龍紅剛 張俊江

摘? ? 要：本文以某常規(guī)動(dòng)力遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船改造成混合動(dòng)力船為例，較為詳細(xì)地介紹了影響電池性能的各種因素及電池艙布置要求，結(jié)合ABS船級(jí)社關(guān)于鋰電池使用相關(guān)規(guī)范，對(duì)該船改造成混合動(dòng)力船的電池艙布置提出一種布置設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力船； 磷酸鐵鋰電池；電池艙布置

中圖分類號(hào)：U664.14 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Battery Compartment Arrangement Design of a Conventional Power Ship Converted into a Hybrid Electric Ship

LONG Honggang，? ZHANG Junjiang

（ Guangzhou Wenchong Shipyard Co.，Ltd.，? ?Guangzhou 510727 ）

Abstract： In this paper， taking the conventional power ocean carrier transformed into a hybrid power ship as an example， it introduced in detail the various factors affecting the battery performance and the special requirements for battery cabin layout. Following the related rules of lithium battery use from ABS classification society， a design idea was proposed for the battery cabin layout as the conventional power ship pre-transformed into a hybrid power ship.

Key words： hybrid power ship;? lithium iron phosphate battery;? battery cabin layout

1? ? ?前言

隨著節(jié)能和環(huán)保的驅(qū)動(dòng)、電池技術(shù)的發(fā)展以及船級(jí)社規(guī)范的更新， 零污染和零排放已成為船舶發(fā)展的主要趨勢(shì)，而基于鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)的混合動(dòng)力系統(tǒng)是最具優(yōu)勢(shì)和潛力的船舶動(dòng)力系統(tǒng)形式之一，在滿足船舶最佳航速和推力需求下，降低燃油消耗，提升船舶經(jīng)濟(jì)性， 減少污染物排放。相對(duì)于純電力船，混合動(dòng)力船其還具有改造方便和造價(jià)低的特點(diǎn)，因此具有廣闊的市場(chǎng)和良好的發(fā)展前景。

但是，鋰電池的安全性及預(yù)防措施乃是船舶設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)的關(guān)注點(diǎn)，也是鋰電池動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[1]，所以對(duì)于將常規(guī)動(dòng)力船改造成混合動(dòng)力船，不能像新造船那樣設(shè)計(jì)或布置動(dòng)力電池艙室，必須在原船的結(jié)構(gòu)和艙室布置的基礎(chǔ)上，以最小的修改成本來(lái)滿足改造目標(biāo)。

本文以某常規(guī)動(dòng)力遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船改造成混合動(dòng)力船的項(xiàng)目為平臺(tái)，通過(guò)該項(xiàng)目對(duì)ABS船級(jí)社相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析和研究，以磷酸鐵鋰電池為例，研究解決鋰電池的安全性及預(yù)防措施，提出電池艙的布置設(shè)計(jì)方案。

2? ? ?電池間布置需要考慮的因素

2.1? ?環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對(duì)動(dòng)力電池壽命、性能和安全性有很大影響，不同溫度下的鋰電池的實(shí)際充放電容量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1所示。

一般來(lái)說(shuō)，在0 ℃左右的溫度范圍內(nèi)，每提高溫度10 ℃，電池的容量就增大約10% ；20 ℃后，容量百分比增大幅度逐漸減小。

環(huán)境溫度對(duì)電池的壽命也影響很大，從圖2可以看出：在25 ℃左右的溫度范圍內(nèi)，溫度提高容量百分比（壽命）就下降趨急。

因此，使用蓄電池較適宜的環(huán)境溫度在-20 ℃～25 ℃范圍內(nèi)。溫度過(guò)低，電池內(nèi)部的離子傳輸就慢，電池的內(nèi)阻就大，容量百分比減小，電池壽命會(huì)縮短；反之，溫度過(guò)高，其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)就越活躍，內(nèi)阻減少，加速內(nèi)部反應(yīng)材料的損耗，造成電池壽命縮短；并且溫度升高，也加快了蓄電池電極材料的老化與腐蝕，久而久之就會(huì)使蓄電池處于一種過(guò)負(fù)荷的工作狀態(tài)，造成惡性循環(huán)。

對(duì)于動(dòng)力電池艙來(lái)說(shuō)，優(yōu)先選用機(jī)械通風(fēng)為艙內(nèi)降溫，如果風(fēng)管和通風(fēng)尺寸過(guò)大不方便布置時(shí)，則可選用空調(diào)為艙內(nèi)降溫，也可選用空調(diào)和機(jī)械通風(fēng)共同為艙內(nèi)降溫[2]。

