船用锂电池安全防控策略及标准体系.docx

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1、近年来，随若离子锂电池技术日趋成熟，其应用范围也越来越广泛.在这种背卜，俚离子电池在船舶上的应用也在不断提速。那么，当卜船用锂离子电池性能如何？如何确保其安全？这些都是业界比较关注的问题。锂电池的主要特性目前主流锂离子电池主要有：钻酸锂电池、三元锂电池（银钻镭）、镭酸锂电池、罅酸铁锂电池和钛酸锂电池，但不同的锂离子电池有不同的特性。钻酸俾热失控起始温度低，释放热量多，璘酸铁锂电池的热稳定性是最佳的。从安全性能方面考虑，钛酸锂电池、磷酸铁锂电池、:元锂电池和钛酸锂电池成为动力电池重点考虑对缴。但钵酸锂电池与钛酸锂电池的能量箔度限制了其在动力电池中的应用。三元锂电池由于iE极材料特性，在使用过程中

2、相对于其他锂离子电池更容易触发热失控，热失控后释放的热量多，且会择放可燃有毒气体的同时释放大量翻气，更易燃易爆，造成安全隐患。近年来，屡次发生火灾事故的特斯拉电动汽车采用的就是三元锂电池。2019年IO月10日，挪威渡册公司Nor1.cd旗卜MFYtteroyningeiT号客船的蓄电池室发生小型火灾事故，使用的是三元锂电池，该船制造于2006年，并2018年改建为柴电混合动力渡船，配备加空大公司COrVuSEnCrgy提供的容依为1989kWh的ConusOrca储能系统。在事故发生后，船舶回到港口当天晚间，船上俚电池所在的地方（甲板卜方的相关区域）发生了严重的气体爆炸，造成重大破坏，随后赶

3、去事故现场灭火的12名消防员因为接触与电池有关的有害气体而被送往医院.这是一起典型的：元锂电池灭火后二次夏燃导致的燃烧爆炸事故。在三元锂电池首次灭火后，虽然明火已灭，但热失控并未终止，持续择放可燃气体和氯气，枳累到一定量后，随着温度的持续增高，再次更燃爆炸。而磷酸铁锂电池中的正极材料磷酸铁锤而海稔定，较难分解，在实际使用中具有耐高温、安全稳定性强、循环性能更好的优势。俚离子电池安全分级及防护策略电池动力船舶根据其自身安全性特点重点需要考虑的问题有：锂离子电池自身安全性：锂离子电池温升监测与控制：保离子电池热失控的预防和监控：锂离子电池船上布置：迎高子电池灭火有效措施；电池系统与船舶管理系统的协

4、调。针对以上问题本文提出了茅电池船用安全分级理念和多层安全防控策略。首先，蓄电池本身安全性存在隐忠，正常使用可能择放仃毒、可燃气体或存在爆炸、鼓胀、漏液风险的蓄电池禁止船用“其次，从电池的化学特性给出蓄电池安全分级评判标准。根据热失控后的不同表现分级考虑。在热失控情况下择放氧气和有毒可燃气体，燃烧（爆炸）风险较高的蓄电池，安全等级为I:在热失控情况下仅释放仃毒可燃气体，燃烧（爆炸）风险较低的蓄电池，安全等级为2。具体如表1所示.表I安全分级一览表安全等级然失控试验坳烧（爆炸）风险料放氧气春放有赤可8气体1较高2较低安全等级为I的蓄电池因在高温和热失控下产生大量氧气和可燃气体，为电解液的分解和燃

5、烧提供助燃剂，且热分解在较低温度，产生热失控的概率大，一旦产生热失控造成爆炸和灭火后应燃的可能性也较大，因此必须提高防护等级：安全等级为2的蓄电池正常工作时安全可祭，热失控状态下一般只会释放白色有毒刺鼻（可燃）气体，较少产生明火，通过适当的防护可以船用。依据以上原则，按照图1所示多层安全防控策略，在不同层级根据不同安全等级给出具体要求。通过从电芯、蓄电池模块/蓄电池包、蓄电池箱（柜）和蓄电池能空U乂防护，将锂电池的事故发生率降到最低。RoomBatterySystem图I蓄电池船用四层防护示意图具体的防控措施条款在指南条款中体现，此处不通独林义。纯电池动力船舶规范标准体系21世纪初，随着大容量

