船舶磷酸鐵鋰動力電池系統安全性研究

李杰

（中國船級社臺州辦事處，浙江 臺州 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

以碳材料為負極，以含鋰化合物作為正極的鋰電池，在充放電過程中不存在金屬鋰，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、循環壽命高、充電效率高等特點，同時由于其生產制造過程對于環境相對友好，因此被認為是目前綠色能源的代表。

圖1 鋰離子電池工作原理

1.2 鋰離子動力電池的基本要求

與通用儲能型鋰離子電池和起動用鋰離子電池不同，作為動力電池的鋰離子電池需要同時具備比能量高、比功率大、循環壽命高且材料價格便宜的特點。比能量高意味著電池在單位體積內儲存的電量多，比功率大意味著電池的輸出功率高，電池循環壽命和材料價格則決定了其經濟性和推廣能力。

根據鋰離子動力電池的基本要求，將常見的鋰離子電池正極材料進行性能比較（詳見表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力電池正極材料，在能量密度、循環性、經濟性、安全性等方面各有所長。相對而言，以磷酸鐵鋰的綜合優勢最大，是目前較為理想的動力電池材料，在船舶的應用也最廣泛。

表1 常見鋰離子電池正極材料及其性能比較

2 鋰離子動力電池在船舶的應用情況

2015年5月，全球首艘電池動力汽車渡船“Ampere”號正式投入運營。該船由挪威建造，入級DNV-GL，總長80 米，型寬20 米，采用2×450 kW 電動機驅動，可搭乘360 名乘客及120 輛汽車，擁有良好的低速操縱性能和能效表現，為船東節約了60%的燃料成本。

2017年12月，全球首艘新能源電動自卸船“河豚”號進行了海試。該船由廣船國際負責建造，入級CCS，總長70.5 米，型寬13.9 米，型深4.5 米，設計載貨量2000DWT，采用“鋰離子電池+超級電容雙電驅動”技術，達到中國船級社《內河綠色船舶規范》要求的“Green Ship-Ⅲ”級船舶綠色度。據了解，該船的充電時間約2.5小時，在滿載條件下，最高航速7 節，續航力40 余海里。

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

2019年6月全球首批5000 噸新能源散貨船（Diamond 5K 系列）項目啟動，共計18 艘；新能源散貨船最大載重量達到5400 噸；建成后將是全球最大的江海聯運新能源散貨船隊。

同時，國內多個廠家的磷酸鐵鋰電池和BMS 不斷發力加快進入船用動力電池市場。

3 船用和車用動力電池系統的使用條件差異

3.1 動力電池系統在船上的主要安裝方式

3．1．1 獨立蓄電池艙安裝

當采用充電法補充能源時，船舶會配備較大容量的動力電池，從而提高其單次充電的續航力，以上文提到的電池動力汽車渡船“Ampere”號為例，雖然其用于短線輪渡，但是裝載的動力電池總重也達到10 噸。

為了保證動力電池有足夠的安裝空間和良好的散熱環境，此類船舶的動力電池通常安裝在一個或多個溫度可控的獨立蓄電池艙室內。

3．1．2 電池集裝箱安裝

當采用換電法補充能源時，動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，并沿航線設置若干個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力內河集裝箱船，其運輸能力為24 個TEU，使用1 個電池集裝箱作為動力，能在碼頭進行充電或更換電池，而其后續船型的運輸能力設計為224 個TEU，將采用4 個電池集裝箱。

此種電池集裝箱通常安放在露天處所，需要通過保溫層、通風系統甚至滅火系統來保障電池的工作環境和安全性。

3.2 船用和車用動力電池系統的適用標準

鋰離子動力電池在新能源汽車領域已經得到了廣泛的應用，對于此類電池的性能要求和安全性要求，目前權威的國際標準有IEC 62660-3-2022《電動公路車輛推進用二次鋰離子電池》系列標準和ISO 12405《電動道路車輛鋰離子動力電池組和系統的測試規范》系列標準。2015年，我國在非等效采用ISO 12405 系列標準的基礎上，發布了GB/T 31467《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統》系列標準。

針對我國新能源船舶的發展需求，CCS 發布的《鋼質內河船舶建造規范》（2016）和中華人民共和國海事局發布的《內河小型船舶檢驗技術規則》（2016）納入了蓄電池組電力推進船舶的附加要求，并在《太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南》（2014）中，規定了磷酸鐵鋰電池系統的設計、建造和檢驗要求，其中對于動力電池系統的主要安全性要求指向了汽車行業的相關標準。

