4 000 kWh貨船鋰電池安全性分析

何夢旭，管義鋒，李 陳

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212100)

0 引 言

鋰電池動力船型較少，其所配套相關檢驗標準及檢驗方法還不夠完善，對其存在的安全隱患也無法全面掌握，對于一艘裝配大規模鋰電池組的貨船，防止其在充放電過程中發生事故而引發災難性后果至關重要[1]。通過采用風險評估的方式，對4 000 kWh鋰電池船在航行以及充放電過程中的安全進行風險分析，制定對應的改善措施，減小事故發生的可能性和損失，保證船舶航行的安全。

1 4 000 kWh鋰電池貨船研究背景

1.1 4 000 kWh鋰電池貨船基本介紹

2019年，江蘇船聯新能源科技有限公司聯合江蘇科技大學、南京市地方海事局和國網江蘇省電力有限公司計劃對一艘3 000 噸級散貨船進行“油改電”升級工作，使其主動力源改用磷酸鐵鋰電池組，具有壽命長、體積小、重量輕、綠色環保、使用安全的特點。該船垂線間長71.85 m，型寬15 m，型深4.2 m，設計吃水3.5 m，航區A、B級，定員8人，如圖1所示。由于考慮續航力等因素，該貨船采用4 000 kWh鋰電池系統。

圖1 3 000 t散貨船示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3 000 t bulk carrier

1.2 鋰電池貨船風險分析的特點

傳統船舶發生碰撞事故時，燃料可能會泄漏燃燒，但爆炸的風險相對較低。但是動力鋰電池是高能量密度的物品，當鋰電池在受到碰撞[2]、過充、熱輻射等情況時，電池會發生熱失控[3–5]，導致火災甚至爆炸事故的發生，放出有毒氣體，加大人員逃生的危險性。與電動汽車[6]發生火災的人員逃生相比，鋰電池船舶裝配有更大規模的鋰離子動力電池，船舶的工作環境又是在水域，這些因素導致了鋰電池船舶一旦發生了事故人員逃生難度相當大，所以對于鋰電池船舶的風險分析十分重要。導致4 000 kWh鋰電池貨船充放電過程中電池燃燒爆炸事故發生的結構重要度最大的基本事件是碰撞擠壓與電池水份含量過高。為此，對擠壓碰撞與電池熱失控進行仿真計算。

2 船舶碰撞數值仿真分析

2.1 撞擊船舷側撞擊鋰電池船舷側仿真分析

選取4 000 kWh鋰電池貨船兩道橫艙壁之間的雙舷側結構為分析對象，其內外板間距為3 m，建立結構有限元模型，舷側結構板、桁材腹板、縱骨腹板等采用四邊形單元模擬，型材面板、小加強筋采用等效板厚賦予相應的板上；撞擊船選取帶有球鼻艏的3 000 t船的船首部分結構為分析對象，撞擊速度為2 m/s，出于保守目的，設置撞擊船為剛性體。圖2為撞擊船舷側撞擊鋰電池貨船舷側示意圖。

圖2 撞擊船舷側撞擊鋰電池貨船舷側示意圖Fig.2 Schematic diagram of side impact of impact ship on side impact of lithium battery cargo ship

在剛性撞擊船撞擊后，鋰電池貨船接觸區域的舷側外板、縱骨、強框架局部區域等出現了明顯的塑性形變，接觸區域之外的結構基本沒有塑性形變或者塑性形變很小，塑性形變表現出了很強的局部性。

1）鋰電池貨船的應力分布圖

圖3～圖7為鋰電池貨船部分結構的應力云圖。

圖3 舷側外板應力云圖Fig.3 Stress nephogram of side outer plate

圖4 舷側外板縱骨應力云圖Fig.4 Stress nephogram of longitudinal bone of side outer plate

圖5 舷側橫梁應力云圖Fig.5 Stress nephogram of side crossbeam

圖6 船底板應力云圖Fig.6 Stress nephogram of ship bottom plate

圖7 電池柜應力云圖Fig.7 Stress nephogram of battery cabinet

2）鋰電池貨船的應變分布圖

圖8～圖10為鋰電池貨船部分結構的塑性變形圖。

圖8 舷側橫梁塑性應變圖Fig.8 Plastic strain diagram of side beam

圖9 電池柜塑性應變圖Fig.9 Plastic strain diagram of battery cabinet

圖10 舷側外板塑性應變圖Fig.10 Plastic strain diagram of side outer plate

3）構件的能量吸收

剛性撞擊船撞擊鋰電池貨船之后，兩船均靜止，撞擊船的能量全部轉化為鋰電池貨船的應變能，圖11為鋰電池貨船各構件吸能隨時間變化曲線。

圖11 舷側碰撞情況下鋰電池貨船各構件能量吸收曲線Fig.11 Energy absorption curve of various components of lithium battery cargo ship under side collision

