电动船磷酸铁锂电池舱的环境控制

冯 丰

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

随着船舶节能减排理念的逐步推广，绿色新能源船舶概念越来越受到船东的欢迎，磷酸铁锂电池作为电动船的主流能源之一，不仅具备了零排放、低能耗的优点，而且体积小，充电速度快，还可以自由调节容量，其重量只有铅蓄电池的1/3。另外磷酸铁锂电池还可免维护3年，即使不使用也可折旧回收，相对于铅蓄电池更适用于小型旅游客船。目前对磷酸铁锂电池在船舶上的应用有较多介绍研究，陈晨等详细介绍了磷酸铁锂电池在电力推进船舶上的应用，杜睿等对磷酸铁锂电池在船舶推进和直流配电系统等方面进行了相关研究，雷克兵等对磷酸铁锂电池在船舶上的储能分配作了相关研究。然而，针对磷酸铁锂电池间环境控制的研究文献至今仍比较少。本文以某库区小型执法公务船为例，通过对相关船级社规范分析和研究，对于电池舱风量计算、系统布置以及磷酸铁锂电池船的安全环境控制提出设计思路。

1 规范分析研究和设计思路

1.1 相关规范要求

中国船级社《内河双电（磷酸铁锂电池、超级电容）纯电动电力推进游览船审图、检验指南》和《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》对于磷酸铁锂电池船的应用安全技术要求有明确规定。其要求基本一致，仅第8条和第9条有区别，相关内容包括：

（1）磷酸铁锂电池应安装在一个环境可控的蓄电池间（包括电池舱（室）、箱、柜）中；从电池使用寿命和效率考虑，建议磷酸铁锂电池长期工作温度为：充电0～45℃，放电-20～55℃。

（2）电池舱（室）应采用机械通风或其他温度调节装置，以避免电池周围环境温度过高。通风口应有防止水和火焰进入的措施。

（3）电池舱（室）内不应安装与电池无关的热源设备。

（4）电池舱（室）内除电池系统外应避免安装电气设备。若必须安装时，应尽可能远离电池，且应将电气设备的发热量计入电池舱（室）通风量的计算中。

（5）电池舱（室）采用机械通风时，按厂家提供的方法进行机械通风计算，若厂家未提供计算方法，则按以下方法计算通风量。

通风量

q′

不应小于式（1）计算所得之值：

式中：

Q

为单个电池模块工作时自身产生的发热量，W；

Q

为其他热源发热量，W；

n

为电池模块总数；Δ

t

为电池舱（室）与外面空气的最高温度差，℃；

k

为风扇裕量常数，实际选择时取1.5～2。

（6）电池舱（室）必须设有独立的温度探测装置。当温度高于设定值时，应能在经常有人值班的处所发出听觉和视觉警报。

（7）电池舱（室）需要配备固定式灭火系统。该固定式灭火系统应能将磷酸铁锂电池燃烧所造成的火灾扑灭，例如七氟丙烷灭火系统。电池箱、柜可配备沙箱或手提式七氟丙烷灭火器。

（8）电池舱（室）与其他相邻舱室的限界面，在位于电池舱一侧应敷设厚度不小于10 mm 的认可型隔热材料。隔热应在该限界面与其他舱壁、甲板或纵行等强力构件的结构交接处以及该限界面的终止处延伸450 mm。

（9）电池舱（室）与其他舱室的防火分隔应满足相应法规对机舱的要求。

1.2 规范的分析研究

磷酸铁锂电池充放电温度区间的交集0～45℃为其工作温度的安全区间。对于磷酸铁锂电池舱来说，为使其工作温度处于安全范围以内，需要使用通风或空调等方法对舱室内进行降温冷却，在严寒季节和地区需要使用空调、盘管或电加热对舱室进行加热保温。通风开口应设置风雨密关闭和金属丝网，以防止水和火焰进入。为减少电池舱内的发热总量，舱内不应再装设其他发热设备，同时应尽量减少电气设备的安装。若必须安装电气设备，则需将其发热量作为环境保障的去除对象，一并算入电池舱的通风或空调计算中。

电池舱的通风计算公式根据比热容公式

Q

=

cm

Δ

t

推导而来，物理意义为需要引入一定量的外界低温空气来使不断发热的电池模块保持在安全的工作温度区间内。需注意的是，根据《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》中的解释，公式中Δ

t

所指的电池舱（室）与外面空气的最高温度差中，外面空气的最高温度取船舶航行区域可能出现的最高环境温度，但不超过45℃。而在《内河双电（磷酸铁锂电池、超级电容）纯电动电力推进游览船审图、检验指南》没有这一解释，如果采用此单规范设计，此时需注意外面空气要按实际可能出现的最高环境温度取值。虽然是计算通风，但考虑到计算公式的实际物理意义和电池工作的安全性，不能按夏季通风室外计算温度来取值，也不能按设计资料或技术规格书中写的夏季室外干球温度来取值。

在本船的计算中，该地区历史极值最高温度为40.8℃，夏季通风室外计算温度为29.9℃，夏季空气调节室外计算干球温度为33.7℃，技术规格书中所写的夏季舱外干球温度为35℃，计算时应使用历史极值最高温度取41℃，要注意避免公式中选错温度参数，造成电池室温度超出磷酸铁锂电池的安全工作温度区间，形成潜在安全隐患。

