磷酸铁锂电池在船舶上应用的安全性分析

黄金华

（广西中船北部湾船舶及海洋工程设计有限公司，南宁530021）

近年来，随着锂电池技术的不断发展，锂电池在船舶上应用越来越广泛，内河及湖泊短航程观光旅游船发展尤为迅速，是国内新能源电力推进船舶的重要市场。为了落实国家对大气、水污染的防治政策，CCS 和海事局适应时代潮流，制定了船舶应用锂电池的有关法规、规范、标准或指南，明确允许磷酸铁锂电池作为船舶动力使用。但由于近年来电力推进船舶火灾偶有发生，锂电池的安全性及预防措施仍是船舶设计和检验的关注点，也是锂电池动力船舶设计的难点。

根据船舶设计规范和标准，船舶电池系统安全性主要包括以下内容：

（1）可能产生的泄漏（有毒、可燃、腐蚀等）；

（2）可能产生的气体（有毒、可燃、腐蚀等）；

（3）火灾危险性；

（4）爆炸危险性，包括电池在通风和热失控时释放的气体；

（5）蓄电池舱（或柜）气体探测装置；

（6）蓄电池舱自动探火及灭火系统设备；

（7）蓄电池舱的通风速率；

（8）推荐的灭火方式；

（9）电池内部故障/热失控；

（10）电池内部及外部短路；

（11）过流、过压及欠压保护；

（12）外部热源/火灾；

（13）安全的充/放电特性；

（14）减轻风险的安全预防措施。

由我司设计、中船桂江造船有限公司建造的某水库水质监测船，其动力源使用磷酸铁锂电池，用于某市水库水质监测，保障水库库区水质安全。

该船主要参数：总长24.65 m、型宽5.60 m、型深2.25 m、吃水1.25 m、总吨～68 t、航速15 km/h、航区内河B级。

该船的动力系统采用直流组网方案：
2 套480 kWh 磷酸铁锂电池组作为动力电源，满足单航次经济航速4 小时电力推进使用；
两个电池组可以单组或并联，为船舶推进系统和生活设备负载供电；
电池管理系统（BMS）监控蓄电池的运行和使用状态，确保蓄电池组和系统的安全使用；
电池组通过双向DC 模块连接到直流母排；
驾控台设独立的电池集中紧急关断功能，可安全隔离电池；
在应急切断时，声音报警器及报警指示灯同时点亮，输出声光报警信号；
电池及其BMS 均使用同一品牌，且具有CCS 船用产品证书；
电池作为动力电池，0.5 C 充放电、80%放电深度时，循环寿命大于5 000 次，使用寿命约5～6 年。电池在无加热情况下，稳定工作环境温度为-15 ℃～45 ℃；
单个电池之间自放电率一致性好，电池系统均衡能力强，方便维护。

磷酸铁锂电池动力系统由电池组和BMS 两部分组成。

2.1 电池组

分为两个组，每个组分别由4 个电池箱并联构成，与一个高压箱连接，高压箱再与配电板直流母排连接，单独或共同向用电负载馈电；
两组8 个电池箱均匀分布在蓄电池舱左右，每个电池箱能量120 kWh，每个组电能480 kWh，总电能960 kWh。

电池动力系统示意图，见图1（虚线框内为电池组）。

图1 电池动力系统示意图

电池采用标准化设计，外型结构完全统一，方便互换维护；
单个电池两端电极采用激光焊接工艺，接触电阻极小，发热量低；
电池外壳采用不锈钢制作，具有泄压等防爆保护措施；
电池系统设计考虑了后期维护成本及可操作性；
电池组采用先并后串的连接方式，单个电池故障切除后，电池组及相关分路不受影响，只是能量略有下降，可继续向系统供电，保证系统稳定。

两个电池组构成该船动力系统电池，主要技术指标见表1。

表1 全船动力电池组主要参数

2.2 BMS

主要由主控单元（BMU）和采样单元（LECU）组成，显示单元采用液晶显示屏，用于显示电池组信息；
BMS 具有电池电热参数检测、充放电控制、电池电量均衡、状态（SOC、SOH、SOP）估算、热管理、数据储存与查询、推进系统和充电机通讯、人机界面接口等功能，保证电池全工况、全气候、全寿命的安全使用，并延长电池有效使用寿命；