各構件的吸能大小和百分比如表1所示。

表1 各構件能量吸收情況Tab.1 Energy absorption of each component

2.2 仿真結果分析

由應力應變圖、圖11和表1可知，用撞擊船舷側輕微撞擊鋰電池貨船舷側，電池柜基座依然吸收到一部分能量，所以在撞擊船舶舷側與鋰電池貨船舷側發生碰撞的情況下，鋰電池柜受到了不同程度的影響，從應變圖可知電池柜未發生塑性變形，有必要對鋰電池組熱失控分析。

3 動力鋰電池熱失控分析

4 000 kWh鋰電池貨船采用的電池電芯與LF105號電池的電芯一致，均為18 650號電芯，所以其熱失控參數也一致，所以對LF105號電池進行熱失控實驗得到的實驗參數可以應用于對4 000 kWh鋰電池貨船的電芯研究中。LF105號電池在電芯之間增加了硅膠片進行隔離以減小熱失控的后果，對電池包中心的電芯進行加熱直至產生熱失控，對熱失控之后的電池進行觀察和監測，提取熱失控參數，并觀察添加硅膠片這一舉措對降低熱失控后果是否有效。

3.1 LF105號電池熱失控模擬

3.1.1 鋰電池熱失控實驗

對滿電狀態下的LF105號電池中間電芯進行加熱，使其發生熱失控，之后對電池發生的變化和溫度進行觀察和監測，得出如下結果：第0 s，中心電芯的溫度為26℃，電池情況正常；775 s，中心電芯的溫度為454.6℃，電池開始冒煙，但未出現明火；1 090 s，中心電芯溫度為608.8℃，電池起火并劇烈燃燒；1 500 s，中心電芯溫度為369.6℃，電池火焰熄滅無煙霧。

3.1.2 鋰電池熱失控實驗結果分析

在加保護措施的情況下，目標電池(6#)和5#電池燒毀，4#和7#電池鼓脹（電壓、內阻正常），其余電池正常。通過對LF105號電池的熱失控實驗進行研究可以得出單個電芯的熱失控參數，且LF105號電池在電芯之間采用的硅膠片可以阻止熱失控的蔓延。

3.2 鋰電池模組熱失控仿真

3.2.1 鋰電池熱失控仿真

4 000 kWh鋰電池電動貨船的電池模組為2S9P，如圖12所示。由18支電芯通過2串9并的方式構成，模組電壓為6.4 V，模組容量為774 Ah。單個電芯的尺寸為長174 mm、寬48 mm、高132 mm，額定容量為86 Ah，標稱電壓為3.2 V，最高充電電壓為3.65 V，最低放電電壓為2.5 V，使用Comsol建立鋰電池的三維結構模型，如圖13所示。

圖12 電池模組結構圖Fig.12 Structure diagram of battery module

圖13 鋰電池模組模型Fig.13 Lithium battery module model

鋰電池模組中間電芯熱量相較于邊緣的電芯更容易堆積導致電池熱失控，如圖14所示。將之前建立的鋰電池模組模型的中間電芯點燃，研究中心電芯熱失控造成的影響，如圖15所示。鋰電池模組中間電芯熱失控后溫度約為430℃，與電池熱失控實驗的實際溫度相當。

圖14 鋰電池模組中心電芯引燃示意圖Fig.14 Ignition diagram of lithium battery module center cell

圖15 電池逐層熱失控示意圖Fig.15 Schematic diagram of layer by layer thermal runaway of battery