此外，电池舱（室）应设温度报警器，在人员值班处发出声光报警；同时，需配备固定灭火系统，灭火介质最好采用七氟丙烷，这样可在火灾后开启风机将电池舱内的泡沫排出到室外。第8条为《内河双电（磷酸铁锂电池、超级电容）纯电动电力推进游览船审图、检验指南》要求，如果电池舱与其他相邻舱室存在限界面，应在电池舱一侧敷10 mm厚隔热材料，以免相邻舱室发热量传入电池舱内，使舱内温度超过电池工作安全范围。有风管穿舱壁时，风管上应从该舱壁延伸450 mm敷设隔热材料。第9条为《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》要求，在与其他舱室进行防火分隔时，将电池舱视作机舱来采用相应法规进行设计。建议在设计时将防火和隔热一起考虑。

1.3 设计思路

对于电池舱来说，优先选用机械通风为舱内降温，如果电池模块发热量巨大，造成风管和通风口尺寸过大不方便布置时，可选用空调或盘管等设备为舱内降温，也可同时使用空调和机械通风共同承担室内冷负荷，平衡设备布置空间和投资经济性。虽然规范对室内湿度没有明确规定，但对通风口仍有防水要求，可见，舱内环境仍要避免出现积水。因此在制冷时需注意将柜机和盘管表面的凝水就地及时排出，同时需要将柜机和盘管的布置位置远离电池模块，避免冷气直吹电池，使电池表面温度低于其附近空气露点温度导致结露凝水。

如果航行于热带潮湿地区，在空调计算时应考虑除湿，或者配备除湿机除湿，避免外部湿空气吸入后因室内制冷出现凝水。在严寒季节或地区，需保持电池舱（室）温度在0℃以上，可采用空调或盘管采暖，或选用电加热，必要时为空调、盘管和电加热设置温控器关联启停，避免室内温度过高超过45℃。

2 系统设计计算实例

下面以库区小型执法船为实例，来说明电池舱通风系统的设计和布置方法。

2.1 电池舱通风计算

（1）电池发热量

根据电池设备厂提供的电池参数，电池总容量为963 kWh，每小时充电200 kW，每小时放电300 kW，电池充放电效率为：

额定充电效率，98%；额定放电效率，99%。

按照电池充放电效率计算发热量，损耗为发热损耗。

充电时发热量：

963 kWh·（1-98%）=19.26 kWh

充电用时：936 kWh/200 kW=4.82 h

充电发热功率：19.26 kWh/4.82 h=4 kW

放电时发热量：

963 kWh·（1-99%）=9.63 kWh

放电用时：963 kWh/300 kW=3.21 h

放电发热功率：9.63 kWh/3.21 h=3 kW

综上，充电时发热量为4 kW，放电时发热量为3 kW。计算值取两者中较大值，即电池发热量为4 kW。

（2）其他热源发热量

其他热源发热量取0.3 kW。

（3）电池室与外界空气的最高温度差

根据规范解读部分的分析，此处室内与室外最高温度的差值取4℃。

（4）风扇裕量系数

风扇裕量系数取最大值2。

将以上各值带入式（1），计算得通风量

q′

=6 418 m/h，取整为6 500 m/h。

2.2 通风系统布置

该库区小型执法船航行于北方地区，气候干燥，在设计时不用考虑电池舱的除湿问题，空调不是必要的。对于小船来说，空调挤占了室内空间，增加了电气管线布置和总重量，也有凝水泄水风险，所以通常采用机械通风设计。另外，在冬季气温接近0℃时，库区水面会结冰，此时执法船停止工作，因此在设计时也不考虑电池舱内的冬季保温问题，无需设置空调、盘管或电加热。

磷酸铁锂电池舱（室）的通风机不用防爆，这是由磷酸铁锂电池正常工作时释放的气体成分和比例决定的，所以本船采用普通离心风机JCL-39，风量6 600 m/h。但也有船为磷酸铁锂电池舱（室）配备了防爆风机，主要是出于对磷酸铁锂电池故障不可预知的考虑，将防爆风机兼用作应急事故通风风机。

根据式（1）可知，分母0.335Δ

t

通常很小，分子为电池总发热量和其他热源发热量总和，再乘以风扇裕量常数1.5～2，从而造成计算风量

q′

往往较大；对小船来说，风管和通风装置布置困难。若采用通风筒从甲板面上进行直接通风，则会对两侧过道空间形成抢占挤压。所以，通常需结合上层建筑的具体情况进行分析，必要时采用附壁风管从上建隐蔽处排管，并引至顶层甲板或舱室侧壁处的百叶窗。

本船在设计时结合上层甲板舱室布置特点，在实验室隐蔽处设附壁风管，将排风引到罗经甲板通过百叶窗排出（图1），将驾驶室桌柜下方作为中空内腔，底部连通电池舱附壁风管（图2、图3），前部与驾驶室前端空腔相连通，形成进风“结构风管”，在驾驶室前端空腔外壁设风雨密百叶，作为进风入口（下页图4、图5）。此设计在保证通风效果的同时，充分利用了船体结构，减少了风管和通风头对人员活动区域的影响。各围壁风管外壁均敷设A60防火绝缘，穿电池舱的风管从所穿舱壁处双向延伸450 mm敷保温绝缘。

图1 电池舱排风风雨密百叶窗

图2 电池舱内部通风布置图

图3 电池舱进风附壁风管剖面图

图4 电池舱排风附壁风管与进风“结构风管”及风雨密百叶窗

图5 电池舱进风主甲板开孔

3 结 语

对于电动船来说，电池舱的环境温度控制非常重要，关系到船舶正常的运行。本文从规范要求着手，以某小型电动执法船为例，详细阐述了船级社规范中的计算方法和设计要点，指出计算公式中的易错点和实际布置中可能面临的困难，并提供了通风计算和系统布置示例。如果在条件和成本允许的情况下，也可以采用空调方法对环境进行控制。本文可供同类型船舶电池舱的环境控制通风系统设计计算时参考。