基于電池容量、壽命與溫度之間的關(guān)系，結(jié)合船舶航行過(guò)程中的室內(nèi)、外溫度條件，我們期望電池系統(tǒng)能在15 ℃～35 ℃的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，以確保實(shí)現(xiàn)最佳的功率輸入與輸出、最佳的壽命周期。

2.2? 空間位置

動(dòng)力電池組在高溫或受到外力碰撞時(shí)易出現(xiàn)爆炸等情況，在布置蓄電池艙時(shí)應(yīng)在通風(fēng)和消防等方面進(jìn)行考慮[3]，所以動(dòng)力電池艙應(yīng)布置在防撞艙壁以后的區(qū)域，并盡可能遠(yuǎn)離起居處所，若確需相鄰布置時(shí)，二者的共用限界面應(yīng)盡可能減至最?。粍?dòng)力電池艙與其它相鄰處所之間的艙壁和甲板，應(yīng)為A60級(jí)分隔的結(jié)構(gòu)，但與空艙、衛(wèi)生間等無(wú)失火危險(xiǎn)的處所相鄰時(shí)上述分隔可為A0級(jí)。

2.3? 船舶總體性能

對(duì)于改造成混合動(dòng)力的船舶，需要考慮新增設(shè)備重量（電池、電機(jī)、齒輪箱、變頻器、變壓器等）對(duì)船舶結(jié)構(gòu)與穩(wěn)性的影響，

2.4? ?逃生和通道

對(duì)于人員可進(jìn)入的蓄電池艙（室）的出入口，應(yīng)直接通向開(kāi)敞甲板，當(dāng)該區(qū)域失火時(shí)便于人員快速逃離；無(wú)論蓄電池艙布置于何處，都應(yīng)確保艙內(nèi)可設(shè)置逃口直通室外。

2.5? ?防火及消防

電池空間應(yīng)安裝易燃和有毒氣體檢測(cè)裝置，氣體檢測(cè)應(yīng)在一個(gè)持續(xù)有人的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警；如果電池空間的氣體濃度達(dá)到30%LEL時(shí)，自動(dòng)斷開(kāi)電池系統(tǒng)；電池空間應(yīng)安裝供應(yīng)商推薦的合適固定滅火系統(tǒng)，并與所使用的電池化學(xué)成分相適應(yīng)。

2.6? ?排水

電池艙室或空間需有獨(dú)立的甲板排水管，排水管應(yīng)排到安全的位置或封閉的排水槽，并設(shè)有高位報(bào)警。

2.7? ?維修

電池系統(tǒng)的位置和布置，應(yīng)清楚地顯示電池包的維修空間，以及電池艙內(nèi)任何其他設(shè)備與電池包之間的距離間隙；該艙室的出入口尺寸應(yīng)足夠大，滿足電池更換需要。

3? ? ?電站改造方案

該船電站由3臺(tái)發(fā)電機(jī)組成，改造成混合動(dòng)力系統(tǒng)需要增加下列設(shè)備：

4套動(dòng)力鋰電池組；4套DC/AC逆變器；4套隔離變壓器；1套變頻器；1臺(tái)軸帶電機(jī)；1臺(tái)軸帶電機(jī)齒輪箱；1套電池管理系統(tǒng)（BMS）；1套電池艙滅火系統(tǒng)。

改造后的電站系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖3（其中虛線圈的部分為新增設(shè)備）所示。

3.1? ?電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

由4 套 3P216 S磷酸鐵鋰電池組組成，每套電池容量912 Ah，共3 648 Ah；每?jī)商转?dú)立的電池組為每段母排供電，并且每套電池組由 3 簇 1P216電池簇、一個(gè)匯流柜、一個(gè)液冷系統(tǒng)組成；一簇電池簇由 6 個(gè)1P36 S 電池包、一個(gè)簇高壓箱組成；電池模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，尺寸完全一致，具有較高的互換性[4] 。

3.2? 軸帶發(fā)電機(jī)

新增一臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)，發(fā)電時(shí)功率500 kW，電動(dòng)機(jī)時(shí)功率1 410 kW；配置4組動(dòng)力蓄電池，每組912 Ah，總共3 648 Ah，每組電池系統(tǒng)的參數(shù)見(jiàn)表1。

4? ? 蓄電池艙位置選擇及布置

4.1? ?電池艙位置選擇

電池艙位置的選擇，不僅要考慮改造后的安全運(yùn)營(yíng)問(wèn)題，還需要考慮改造的綜合成本，在滿足規(guī)范要求的前提下盡可能少修改。綜合考慮各種因素，把主甲板#-4～#5肋位舵機(jī)艙及其左右的儲(chǔ)藏室改造成動(dòng)力電池艙和新增設(shè)備艙，滿足ABS電池艙位置的要求，如圖4所示。

