電動船磷酸鐵鋰電池艙的環(huán)境控制

馮 豐

（中國船舶及海洋工程設計研究院 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船的主流能源之一，不僅具備了零排放、低能耗的優(yōu)點，而且體積小，充電速度快，還可以自由調節(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3年，即使不使用也可折舊回收，相對于鉛蓄電池更適用于小型旅游客船。目前對磷酸鐵鋰電池在船舶上的應用有較多介紹研究，陳晨等詳細介紹了磷酸鐵鋰電池在電力推進船舶上的應用，杜睿等對磷酸鐵鋰電池在船舶推進和直流配電系統(tǒng)等方面進行了相關研究，雷克兵等對磷酸鐵鋰電池在船舶上的儲能分配作了相關研究。然而，針對磷酸鐵鋰電池間環(huán)境控制的研究文獻至今仍比較少。本文以某庫區(qū)小型執(zhí)法公務船為例，通過對相關船級社規(guī)范分析和研究，對于電池艙風量計算、系統(tǒng)布置以及磷酸鐵鋰電池船的安全環(huán)境控制提出設計思路。

1 規(guī)范分析研究和設計思路

1.1 相關規(guī)范要求

中國船級社《內河雙電（磷酸鐵鋰電池、超級電容）純電動電力推進游覽船審圖、檢驗指南》和《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南》對于磷酸鐵鋰電池船的應用安全技術要求有明確規(guī)定。其要求基本一致，僅第8條和第9條有區(qū)別，相關內容包括：

（1）磷酸鐵鋰電池應安裝在一個環(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期工作溫度為：充電0～45℃，放電-20～55℃。

（2）電池艙（室）應采用機械通風或其他溫度調節(jié)裝置，以避免電池周圍環(huán)境溫度過高。通風口應有防止水和火焰進入的措施。

（3）電池艙（室）內不應安裝與電池無關的熱源設備。

（4）電池艙（室）內除電池系統(tǒng)外應避免安裝電氣設備。若必須安裝時，應盡可能遠離電池，且應將電氣設備的發(fā)熱量計入電池艙（室）通風量的計算中。

（5）電池艙（室）采用機械通風時，按廠家提供的方法進行機械通風計算，若廠家未提供計算方法，則按以下方法計算通風量。

通風量

q′

不應小于式（1）計算所得之值：

式中：

Q

為單個電池模塊工作時自身產(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

為風扇裕量常數(shù)，實際選擇時取1.5～2。

（6）電池艙（室）必須設有獨立的溫度探測裝置。當溫度高于設定值時，應能在經(jīng)常有人值班的處所發(fā)出聽覺和視覺警報。

（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)應能將磷酸鐵鋰電池燃燒所造成的火災撲滅，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，在位于電池艙一側應敷設厚度不小于10 mm 的認可型隔熱材料。隔熱應在該限界面與其他艙壁、甲板或縱行等強力構件的結構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滿足相應法規(guī)對機艙的要求。

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，需要使用通風或空調等方法對艙室內進行降溫冷卻，在嚴寒季節(jié)和地區(qū)需要使用空調、盤管或電加熱對艙室進行加熱保溫。通風開口應設置風雨密關閉和金屬絲網(wǎng)，以防止水和火焰進入。為減少電池艙內的發(fā)熱總量，艙內不應再裝設其他發(fā)熱設備，同時應盡量減少電氣設備的安裝。若必須安裝電氣設備，則需將其發(fā)熱量作為環(huán)境保障的去除對象，一并算入電池艙的通風或空調計算中。

電池艙的通風計算公式根據(jù)比熱容公式

Q

=

cm

Δ

t

推導而來，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。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《內河雙電（磷酸鐵鋰電池、超級電容）純電動電力推進游覽船審圖、檢驗指南》沒有這一解釋，如果采用此單規(guī)范設計，此時需注意外面空氣要按實際可能出現(xiàn)的最高環(huán)境溫度取值。雖然是計算通風，但考慮到計算公式的實際物理意義和電池工作的安全性，不能按夏季通風室外計算溫度來取值，也不能按設計資料或技術規(guī)格書中寫的夏季室外干球溫度來取值。

在本船的計算中，該地區(qū)歷史極值最高溫度為40.8℃，夏季通風室外計算溫度為29.9℃，夏季空氣調節(jié)室外計算干球溫度為33.7℃，技術規(guī)格書中所寫的夏季艙外干球溫度為35℃，計算時應使用歷史極值最高溫度取41℃，要注意避免公式中選錯溫度參數(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）應設溫度報警器，在人員值班處發(fā)出聲光報警；同時，需配備固定滅火系統(tǒng)，滅火介質最好采用七氟丙烷，這樣可在火災后開啟風機將電池艙內的泡沫排出到室外。第8條為《內河雙電（磷酸鐵鋰電池、超級電容）純電動電力推進游覽船審圖、檢驗指南》要求，如果電池艙與其他相鄰艙室存在限界面，應在電池艙一側敷10 mm厚隔熱材料，以免相鄰艙室發(fā)熱量傳入電池艙內，使艙內溫度超過電池工作安全范圍。有風管穿艙壁時，風管上應從該艙壁延伸450 mm敷設隔熱材料。第9條為《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南》要求，在與其他艙室進行防火分隔時，將電池艙視作機艙來采用相應法規(guī)進行設計。建議在設計時將防火和隔熱一起考慮。

