锂电池动力船舶的轮机系统设计

张 禹 胡敏芝

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

近年来，随着我国可持续发展战略的实施，环境保护的重要地位逐渐凸显。我国作为航运大国，每年由于船舶主机燃烧化石燃料产生的污染物排放量较大。电池作为一种零排放的清洁能源，应用在电力推进船上替代或部分替代柴油发电机组，可以起到很好的减排效果。同时，电池应用于船上还有以下特点和优势：在用电负荷变化时起到削峰填谷的作用，提高船舶电网稳定性；在瞬时巨大负载扰动时，吸收或释放能量，减小负载变化对电网的冲击，改善电网的动态特性；振动噪声低，有利于改善船员居住环境等。目前，电池动力船舶已获得广泛关注，具有良好的发展前景。

1 船用动力锂电池概述

船舶上常用作动力源的储能电池类型主要有燃料电池、超级电容和锂电池。其中燃料电池具有能量转化率高、不污染环境、寿命长等优点，但其单体功率较小、造价昂贵、配套技术尚不成熟；超级电容具有充电时间短、循环寿命长、维护保养容易、监控状态容易等优点，但其能量密度低、造价昂贵；锂电池具有高能量密度、自放电率小、输出功率大、成本相对低等优点，但必须有特殊的保护电路防止过充或过放。相比之下，锂电池的优势更为明显，在船上的应用也最为广泛。

根据正负极的材料，锂电池可分为磷酸铁锂电池、三元锂电池、钛酸锂电池、锰酸锂电池等类型。目前可应用在船上的主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池，这两种锂电池各有优缺点，主要性能对比见表1。

表1 磷酸铁锂电池与三元锂电池对比

由于磷酸铁锂电池的安全性较好，目前在国内外的实船应用较多，而三元锂电池仅在国外有一些应用案例，但随着技术发展未来仍有较大的应用潜力。

2 规范要求

对于电池动力船舶，各主要船级社都制定了相关规范和指南，并根据实践不断进行修订和完善。

国外船级社中，DNV·GL最早于2012年在船舶入级规范中纳入电池动力暂行规范，而后电池动力（Battery power）相关内容也被纳入2015年推出的新DNV·GL联合规范第6篇 第2章 第1节，经过数轮修订完善，目前最新版本为2020年版，章节名称更改为电能储备（Electric energy storage）。ABS于2017年颁布《锂电池在船舶与海洋工程中的应用指南》（Guide for use of lithium batteries in the marine and offshore industries），目前最新版本为2020年版。

CCS曾于2014年颁布了《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》，并在2016年《钢质内河船舶建造规范》中增加了磷酸铁锂电池船上应用的安全技术要求。而后于2019年发布了《纯电池动力船舶检验指南》，目前已正式生效并替代了前2份文件，适用于包括海船和河船在内的以蓄电池为推进电源的船舶，混合动力电动船也可参照执行。

以下对各船级社规范指南中与轮机系统相关的部分进行简要摘述。

2.1 DNV·GL相关要求

2.1.1 布置

电池舱内只能布置与电池系统相关的设备，且电池舱内的设备应满足2类危险区的安装要求。

例如管路泄漏会增加电池系统的风险，故一般不应在电池舱内布置管路；若无法避免，则在电池舱内不应有任何可拆接头。另外，消防栓不应布置在电池舱内。

2.1.2 通风

电池舱应设有机械通风，通风系统通常应独立设置，具体要求取决于电池组的内部设计。对于在电池热失控时将释放的气体直接排放到电池舱的系统，电池舱应设置负压抽风机，抽风量不小于每小时6次换气量，具体取决于电池系统的设计，DNV·GL规范中也给出了计算公式；对于设有集成的排气导管，在电池热失控时将释放的气体排入排气导管的系统，电池舱应设置正压送风机，送风量不小于每小时6次换气量，另外排气导管中是否需要设置抽风机也取决于电池系统的内部设计。

