磷酸鐵鋰電池在船舶上應用的安全性分析

黃金華

（廣西中船北部灣船舶及海洋工程設計有限公司，南寧530021）

1 前言

近年來，隨著鋰電池技術的不斷發展，鋰電池在船舶上應用越來越廣泛，內河及湖泊短航程觀光旅游船發展尤為迅速，是國內新能源電力推進船舶的重要市場。為了落實國家對大氣、水污染的防治政策，CCS 和海事局適應時代潮流，制定了船舶應用鋰電池的有關法規、規范、標準或指南，明確允許磷酸鐵鋰電池作為船舶動力使用。但由于近年來電力推進船舶火災偶有發生，鋰電池的安全性及預防措施仍是船舶設計和檢驗的關注點，也是鋰電池動力船舶設計的難點。

根據船舶設計規范和標準，船舶電池系統安全性主要包括以下內容：

（1）可能產生的泄漏（有毒、可燃、腐蝕等）；

（2）可能產生的氣體（有毒、可燃、腐蝕等）；

（3）火災危險性；

（4）爆炸危險性，包括電池在通風和熱失控時釋放的氣體；

（5）蓄電池艙（或柜）氣體探測裝置；

（6）蓄電池艙自動探火及滅火系統設備；

（7）蓄電池艙的通風速率；

（8）推薦的滅火方式；

（9）電池內部故障/熱失控；

（10）電池內部及外部短路；

（11）過流、過壓及欠壓保護；

（12）外部熱源/火災；

（13）安全的充/放電特性；

（14）減輕風險的安全預防措施。

2 磷酸鐵鋰電池動力系統構成

由我司設計、中船桂江造船有限公司建造的某水庫水質監測船，其動力源使用磷酸鐵鋰電池，用于某市水庫水質監測，保障水庫庫區水質安全。

該船主要參數：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、航區內河B級。

該船的動力系統采用直流組網方案： 2 套480 kWh 磷酸鐵鋰電池組作為動力電源，滿足單航次經濟航速4 小時電力推進使用；兩個電池組可以單組或并聯，為船舶推進系統和生活設備負載供電；電池管理系統（BMS）監控蓄電池的運行和使用狀態，確保蓄電池組和系統的安全使用；電池組通過雙向DC 模塊連接到直流母排；駕控臺設獨立的電池集中緊急關斷功能，可安全隔離電池；在應急切斷時，聲音報警器及報警指示燈同時點亮，輸出聲光報警信號；電池及其BMS 均使用同一品牌，且具有CCS 船用產品證書；電池作為動力電池，0.5 C 充放電、80%放電深度時，循環壽命大于5 000 次，使用壽命約5～6 年。電池在無加熱情況下，穩定工作環境溫度為-15 ℃～45 ℃；單個電池之間自放電率一致性好，電池系統均衡能力強，方便維護。

磷酸鐵鋰電池動力系統由電池組和BMS 兩部分組成。

2.1 電池組

分為兩個組，每個組分別由4 個電池箱并聯構成，與一個高壓箱連接，高壓箱再與配電板直流母排連接，單獨或共同向用電負載饋電；兩組8 個電池箱均勻分布在蓄電池艙左右，每個電池箱能量120 kWh，每個組電能480 kWh，總電能960 kWh。

電池動力系統示意圖，見圖1（虛線框內為電池組）。

圖1 電池動力系統示意圖

電池采用標準化設計，外型結構完全統一，方便互換維護；單個電池兩端電極采用激光焊接工藝，接觸電阻極小，發熱量低；電池外殼采用不銹鋼制作，具有泄壓等防爆保護措施；電池系統設計考慮了后期維護成本及可操作性；電池組采用先并后串的連接方式，單個電池故障切除后，電池組及相關分路不受影響，只是能量略有下降，可繼續向系統供電，保證系統穩定。