1）電池空間不能位于船舶碰撞艙壁的前方；

2）電池空間的底部或頂部，不能直接接觸油艙的底部或頂部；

3）原舵機(jī)艙的相關(guān)設(shè)備，移到其下方的隔空艙里或其它地方。

4.2? ?動(dòng)力電池艙布置

ABS船級(jí)社對(duì)電池艙的布置要求如下：

1）動(dòng)力電池艙不能包含任何熱源或電池系統(tǒng)以外的高火災(zāi)危險(xiǎn)物體，以降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，所以在做電池艙的布置方案時(shí)，沒(méi)有把一個(gè)匯流柜和簇高壓箱布置在電池艙里，而是把這兩套設(shè)備布置在新增設(shè)備間；

2）動(dòng)力電池艙內(nèi)應(yīng)布置空調(diào) ，以滿足鋰電池正常工作的環(huán)境溫度需求。在電池艙內(nèi)配置2臺(tái)空調(diào)，夏季提供空氣制冷服務(wù)，室外溫度較低時(shí)提供空氣加熱服務(wù)；

3）動(dòng)力電池艙應(yīng)采用機(jī)械通風(fēng)，風(fēng)機(jī)應(yīng)為防爆型，每小時(shí)換氣6次；布置一臺(tái)抽風(fēng)機(jī)和一個(gè)自然進(jìn)風(fēng)口。機(jī)械抽風(fēng)目的有兩個(gè)：其一，保證室內(nèi)與室外進(jìn)行有效氣體交換；其二，在室外溫度不是太高或者太低時(shí)，可以不使用空調(diào)，節(jié)約能源[5]；

4）艙室應(yīng)設(shè)置氣密門，并于集控室或駕駛室等有人值守處設(shè)置報(bào)警裝置；

5）電池空間應(yīng)安裝供應(yīng)商推薦的合適固定滅火系統(tǒng)，并與所使用的電池化學(xué)成分相適應(yīng)。本船采用磷酸鐵鋰電池，配置七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)；

6）電池艙應(yīng)安裝浸水報(bào)警，并配備甲板排水泵，以防止電池進(jìn)水而損壞；

7）電池艙至少提供兩條分開(kāi)的逃生路線，并在切實(shí)可行的范圍內(nèi)分開(kāi)，以便有現(xiàn)成的方法逃到露天甲板；

8）電池空間應(yīng)被視為輔助機(jī)械空間。電池空間邊界的防火絕緣布置，應(yīng)設(shè)計(jì)成將火災(zāi)控制在起源空間內(nèi)，與鋰離子電池相關(guān)火災(zāi)負(fù)荷不應(yīng)超過(guò)消防等級(jí)的承受力，電池艙與其它相鄰艙室應(yīng)滿足A60防火分割要求；

9）電池系統(tǒng)的位置和布置規(guī)劃，應(yīng)清楚地顯示電池包的維修空間，以及房間內(nèi)任何其它設(shè)備與電池包之間的距離間隙；

10）電池空間應(yīng)安裝易燃和有毒氣體檢測(cè)裝置，適用于所使用的電池化學(xué)成分，在一個(gè)持續(xù)有人的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。當(dāng)該空間有毒氣體氣體檢測(cè)濃度達(dá)到30%LEL，應(yīng)能自動(dòng)斷開(kāi)電池系統(tǒng)；

11）電池艙應(yīng)布置溫度探測(cè)裝置，并將在一個(gè)持續(xù)有人的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警；

12）如果電池系統(tǒng)不是該船的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)來(lái)源，只是推進(jìn)螺旋漿的輔助動(dòng)力，根據(jù)ABS相關(guān)規(guī)范，可以把這4組電池布置在1個(gè)艙內(nèi)。

13）對(duì)于新增的其它設(shè)備，沒(méi)有特殊要求，按照船級(jí)社相關(guān)規(guī)范布置就可以了。

改造后的電池艙和新增設(shè)備的布置圖，見(jiàn)圖5所示。

5? ? ?結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于改造成混合動(dòng)力的船舶來(lái)說(shuō)，電池間的位置選擇及布置必須結(jié)合原船的主要尺度、艙室布置以及其它系統(tǒng)功能，綜合考慮改造后的船舶安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)保養(yǎng)等因素，才能設(shè)計(jì)出符合該船各項(xiàng)功能要求的最優(yōu)布置方案。

參考文獻(xiàn)

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[3]馮豐.電動(dòng)船磷酸鐵鋰電池艙的環(huán)境控制[J].船舶，2021（2）.

[4]張丁標(biāo)，盧園園，張育嬋.船舶柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].造船技術(shù)，2022（2）.

[5] USE OF LITHIUM-ION BATTERIES IN THE MARINE AND OFFSHORE INDUSTRIES [S].? HOUSTON： ABS，? 2022.