1.3 設計思路

對于電池艙來說，優(yōu)先選用機械通風為艙內降溫，如果電池模塊發(fā)熱量巨大，造成風管和通風口尺寸過大不方便布置時，可選用空調或盤管等設備為艙內降溫，也可同時使用空調和機械通風共同承擔室內冷負荷，平衡設備布置空間和投資經(jīng)濟性。雖然規(guī)范對室內濕度沒有明確規(guī)定，但對通風口仍有防水要求，可見，艙內環(huán)境仍要避免出現(xiàn)積水。因此在制冷時需注意將柜機和盤管表面的凝水就地及時排出，同時需要將柜機和盤管的布置位置遠離電池模塊，避免冷氣直吹電池，使電池表面溫度低于其附近空氣露點溫度導致結露凝水。

如果航行于熱帶潮濕地區(qū)，在空調計算時應考慮除濕，或者配備除濕機除濕，避免外部濕空氣吸入后因室內制冷出現(xiàn)凝水。在嚴寒季節(jié)或地區(qū)，需保持電池艙（室）溫度在0℃以上，可采用空調或盤管采暖，或選用電加熱，必要時為空調、盤管和電加熱設置溫控器關聯(lián)啟停，避免室內溫度過高超過45℃。

2 系統(tǒng)設計計算實例

下面以庫區(qū)小型執(zhí)法船為實例，來說明電池艙通風系統(tǒng)的設計和布置方法。

2.1 電池艙通風計算

（1）電池發(fā)熱量

根據(jù)電池設備廠提供的電池參數(shù)，電池總容量為963 kWh，每小時充電200 kW，每小時放電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算發(fā)熱量，損耗為發(fā)熱損耗。

充電時發(fā)熱量：

963 kWh·（1-98%）=19.26 kWh

充電用時：936 kWh/200 kW=4.82 h

充電發(fā)熱功率：19.26 kWh/4.82 h=4 kW

放電時發(fā)熱量：

963 kWh·（1-99%）=9.63 kWh

放電用時：963 kWh/300 kW=3.21 h

放電發(fā)熱功率：9.63 kWh/3.21 h=3 kW

綜上，充電時發(fā)熱量為4 kW，放電時發(fā)熱量為3 kW。計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，此處室內與室外最高溫度的差值取4℃。

（4）風扇裕量系數(shù)

風扇裕量系數(shù)取最大值2。

將以上各值帶入式（1），計算得通風量

q′

=6 418 m/h，取整為6 500 m/h。

2.2 通風系統(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，在設計時不用考慮電池艙的除濕問題，空調不是必要的。對于小船來說，空調擠占了室內空間，增加了電氣管線布置和總重量，也有凝水泄水風險，所以通常采用機械通風設計。另外，在冬季氣溫接近0℃時，庫區(qū)水面會結冰，此時執(zhí)法船停止工作，因此在設計時也不考慮電池艙內的冬季保溫問題，無需設置空調、盤管或電加熱。

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

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，再乘以風扇裕量常數(shù)1.5～2，從而造成計算風量

q′

往往較大；對小船來說，風管和通風裝置布置困難。若采用通風筒從甲板面上進行直接通風，則會對兩側過道空間形成搶占擠壓。所以，通常需結合上層建筑的具體情況進行分析，必要時采用附壁風管從上建隱蔽處排管，并引至頂層甲板或艙室側壁處的百葉窗。

本船在設計時結合上層甲板艙室布置特點，在實驗室隱蔽處設附壁風管，將排風引到羅經(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腔，底部連通電池艙附壁風管（圖2、圖3），前部與駕駛室前端空腔相連通，形成進風“結構風管”，在駕駛室前端空腔外壁設風雨密百葉，作為進風入口（下頁圖4、圖5）。此設計在保證通風效果的同時，充分利用了船體結構，減少了風管和通風頭對人員活動區(qū)域的影響。各圍壁風管外壁均敷設A60防火絕緣，穿電池艙的風管從所穿艙壁處雙向延伸450 mm敷保溫絕緣。

圖1 電池艙排風風雨密百葉窗

圖2 電池艙內部通風布置圖

圖3 電池艙進風附壁風管剖面圖

圖4 電池艙排風附壁風管與進風“結構風管”及風雨密百葉窗

圖5 電池艙進風主甲板開孔

3 結 語

對于電動船來說，電池艙的環(huán)境溫度控制非常重要，關系到船舶正常的運行。本文從規(guī)范要求著手，以某小型電動執(zhí)法船為例，詳細闡述了船級社規(guī)范中的計算方法和設計要點，指出計算公式中的易錯點和實際布置中可能面臨的困難，并提供了通風計算和系統(tǒng)布置示例。如果在條件和成本允許的情況下，也可以采用空調方法對環(huán)境進行控制。本文可供同類型船舶電池艙的環(huán)境控制通風系統(tǒng)設計計算時參考。