6、蓄电池的出现，并在陆上蓬勃发展，引起J各大船级社的亚视，船用蓄电池只用铅酸电池或碱性银版型电池的要求逐渐被打破，如图2所示，给出了船用电池与各大船级社提出船用锂离子电池规范的大概时间轴。图2船用动力电池及其规范法规发展简史CCS电池动力船舶规范法规体系国内，中国船级社早在2010年左右就开始研究锂离子电池动力船的规范标准，开展实船应用技术攻关，并将相关成果转化成规范法规。2014年，中国船级社对外发布了太阳能光伏电池系统和磷酸铁锂电池系统检验指南（2014）。2016年,M阳贡内河船舶建造规范（2016）将磷酸铁锂电池的技术要求纳入。2019年，6内河小型船舶检验技术规则2019修改通报将磷酸

7、铁锂电池的技术要求纳入；同年，可混合动力船的检验指南（2019）和G纯电池动力船舶检验指南（2019）相继对外发布。相对于国外船用俾离子电池的安全技术条款，最新的纯电池动力船舶检验指南首次提出安全分级的理念和多层安全防护理念，有针对性地解决/不同锂离子电池船用安全防控问题.2020年，内河船的法定检验技术规则（2020）招磷酸铁锂电池法定要求纳入。至此，国内基本形成了完整的纯电池动力船舶标准体系。电池系统应用解决方案服务在纯电池动力船舶标准体系下，CCS推出J以促进绿色船舶发展为目标的电池系统应用解决方案，致力于确保锂离子动力电池船舶的应用安全。根据客户需求，为客户量身定制船用锂电池系统储能/

8、推进设计方案，为船舶清洁电力提供服务。具体服务如下：1）锂离子电池的选型、容量计算方案：2）电池管理系统控制策略：3濯电池舱的设计和布置：4）清洁能源+锂电池+电力推进系统组合解决方案（混合动力）：5）锂离子电池/超级电容+电力推进组合解决方案（纯电池动力）：6）锂离子电池+直流母线电力推进系统解决方案；7）集装箱式移动电源解决方案：8）电池管理系统的认可：9）锂离子电池产品（电芯、电池包）的认可：10）锂电池电力推进系统的解决方案及认可。附参考资料:俾电池在船舶中的应用探讨了锂电池在船舶储能、船舶动力方面的应用前景，对锂电池在船舶中应用的政策、规范、应用现状和存在的问题进行门阐述，时锂电池的

9、类型和磷酸铁锂电池应用于船舶的优势及主要应用场累进行了讨论，研究了锂电池的龙头企业状况，并对拓展锂电池在船舶中应用的可行性和意义进行了分析，提出了未来拓展的初步思路.一、锂电池在船舶动力中的应用目前船舶使用最多的动力系统是柴油机船舶动力系统，但柴油机动力系统存:在着许多的问题。第一，柴油机使用的是重油或是不可再生能源，资源压力大，使用成本也极高。第二，柴油机运行中产生的噪音、振动问题难以解决。第三，柴油机的废气废料排放问题极其严重，对环境造成的污染.随着时环境污染、资源紧缺等问题越来越戊视，航运业污染问题也受到越来越多人的关注。船舶是排放大户，近年来各国航运业枳极行动，不断推动和拓展绿色船舶技

10、术的应用。虽然业界关注的船舶新能源种类众多,如1.NG、甲醇、1.PG、生物质燃料、太阳能、狙气、燃料电池、锂电池等,但真正能够实现零排放,并在海运业逐步推广且具初步市场规模的新能源动力，目前只有锂电池电动船舶。纯电池动力船舶主要适用于航线固定、航程短、补点便捷的场合，对于航线距离相对较长的场合,柴电混合动力则更能兼顾节能减排与航程适应性.1.锂电池在纯电动船舶的应用相较传统的推进系统，电力推进系统具有经济性良好、操纵灵活、安全性高、振动小和可拈性高等特点，电力推进系统现广泛应用于渡轮、挖泥船、拖轮和大型邮轮等。随着电力电子技术快速发展以及能源危机日益加剧，电力推进替代传统的柒油机推进成为不可

11、阻挡的趋势。电力推进技术依靠其在机动性、可辨性、运行效率、布置灵活性、经济性、易于维护等方面的巨大优势，广泛应用于工程船、油船、豪华游船等船舶上。在世界各国都在追求可持续发展、倡导低碳经济的今天，其籽成为未来球色船舶的前进动力。在国外，几个大的船舶电力推进生产厂商都有自己的电力推进系列产品，并已将其投入实际运行中，例如ABB公司的AZiPOd推进系统，J、SiemenS公司与SChOue1.公司的SSP推进系统.然而，船舶电力推进一直面临着一个技术难题，即频繁的负载扰动给推进系统的性能带来了IR大影响。一方面，海洋环境复杂多变，风、浪、流对负载的影晌不可预知，带来的扰动也在不断变化；另一方面，