电池舱的进排风口应直接通向大气，并确保可能产生的有毒气体不会对人员造成危害，通风口1.5 m以内的范围应视为2类危险区。

2.1.3 消防

电池舱内应设有固定式灭火系统，可为以下任何一种型式：满足IMO MSC/Circ.1165及MSC.1/Circ.1269和MSC.1/Circ.1386修正案的水基灭火系统；满足FSS、IMO MSC/Circ.848及MSC/Circ.1267修正案的气体灭火系统；满足FSS的CO灭火系统。

对于使用水基灭火的情况，系统应先使用淡水灭火30 min后再转为使用海水继续灭火。对于使用气体灭火剂或CO灭火的情况，所使用的灭火剂应适用于电池产生的可燃气体，并且若被保护电池舱的电池容量不小于100 kW h，灭火系统应能满足二次灭火的需要。

2.2 ABS相关要求

2.2.1 布置

电池舱内不应设置任何热源或高失火风险的物体。

任何与推进、转舵、应急设施相关的重要系统的设备、电缆和管路都不应设置在电池舱内，以免在电池热失控等事故下对重要系统造成影响。

2.2.2 通风

电池舱应设置有效的排气手段，将在电池异常情况下产生的气体排至露天甲板。

电池舱应设有机械通风，进排风应在露天甲板安全区域，并且排风不应引起火灾、爆炸风险或有毒气体对人员造成伤害。电池舱的通风系统应具有足够的容量以尽可能降低可燃气体的聚集，通风量应至少为每小时6次换气量。电池舱的通风管道应与其他舱室独立。

2.2.3 消防

电池舱应设有由电池厂商推荐的适用于该电池的固定式灭火系统。固定式灭火系统应有措施防止喷嘴释放时产生静电。另外，还需根据规范配置手提灭火器。

2.2.4 危险区要求

根据电池的设计和化学特性，如在正常使用中可能产生可燃气体，该电池舱应作为危险区，且露天甲板上电池舱进排风口3 m范围内也视为危险区。

危险区的电池舱应设有独立的甲板排水或不设甲板排水。

2.3 CCS相关要求

2.3.1 安全分级

电池根据热失控情况下释放的气体进行安全分级，如热失控时同时释放氧气和有毒可燃气体，燃烧爆炸风险较高，则安全等级为1；如热失控时仅释放有毒可燃气体，燃烧爆炸风险较低，则安全等级为2。

2.3.2 布置

电池舱不应安装与电池无关的热源设备。电池舱内除电池系统外应避免安装电气设备，若必须安装时，应尽可能远离蓄电池，并在电池舱通风量计算中考虑电气设备的发热。

2.3.3 冷却

电池舱应采用机械通风或其他温度调节装置，以避免蓄电池周围环境温度过高。采用机械通风时，除考虑舱室的正常通风外，还应考虑电池的热交换，计算方法应由厂家提供，同时CCS指南中也提供了计算公式。采用空调等其他温度调节装置时，应充分考虑蓄电池和其他热源的发热量。

2.3.4 应急通风

对于安全等级为1的蓄电池，应设置独立的无火花型应急排气系统，将可能产生的有毒或可燃气体直接排出。排气管道需通向开敞甲板上的安全地点，并远离有人居住或含有热源的处所，同时远离其他处所的进风口至少3 m。

对于安全等级为2的电池舱，应设置独立的无火花型应急排风机，以便及时排出蓄电池热失控情况下产生的可燃气体，风机应与电池舱内的可燃气体探测系统联锁。应急排风量应根据评估确定，但不应小于每小时10次的换气量。如满足应急通风的相关要求，则该应急通风也可由日常通风系统兼用。

2.3.5 消防

电池舱应设有水灭火保护，对于设有水灭火系统的船舶，应在电池舱出入口附近设置1个消火栓，采用水柱/水雾两用型的水枪。

电池舱应设有固定式灭火系统进行保护。

对于安全等级为2的电池舱，固定式灭火系统可采用七氟丙烷灭火系统、二氧化碳灭火系统（仅适用于超级电容）或压力水雾灭火系统。

对于安全等级为1的电池舱，固定式灭火系统可采用压力水雾灭火系统或七氟丙烷灭火系统。当使用七氟丙烷灭火系统时，灭火剂量和控制系统应能保证该系统在蓄电池复燃时能再次释放，除非电池箱或电池包单独设有内置灭火装置。