在實際實驗中，由于電池電芯之間加了硅膠片，電池包沒有完全熱失控，若沒有采取控制措施，由電池模組的仿真計算可知，當電池模組內的電芯發生熱失控后，周圍的電芯會因為熱輻射而逐層熱失控，最終導致整個模組熱失控。

當中間電芯熱失控后導致模組溫度逐漸上升，當電芯溫度高于140℃時，電池出現了不可逆轉變，周圍向外一層電芯也會熱失控，圖16為電池模組電芯逐層熱失控的溫度場變化圖，圖17為電池模組完全熱失控后模組及周圍的溫度示意圖。

圖16 電芯逐層熱失控的溫度場變化圖Fig.16 Temperature field variation of layer by layer thermal runaway of cell

圖17 電池模組完全熱失控后電池及周圍的溫度示意圖Fig.17 Schematic diagram of the temperature of the battery and its surroundings after the battery module is completely thermal runaway

3.2.2 鋰電池模組熱失控仿真結果分析

由電池模組的熱失控仿真計算可知，中間電芯熱失控后電池模組會逐層被點燃，且電池模組完全熱失控后的溫度很高。4 000 kWh鋰電池貨船的電池模組之間距離很近，故認定整個電池模組熱失控起火的情況下，若不加以控制會引燃其他的電池包，造成大規模的燃燒爆炸事故。

在實際的電池熱失控實驗中，由于電池電芯之間加裝了硅膠片，將電池的熱失控有效地控制在了電池包的范圍內，所以4 000 kWh鋰電池電動貨船若采取有效的消防措施，可以避免電池熱失控后造成大規模的鋰電池燃燒爆炸事故。

4 4 000 kWh鋰電池貨船風險控制措施

4.1 電池質量方面的風險控制措施

現在的電池生產工藝已經較為成熟，在鋰電池燃燒爆炸的定性分析中，專家對于鋰電池質量相關的風險事件發生概率評估都偏低，所以對于電池質量方面的風險控制措施主要在選用和后期維護上。

鋰電池貨船的動力系統在充放電時應該嚴格遵守使用手冊，避免過充和過放現象的產生，保證船舶安全。

4.2 系統和設備方面的風險控制措施

船上應安排相應人員定時定點巡邏，設置火災報警系統、溫度感應、煙霧感應等安全系統，在發現電池出現異常狀況時及時報警，引起相關人員的注意并及時采取措施；對于船舶的各項系統和設備要做到由專業人員定時維護和檢修，保證系統和設備的可靠性；貨艙應安裝通風系統，避免某些貨物因潮濕導致自燃引起火災。

通過第3章對電芯和模組層面的實驗和仿真計算分析可知，單個電芯的熱失控若不及時加以控制會導致整個動力系統發生熱失控，導致船舶出現大規模的火災甚至爆炸，在電池柜層面同樣需要采取措施。電池艙內設置七氟丙烷滅火系統或者水霧系統，在空間允許的情況下盡可能地將電池模組分散布置，最大限度地降低熱失控帶來的影響。電池艙的艙壁使用A60防火等級的艙壁，電池柜之間采用A60防火等級的絕緣材料進行分隔，A60防火等級的材料可以在一側電池柜完全熱失控起火的情況下保證另一側的溫度1 h內不超過140℃，可以極大延長船舶的救援和人員逃生時間。

5 結 語

本文采用Abaqus對4 000 kWh鋰電池貨船進行建模，根據實際情況擬定了撞擊船舷側撞擊鋰電池船的碰撞方案并進行仿真計算。使用Comsol對4 000 kWh鋰電池貨船的電池進行建模，對單個電芯進行熱失控仿真，結論如下：

1）經過仿真計算發現原布置方案下鋰電池貨船的電池柜會因舷側碰撞而吸收一部分動量，產生輕微的熱量堆積，所以有必要對鋰電池的熱失控進行分析。

2）通過對單個LF105號電池的熱失控實驗進行研究可以得出單個電芯的熱失控參數，且LF105號電池在電芯之間采用的硅膠片確實可以阻止熱失控的蔓延。

3）通過對整個電池模組的熱失控仿真計算可知，中間電芯熱失控后電池模組會逐層被點燃，且電池模組完全熱失控后的溫度很高，有必要采取有效的消防措施以避免電池熱失控后造成大規模的鋰電池燃燒爆炸事故。