12、某些工程船（破冰船、挖泥船、海上钻井平台等）在作业时除了受环境干扰以外，其负教功率需求还随工况要求等客观因素的变化而变化，会产生巨大的负载扰动。显然，这些负载扰动会给船舶电网带来巨大冲击，时船舶推进系统的性能有着巨大影响。解决该问题的一个办法是采用能量存储技术。储能单元可以提高系统的稳定性，在电力系统遇到扰动时，其可以瞬时吸收或释放能量，平更扰动给系统带来的影响，增强系统的稳定性。近年来，大容珏存储技术飞速发展，几个大的储能单元生产商（如CorVuSEnergy公司和Maxwd1.公司）都在生产自己的大容量储能产品并将其投入到实际运行中。2.锂电池在混合动力船舶中的应用混合动力船舶过去通常指的

13、是柴-电混合动力船舶，但随着船舶新能源技术逐步得到推广，以太阳能、燃料电池1.NG等为代表的新能源技术开始在船舶上应用，使混合动力船舶定义越来越广。混合动力船舶包含了以电能为中心的多种能量来源，其多样性赋予了船舶运行灵活、经济的优点，而不同能量:来源只有通过管理，充分利用各自的特性、协调控制它们之间的流动，才能在保证船舶的功能性、安全性的同时，有效降低能耗、减少排放。在混合动力船舶中，俚电池主要有两大作用，供能和储能。俾电池可以根据船舶不同的使用要求进行方案设计，主要有以下应用：I）电力保留，防止船帕失电.2）削峰填谷：可以在负荷最大的时候，通过锂电池短期供电：负荷较小的时候，电网给锂电池进行

14、充电补充。3）弥补发电机组的特性不足：可将突加的负荷转移到电池组上承受,有效地规避了“闷车”风险.4）作为电力直接对电网进行供电：船的不配备柴油发电机，直接采用电池系统对船上的设备进行供电,推进系统采用电动机提供动力，就可以实现船舶“写排放工二、锂电池在船舶储能中的应用在多数情况下，船舶电力推进系统都是内燃机驱动发电机组为系统供电。由于海洋环境更杂多变，负载是变化的，当负载偏离最佳负荷点时，燃油就会得不到充分燃烧，燃油的利用率随之大幅度下降，同时会产生大忌的娥氧化物和硬氧化物，对环境造成污染.能量存:储技术是解决这一问题的办法之一。利用储能单元在系统轻载时将多余的能量储存起来，来防止该能量对电

15、网的冲击。在系统过载时，储能堆元样放能量来满足负载的需求。能量存储技术已经很好的应用于电动汽车行业。而大容量能砥存储技术的发展，使得储能单元应用于船舶电力推进系统成为可能，利用储能单元来克服功率波动对船舶电力推进系统的影响将是未来船舶推进技术发展的新方向。储能系统可增强汽轮机功率提升能力，提高汽轮机调速水平,改善电网质员，实现发电的平滑输出，从而增加系统的稔定性和可靠性同时，储能系统也能聘多余的能源储存起来，一定程度上提高了船舶运行的经济性。另外，由于船舶所处环境较为恶劣，且长期远离陆地，遇险救援时效性较差，因此，对于保证安全的电力系统要求很高。储能系统作为电力系统最可靠的能源，是保护船舶安全

16、的最后一道屏障“根据储能载体区分，储能方式主要分为电化学储能、物理储能和电磁储能三种。其中电化学储能主要包括电池储能和超级电容器储能：物理储能主要包括抽水储能、高压空气储能和乜轮储能：电磁储能主要包括超导储能.在各种储能方式中，抽水储能、压缩空气储能因为响应速度慢，不能满足船舶的要求。超导储能能量密度过低、成本过高且技术成熟度不高，实际运用中可靠;性和经济性都不高，也不适合应用于船舶。船舶中主要应用的储能方式为电池储能、超级电容器储能和K轮储能。超级电容器储能和匕轮储能两种储能方式都具有响应快、比功率高的特点.相比起来，超级电容器储能比功率更高，但比能量极低，放电时间极短，成本更高。电池储能中，铅酸电池和俾电池是当前应用较为广泛的电池。两种电池均具有额定功