3.3 船用和車用動力電池系統的使用條件對比

為了更好地將動力電池系統的車用要求引用和轉化為船用要求，首先將兩者的使用情況差異比對如下：

3．3．1 安裝空間

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

3．3．2 電池容量

以特斯拉Model S 為代表，官方給出的動力電池容量為85kWh。而船用動力電池容量根據其使用需要，通常為數千kWh，這對BMS 的信息采集和處理能力要求提高了兩個量級。

圖2 特斯拉Model S 的電池板

圖3 某船用集裝箱電池系統示意圖

3．3．3 安裝環境

車用動力電池系統的安裝環境振動劇烈，溫度變化大，容易受外界環境影響。此外，由于汽車容易發生各類交通事故，安裝于其底盤的動力電池遭受碰撞、擠壓、浸水的概率也較高。

通過下表（表2）可更清楚地了解兩者的差異。

表2 船用和車用動力電池的使用條件對比

在安全性方面，車用動力電池系統的安裝和使用環境較船用更為惡劣，因此可以在車用標準的安全性要求基礎上，進一步梳理船舶的特殊要求，從而更有針對性地提高船舶動力電池系統的安全性。

4 船用磷酸鐵鋰動力電池單體的安全性控制

電池單體系指電池里最小的結構單元，是直接將化學能轉化為電能的基本結構，因此電池單體的安全性是電池系統安全性的基礎。

相比于其他類型的鋰離子電池，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程中，容易出現電池單體容量衰減不一致、內阻增長不一致、老化速率不一致和溫升不一致等情況。船用動力電池系統實質由大量電池單體串并聯組成，這種不一致將造成磷酸鐵鋰動力電池系統的使用壽命降低和安全性風險提高。

因此，嚴格控制電池單體的品質，并對其進行完整的安全性試驗，是管控船用動力電池安全的第一道關。

4.1 磷酸鐵鋰電池單體的生產工藝及質量控制

磷酸鐵鋰電池單體主要包括電極、隔膜、電解質、外殼和端子，其生產流程包括：正負極配料、正負極合漿、正負極涂布、連續輥壓、連續分條或者切片、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，孟子獨標“仁者無敵”的武德思想，以“明明德于天下”的內圣取代“平天下”的外王實踐，對于暴力與霸道進行徹底的否定，絕端的反對戰爭和刑殺，導致其政治理想失去了現實的抓手而缺乏可操作性。齊宣王所言“吾惛，不能進于是矣”，便是治政者對于道德理想不知如何轉化落實為實操層面的慨嘆。《史記》稱孟子“迂遠而闊于事情”[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，則可謂無謀矣。”[4](P226)孟子武德觀念在當時的碰壁，在于其“以所如者不合”[9](P2343)，無法應對戰國之世的現實危局。

在生產流程中，為確保產品質量的一致性和穩定性，應在各個關鍵節點進行質量控制。如正負極漿料的粘度檢測、正負極涂層厚度的檢測、分條切片后的正負極涂層厚度檢測，電池焊接裝配后，還應根據具體工藝控制情況進行短路測試、開路電壓測試、內阻測試、容量/內阻/電壓測試等。

其中正負極配方是廠家的核心競爭力，生產線硬件水平和工廠品控能力則決定了產品的性能和良品率。檢驗機構需要在認可初期，通過生產場地評估、生產設備評估、檢測設備評估和質量體系復核等方式，對廠家進行總體考核，將軟硬件實力不過關的生產廠家阻擋在船用市場之外。

4.2 船用磷酸鐵鋰動力電池單體的安全性試驗要求

船用磷酸鐵鋰電池單體的安全性試驗要求應參考IEC 62660-2《電動公路車輛用二次鋰電池——可靠性和抗濫用測試》對用于BEV（純電動車）電池單體的可靠性和抗濫用測試要求，試驗項目包括：

（1）機械試驗：振動試驗（船用環境）、機械沖擊試驗、擠壓試驗；

（2）溫度試驗：耐高溫試驗、溫度循環試驗；

（3）電試驗：外部短路試驗、過充電試驗、過放電試驗。

根據標準，在試驗過程中應記錄電池的狀態，具體描述為：沒影響、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，但是標準中沒有給出合格性評定要求。結合產品的耐受能力以及船舶的安全性要求，應要求電池單體在所有的試驗條件下“不著火”、“不爆炸”，在船用環境的振動條件下應“沒影響”。

5 船用動力電池系統的安全性控制

完整的船用動力電池系統包括動力電池模塊、BMS、傳感器、溫度控制系統（適用時）、消防系統（適用時）、銅排電纜等。這些組成單元應確保質量水平，質量控制應根據要求嚴格控制并按要求持證。