如果电池舱采用固定式压力水雾灭火系统，则舱底水系统应具有足够的排水能力，至少满足水雾系统和规范所要求数量的消防水枪的组合容量的125%。

另外，还需根据要求配备七氟丙烷手提灭火器。

3 锂电池动力船舶轮机系统设计总结

锂电池热失控是动力电池起火的主要原因，一旦电池由于机械碰撞、内部短路、过充电等原因导致热失控，会发生连锁反应而引起急剧放热，并释放可燃有毒气体，可能导致燃烧和爆炸。同时，电池单体的热失控还可能引发相邻或其他部位电池的热失控，导致更严重的后果。因此，为提高电池船舶的安全性，在设计时应遵循以下3项原则：

（1）应采取适当的措施避免电池发生热失控；

（2）应避免电池热失控的蔓延，避免单点故障引发更多的电池进入热失控；

（3）应避免电池系统的单点故障引起船舶主要功能的丧失。

依据以上设计原则，并结合各船级社的相关要求，对锂电池动力船舶相关轮机系统的设计总结如下。

3.1 通风空调系统设计

电池舱通风空调系统的设计目标包括两个方面：

（1）平时将电池舱的温度控制在合适的范围内，避免电池过热；

（2）在电池热失控时将产生的易燃有毒气体排出，避免在舱内聚集。

为控制电池舱温度，通常采用机械通风或配置空调的方式，设备选型时应充分考虑舱内电池和其他电气设备的散热量。虽然电池可以耐受的环境温度范围较大，但通常最佳储存温度为25℃左右，若电池长时间处于高温、高湿的环境，则可能会对电池寿命产生影响，因此建议优先考虑配置空调。

针对电池热失控下的应急通风，应设置机械通风，并根据电池模块的内部设计以及电池产生气体的种类和量来确定，各船级社对通风的型式、换气量、进排风口的位置、排风导管的设置等都有具体的要求。应急通风应能在监测到可燃气体产生时自动开启，通常建议连续运行，但还需考虑对于空调效果的影响。

3.2 消防系统设计

电池在热失控下内部会发生复杂的化学反应，产生多种易燃有毒气体。对于不产生氧气的电池类型（如磷酸铁锂电池），通常不会发生肉眼可见的燃烧，外部表象为产生大量的气体烟雾；对于产生氧气的电池类型（如三元锂电池），氧气会加剧内部反应，使温度上升得更快，甚至产生肉眼可见的燃烧；而随着燃烧的发生，产生的气体量会减少。为抑制锂电池火灾，可将灭火剂释放在电池舱内，或直接注入电池箱内部。各灭火剂的效果可从熄灭火焰、吸热降温、降低气体温度和吸收气体等几个方面综合评判，评判结果见下页表2。

表2 各类灭火剂灭火效果对比

向电池箱内部注入泡沫可以对电池起到很好的降温效果，宜用于阻止电池模块之间的火灾蔓延；高压水雾具有较好的灭火和降温效果，并且可以降低可燃有毒气体的温度和浓度；七氟丙烷灭火效果较好，但降温效果不如高压水雾，而且释放七氟丙烷时需关闭通风，在此期间有毒可燃气体可能会聚集；水喷淋不能完全熄灭明火，具有和高压水雾相近的降温效果，但水有可能会进入电池包内部，增加爆炸的风险，不宜选用。

由此可见，对于锂电池火灾，并没有一种效果极佳的灭火手段，灭火系统的选用需要结合电池的种类和电池系统的设计进行考虑：一方面，电池箱内部是否配置灭火设施应由电池厂家根据电池的特性和电池系统的设计确定；另一方面，电池舱内应配置固定式灭火系统，较为合适的是高压水雾灭火系统和七氟丙烷灭火系统。