高压配电总控箱，是整个电池系统的控制中心，包括电池系统集中供配电、电池系统充放电控制、一、二级电池管理系统内外通信联络等功能。高压箱主要由触摸控制屏、紧急停止按钮、空气断路器、电池主控单元模块等构成。

本系统每个电池箱配置一个LECU 单元、一个二级BMU，每段母排配置一个一级BMU；
二个一级BMU 分别与充电机及电力推进控制系统通讯联络，实现充放电的控制和保护。

BMS 分为三级：

第一级为模组管理。每个模组配置1 个LECU 采样单元，主要采集电池模组内部12 串电池电压及温度，并将电压和温度参数传输给二级总控单元；

第二级为电池箱管理。每个箱配置1 个二级总控单元GBMU，与采样单元通讯联络并供电，采集14 个采样单元上传的电压、温度数据；
采集电池箱充放电电流、总电压，通过控制回路控制该箱的充放电过程；
电池箱的SOC 计算、状态诊断、故障定位、系统自检等，与一级总控单元通讯联络，上传电池箱的状态信息、故障信息、电压电流温度及绝缘参数；
接收一级总控输出的DC24V 电源；

第三级为电池组管理。每段母排配置2 个（1 用1备）一级总控单元GBMU，通过高压单元实现对4 个电池箱绝缘的循环监测；
一级总控单元与4 个电池箱的二级总控单元通讯联络，接收上传的电池柜状态信息、故障信息、电压电流温度及绝缘参数，给二级总控发送待机、充放电等指令，并向二级总控单元提供DC24V 电源；
通过以太网与电力推进系统通讯联络，上传4 个电池柜的数据及信息，接收电力推进系统传送的指令并反馈电池系统状态；
高压箱面板配备启动按钮、停机按钮、急停按钮、就绪指示灯、运行指示灯、故障指示灯及触摸屏。

磷酸铁锂电池由于能量密度、平台电压较高、安全性高、成本低应用最为广泛。

（1）磷酸铁锂电池为不锈钢外壳，耐高温1 500 ℃；

（2）电解液主要成分为六氟磷酸锂，当其受热或暴露在空气中可产生氟化氢和磷酸白色烟雾，都不属于易燃易爆气体，而且释放量非常少，对健康危害定义为1 级（轻度危害），安全等级为2（安全）；

（3）电池型号GSF46160M-28，具有CCS 型式认可证书；

（4）电池管理系统型号GBMS，具有CCS 型式认可证书；

（5）根据检验报告，磷酸铁锂电池在挤压、短路、过充和过放情况下，都不会产生起火和爆炸现象，自身安全性很好；

（6）在正常使用情况下，性能稳定，无气体释放；
在极端状态下（主要是热失控状态），会有极少量气体通过泄压阀排出，主要成分是CO；
单个电池模组热失控可以立即切断，不会影响其它模块，不会导致电池舱变成危险区域；

（7）单个电池采用全极耳异形汇流排激光焊接工艺，电池内阻小，无接触发热现象；

（8）电池管理系统采取三级报警故障管理模式，使故障电池消除在萌发状态，极大提高了电池运行安全。

（9）采用功率冗余设计，即使在2 个电池箱故障不能正常并网时，其余2 个电池箱仍能以系统的额定功率运行；

（10）充电过程BMS 实时检测各电芯模块电压、温度以及充电电流等，对整个充电过程状态进行管理，保证充电安全受控；

（11）电池舱防火分隔设计为A60；

（12）电池舱设置有自动探火装置系统，当探测到火警信号时自动发出报警信号；

（13）电池舱设进水报警传感器，对舱底积水进行监控，防止电池舱浸水对电池的危害；

（14）电池舱设有环境温度传感器，对舱内环境温度实时监测，预防电池舱环境温度过高对电池造成影响。

通过上述分析，消除了用户对该水质监测船电池安全性的疑虑。在未取得第三方安全认证的情况下，可通过安全性分析报告、安全性风险评估报告等对电池安全性进行预判，采取安全措施，确保电池运行在安全状态。随着磷酸铁锂电池性能研究的不断深入，能量密度逐步提高，磷酸铁锂电池作为一种新型绿色清洁动力能源，在船舶上应用必将更加广泛。