5.1 動力電池模塊的安全性

電池模塊系指將一個以上電池單體按照串聯、并聯或串并混聯方式組合，且只有一對正負極輸出端子，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、絕緣板等結構，有的也會集成BMS 的采樣模塊。而船用動力電池系統中，通常包含了數百個電池模塊的串并聯。

對于船用動力電池模塊或系統的整體安全性試驗，目前對車用動力電池系統在驗證階段，會進行整體的安全性試驗。但是船用動力電池系統的體積和能量太大，沒有那么大的試驗臺架和場地，也無法承受試驗失敗的后果，因此對船用動力電池模塊進行安全性試驗是可行且合理的。

船用動力電池模塊的安全性試驗項目可參考ISO 12405.3《電動道路車輛 鋰離子動力電池組和系統的測試規范-安全性能要求》，包括：振動、機械沖擊、跌落、翻轉、模擬碰撞、擠壓、溫度沖擊、濕熱循環、海水浸泡、外部火燒、鹽霧試驗、過溫保護、短路保護、過充電保護和過放電保護。其中振動、濕熱循環、鹽霧試驗的試驗要求，可以根據《電氣電子產品型式認可試驗指南》，按船用環境要求開展。

5.2 BMS 的安全性

船用動力電池的總容量大，電池模塊的串并聯數多，因此系統需要得到更為精準的監控、報警和保護，這其中BMS 扮演了重要的角色。根據CCS 的相關要求，BMS 應能對電池的充放電、電池溫度、單體電池間的均衡進行控制，且其功能應滿足下表（表3）的要求。

表3 中國船級社對于船用BMS 功能要求一覽表

從船舶整體的安全性角度出發，在船用動力電池系統的BMS 設計和選擇中，以下問題應引起關注：

（1）故障安全原則。BMS 作為船舶動力能源的控制設備，如其本身發生故障，應確保電池系統的工作狀態維持在其故障前的狀態。

（2）越控的設置。CCS《太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南》（2014）要求BMS 應在其達到極限狀態并停機之前發出預報警，但是并未明確是否允許越控。傳統動力船舶設有“棄車保船”的越控按鈕，通過強行驅動柴油機，在危急關頭保障船舶安全。但是電池動力船不同，對電池的停機保護動作一旦被越控，將存在電池發生熱失控的風險，并可能因此導致電池起火爆炸，從而造成重大船損。因此對于單體溫度過高停機、過流保護停機等保護動作，應結合電池的實際情況確定是否允許被越控。必要時應考慮進行汽車行業動力電池的“熱失控擴展”試驗，模擬電池模塊在其中某一電池單體熱失控的情況下，不發生外部起火和爆炸。

（3）BMS 與動力電池的匹配度問題。許多鋰離子電池廠家本身并不設計生產BMS，且電池廠家往往無法與BMS 廠家共享電池的核心技術參數，這就導致BMS廠家較難精確估算配套電池的SOC，存在監測、充放電等環節存在一定風險。因此，選擇擁有BMS 自主知識產權的電池廠家將更為可靠。

5.3 動力電池系統安裝環境的安全性

5．3．1 電池艙布置

動力電池系統安裝于獨立的電池艙時，應充分考慮電池的安裝布置、電池艙的通風布置、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。

應考慮電池組的布置是否便于更換、檢查、測試和清潔，電池組是否被安裝在可能遭受過熱、過冷、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。

5．3．2 電池集裝箱布置

采用模塊化的動力電池集裝箱時，應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用艙室，從而更好的防護集裝箱，并更易于布置相關的電氣接插件。

應對電池集裝箱整體采取有效的隔熱布置，防止外部環境溫度變化對集裝箱產生過大影響。電池集裝箱內部應合理布置通風，確保每個電池模塊均能有效散熱，同時通風風量應考慮到電池最惡劣的發熱工況。

6 提升船舶動力電池安全性的總體考慮

電池動力船舶是新能源船舶和智能船舶發展的重要產物，如何提高其動力電池系統的安全性，是一個系統性的工程，需要在船舶論證和設計初期就進行充分考慮動力電池系統在船上的總體布局，從而反向推演出對電池及所有相關系統的要求。

同時，也建議業界充分考慮現有的技術手段，如采用氣溶膠填充技術提高電池系統的防止“熱失控擴展”能力，借鑒高壓岸電系統的“電纜管理系統”提高充電系統的可靠性，采用七氟丙烷提高消防系統的使用效能，配合超級電容優化動力電池的使用工況等。