高压水雾系统在降温效果上更有优势，但系统相对复杂，布置空间要求较高，建议在条件允许时优先考虑选用。七氟丙烷灭火系统分为管网式和预制式两种：对于管网式系统，七氟丙烷气瓶储存在专用的七氟丙烷间，可同时保护多个处所，使用时灭火剂通过管网送至被保护处所；对于预制式系统，七氟丙烷气瓶布置于被保护处所，使用时将灭火剂直接释放到被保护处所。七氟丙烷灭火系统布置相对灵活，更适合于布置空间有限的中小型船舶。

除了固定式灭火系统，还应根据规范要求设置水消防和手提式灭火剂。

3.3 舱底系统设计

电池舱是否属于危险处所应根据电池的种类和相关规范要求确定，如电池舱被归类为危险处所，则其舱底系统应独立设置。

另外，如电池舱采用固定式高压水雾灭火系统保护，则舱底泵应具有足够的排量，满足相应规范和使用的要求。

3.4 设备和管路布置

设备和管路的布置除满足船级社的最低要求外，为提高船舶的安全性，在设计时也应注意以下几方面：

在布置辅助设备时，应避免将不直接服务于电池舱的设备布置在电池舱内；为电池舱服务的设备和系统，应尽量独立设置。

在布置管路时，应尽量避免将为船舶重要系统服务且与电池无关的管路布置在电池舱内，如推进器的冷却水管路、推进器的控制空气管路等，以免在电池舱发生事故时影响船舶重要功能；同时，也应尽量避免将为一个电池舱服务的重要管路穿过另一个电池舱（如电池舱空调的冷却水管路等），以防一个电池舱发生事故时，增加另一个电池舱的风险。另外，与电池无关的燃油管、热油管、蒸汽管、热水管等均应尽量避免布置在电池舱内，以免管路泄漏时增加电池舱的风险。

4 应用实例

深圳海上危险品应急指挥船是我院为深圳海事局设计的一艘混合动力船舶。该船入CCS级，船长78 m、船宽12.8 m、设计吃水3.4 m、航速18 kn，中部设1个机舱和2个动力电池舱，配置3台2 000 kW的柴油发电机组和2组650 kW h的磷酸铁锂电池组，采用电力推进方式。电池及相关系统设计时参考CCS《纯电池动力船舶检验指南》。

4.1 通风系统的设计

为2个动力电池舱分别配置1台专用水冷分体防爆空调机，制冷量约30 kW，满足电池系统的散热量，以维持动力电池舱在适宜的温度。

动力电池舱采用自然进风和机械排风，每个动力电池舱配置1台防爆离心风机，风量约500 m/h，满足舱室每小时10次换气量。该机械抽风系统兼作日常通风及应急通风，抽风机与电池舱内的可燃气体探测系统连锁，在探测到可燃气体时可自动启动抽风机，将电池产生的气体排至大气。

4.2 消防系统的设计

动力电池舱采用固定式七氟丙烷灭火系统保护，每个动力电池舱配置1套预制式七氟丙烷灭火装置，包括1只90 L/78 kg的七氟丙烷气瓶，满足电池舱一次灭火用量。灭火系统的控制方式有电动控制和气动控制两种，电动施放按钮和气动启动瓶应布置在电池舱外易于操作之处。

此外，每个动力电池舱内设有4瓶手提式泡沫灭火剂，并在电池舱出入口附近设有1只消防栓。

图1 动力电池舱七氟丙烷灭火系统原理图

4.3 其 他

磷酸铁锂电池正常使用时不产生可燃气体，动力电池舱未归类为危险区域，动力电池舱的舱底系统按常规船舶设计。

动力电池舱内仅布置锂电池组、空调、抽风机和七氟丙烷灭火装置，未布置其他无关设备。另外，在管路放样时也考虑了无关管路避免穿过动力电池舱，尤其是与推进相关的重要系统管路。

5 结 语

目前，以锂电池作为船舶动力源已受到广泛关注。未来随着电池技术的进步，电池动力船舶必将有极大的发展空间。本文简单介绍了锂电池船舶的相关规范要求，归纳并总结了轮机系统的设计要点。今后随着电池的技术发展和电池动力船舶的经验累积，相关规范必将更加全面，为船舶的设计提供更完善的保障。