個基本事件或屬于第j個最小并集，或屬于第s個最小并集；1≤j

在計算頂事件發生概率前需確定各基本事件發生概率，依據事件發生可能程度，可將事件發生概率分為7個等級，如表2所示。

表2 概率等級表Tab.2 Probability level table

以湖州500 t級的電池動力貨船為例，對船舶充換電過程中的可能出現的18個基本事件進行概率統計，采用問卷調查法，調查對象為湖州電動貨船的船長、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個基本事件發生概率如表3所示。

利用事故樹分析軟件Trilith，將基本事件發生概率值，輸入事故樹模型，計算頂事件電池損壞發生的概率為0.022 27，用Trilith軟件計算界面如圖3；電池火災發生的概率為0.024 02,用Trilith軟件計算界面如圖4所示，火災發生概率略高于電池損壞概率。

本案例中，電池損壞、火災事故發生的概率分別為2.22%，2.24%與同領域其他研究結果基本一致。查閱相關文獻，均指出動力電池安全事故發生的概率范圍為2%～8%。文獻[21]依據電動汽車充電站的統計數據得到電池充電安全故障率為8%，文獻[22]中指出電動汽車充換電故障率為3.7%～5.8%；文獻[5]求得鋰電池火災事故發生的概率為2.3%，因此，本研究所提出的電池充換電安全評估失電的方法基本合理有效。

表3 基本事件發生概率表Tab.3 Basic Event Probability Table

4 研究結論與對策建議

目前關于電動船舶安全性研究的文獻十分匱乏，船舶電池充換電安全的研究幾乎處于空白，筆者運用事故樹對船舶充換電安全進行研究，主要結論如下。

1)導致船舶動力電池充換電安全事故的可能路徑有21條，任何一條路徑發生，安全事故就會出現，且大多數最小割集是一個基本事件，如高溫、起吊設備故障、連鎖問題等單獨事件發生均會引發安全事故，必須有效控制好每個導致充換電安全事故的基本因素。

圖3 電池損壞事故發生概率Fig.3 Probability of Battery Damage Accident

圖4 充換電火災事故發生概率Fig.4 Probability of ship charging

2)在電池損壞事故樹模型中，10個基本事件結構重要度相同，均為0.001 95，可見各基本事件對電池損壞事故的影響程度相當；在火災爆炸事件中，基本事件可燃氣體、導體靜電、摩擦靜電的結構重要度較高，分別為0.000 98,0.000 49,0.000 49，對引發火災事故的影響突出，其他基本事件結構重要度差異性不明顯。火災事故中基本事件結構重要度要高于電池損壞事故。

3)研究顯示，高溫、過充、聯鎖問題等基本事件，發生概率較高，也是引發安全事故的主要原因。盡管單個基本事件發生概率低，但由于造成事故的可能路徑較多，電池損壞、火災爆炸頂事件的發生概率相對較高，分別為0.022 27，0.024 02，屬于容易發生的事故級別，火災發生概率略高于電池損壞概率。

以上研究結果表明，必須制定合理有效的安全管理措施來規避船舶充換電風險，主要措施如下。

1)建立岸電安全聯鎖系統。不同于陸地充電，由于海水導電并存在電阻，船體的 “地” 和岸電的 “地” 因傳導電阻造成電位差。安全聯鎖系統具備安全聯鎖功能，還可應急切斷，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備燒毀事故。

2)消除和減少靜電的產生，絕緣材料監測保護。應用防爆叉車、手推車，叉車在工作中可能發生摩擦、碰撞，將運輸裝卸工具與電池接觸的地方涂上黃銅，能防止產生和聚積靜電；充電設施絕緣材料性能是影響充電安全的重要因素，開展壽命測試，可起到安全預防的作用。

3)減少人為差錯，避免濫充電現象。隨著現代科技不斷發展，船舶本身安全性能將得到很大提高，而人的主管能動性發揮空間越來越大。提升管理人員與操作人員素質，提升安全保護意識，避免高溫、高濕、高壓等惡劣環境充電，規范充換電操作十分重要。

5 結束語

充換電是電池動力船舶運營的關鍵環節，充換電安全是船舶運行最基本的要求，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，反向推動電池動力船舶安全性能不斷提升，為新能源船舶健康發展提供參考。隨著大功率充電、無線充電、群充電等新技術的不斷發展和進步，安全要素也在不斷變化，因此充電安全問題的研究是一項長期工作，下階段將在新風險因素的提取、融合、量化評估方面進行深入研究。