兩個電池組構成該船動力系統電池，主要技術指標見表1。

表1 全船動力電池組主要參數

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 具有電池電熱參數檢測、充放電控制、電池電量均衡、狀態（SOC、SOH、SOP）估算、熱管理、數據儲存與查詢、推進系統和充電機通訊、人機界面接口等功能，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，是整個電池系統的控制中心，包括電池系統集中供配電、電池系統充放電控制、一、二級電池管理系統內外通信聯絡等功能。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成。

本系統每個電池箱配置一個LECU 單元、一個二級BMU，每段母排配置一個一級BMU；二個一級BMU 分別與充電機及電力推進控制系統通訊聯絡，實現充放電的控制和保護。

BMS 分為三級：

第一級為模組管理。每個模組配置1 個LECU 采樣單元，主要采集電池模組內部12 串電池電壓及溫度，并將電壓和溫度參數傳輸給二級總控單元；

第二級為電池箱管理。每個箱配置1 個二級總控單元GBMU，與采樣單元通訊聯絡并供電，采集14 個采樣單元上傳的電壓、溫度數據；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 計算、狀態診斷、故障定位、系統自檢等，與一級總控單元通訊聯絡，上傳電池箱的狀態信息、故障信息、電壓電流溫度及絕緣參數；接收一級總控輸出的DC24V 電源；

第三級為電池組管理。每段母排配置2 個（1 用1備）一級總控單元GBMU，通過高壓單元實現對4 個電池箱絕緣的循環監測；一級總控單元與4 個電池箱的二級總控單元通訊聯絡，接收上傳的電池柜狀態信息、故障信息、電壓電流溫度及絕緣參數，給二級總控發送待機、充放電等指令，并向二級總控單元提供DC24V 電源；通過以太網與電力推進系統通訊聯絡，上傳4 個電池柜的數據及信息，接收電力推進系統傳送的指令并反饋電池系統狀態；高壓箱面板配備啟動按鈕、停機按鈕、急停按鈕、就緒指示燈、運行指示燈、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、平臺電壓較高、安全性高、成本低應用最為廣泛。

（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，當其受熱或暴露在空氣中可產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，對健康危害定義為1 級（輕度危害），安全等級為2（安全）；

（3）電池型號GSF46160M-28，具有CCS 型式認可證書；

（4）電池管理系統型號GBMS，具有CCS 型式認可證書；

（5）根據檢驗報告，磷酸鐵鋰電池在擠壓、短路、過充和過放情況下，都不會產生起火和爆炸現象，自身安全性很好；

（6）在正常使用情況下，性能穩定，無氣體釋放；在極端狀態下（主要是熱失控狀態），會有極少量氣體通過泄壓閥排出，主要成分是CO；單個電池模組熱失控可以立即切斷，不會影響其它模塊，不會導致電池艙變成危險區域；

（7）單個電池采用全極耳異形匯流排激光焊接工藝，電池內阻小，無接觸發熱現象；

（8）電池管理系統采取三級報警故障管理模式，使故障電池消除在萌發狀態，極大提高了電池運行安全。

（9）采用功率冗余設計，即使在2 個電池箱故障不能正常并網時，其余2 個電池箱仍能以系統的額定功率運行；

（10）充電過程BMS 實時檢測各電芯模塊電壓、溫度以及充電電流等，對整個充電過程狀態進行管理，保證充電安全受控；

（11）電池艙防火分隔設計為A60；

（12）電池艙設置有自動探火裝置系統，當探測到火警信號時自動發出報警信號；

（13）電池艙設進水報警傳感器，對艙底積水進行監控，防止電池艙浸水對電池的危害；

（14）電池艙設有環境溫度傳感器，對艙內環境溫度實時監測，預防電池艙環境溫度過高對電池造成影響。

4 結語

通過上述分析，消除了用戶對該水質監測船電池安全性的疑慮。在未取得第三方安全認證的情況下，可通過安全性分析報告、安全性風險評估報告等對電池安全性進行預判，采取安全措施，確保電池運行在安全狀態。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力能源，在船舶上應用必將更加廣泛。