某常規(guī)動力船改造成混合動力船的電池艙布置設(shè)計

龍紅剛 張俊江

摘? ? 要：本文以某常規(guī)動力遠洋運輸船改造成混合動力船為例，較為詳細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船級社關(guān)于鋰電池使用相關(guān)規(guī)范，對該船改造成混合動力船的電池艙布置提出一種布置設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：混合動力船； 磷酸鐵鋰電池；電池艙布置

中圖分類號：U664.14 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：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、電池技術(shù)的發(fā)展以及船級社規(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，而基于鋰電池儲能技術(shù)的混合動力系統(tǒng)是最具優(yōu)勢和潛力的船舶動力系統(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)濟性， 減少污染物排放。相對于純電力船，混合動力船其還具有改造方便和造價低的特點，因此具有廣闊的市場和良好的發(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)計和檢驗的關(guān)注點，也是鋰電池動力船舶設(shè)計的難點[1]，所以對于將常規(guī)動力船改造成混合動力船，不能像新造船那樣設(shè)計或布置動力電池艙室，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滿足改造目標(biāo)。

本文以某常規(guī)動力遠洋運輸船改造成混合動力船的項目為平臺，通過該項目對ABS船級社相關(guān)規(guī)范進行分析和研究，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)境溫度對動力電池壽命、性能和安全性有很大影響，不同溫度下的鋰電池的實際充放電容量，實驗數(shù)據(jù)見圖1所示。

一般來說，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，電池壽命會縮短；反之，溫度過高，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，久而久之就會使蓄電池處于一種過負荷的工作狀態(tài)，造成惡性循環(huán)。

對于動力電池艙來說，優(yōu)先選用機械通風(fēng)為艙內(nèi)降溫，如果風(fēng)管和通風(fēng)尺寸過大不方便布置時，則可選用空調(diào)為艙內(nèi)降溫，也可選用空調(diào)和機械通風(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)運行，以確保實現(xiàn)最佳的功率輸入與輸出、最佳的壽命周期。

2.2? 空間位置

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

2.3? 船舶總體性能

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

2.4? ?逃生和通道

對于人員可進入的蓄電池艙（室）的出入口，應(yīng)直接通向開敞甲板，當(dāng)該區(qū)域失火時便于人員快速逃離；無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裝置，氣體檢測應(yīng)在一個持續(xù)有人的位置進行監(jiān)測和報警；如果電池空間的氣體濃度達到30%LEL時，自動斷開電池系統(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臺發(fā)電機組成，改造成混合動力系統(tǒng)需要增加下列設(shè)備：

4套動力鋰電池組；4套DC/AC逆變器；4套隔離變壓器；1套變頻器；1臺軸帶電機；1臺軸帶電機齒輪箱；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，見圖3（其中虛線圈的部分為新增設(shè)備）所示。

3.1? ?電池儲能系統(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；每兩套獨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、一個匯流柜、一個液冷系統(tǒng)組成；一簇電池簇由 6 個1P36 S 電池包、一個簇高壓箱組成；電池模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，尺寸完全一致，具有較高的互換性[4] 。

3.2? 軸帶發(fā)電機

新增一臺軸帶發(fā)電機，發(fā)電時功率500 kW，電動機時功率1 410 kW；配置4組動力蓄電池，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營問題，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肋位舵機艙及其左右的儲藏室改造成動力電池艙和新增設(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? ?動力電池艙布置

ABS船級社對電池艙的布置要求如下：

1）動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)危險物體，以降低火災(zāi)風(fēng)險，所以在做電池艙的布置方案時，沒有把一個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臺空調(diào)，夏季提供空氣制冷服務(wù)，室外溫度較低時提供空氣加熱服務(wù)；

3）動力電池艙應(yīng)采用機械通風(fēng)，風(fēng)機應(yīng)為防爆型，每小時換氣6次；布置一臺抽風(fēng)機和一個自然進風(fēng)口。機械抽風(fēng)目的有兩個：其一，保證室內(nèi)與室外進行有效氣體交換；其二，在室外溫度不是太高或者太低時，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)安裝浸水報警，并配備甲板排水泵，以防止電池進水而損壞；

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

8）電池空間應(yīng)被視為輔助機械空間。電池空間邊界的防火絕緣布置，應(yīng)設(shè)計成將火災(zāi)控制在起源空間內(nèi)，與鋰離子電池相關(guān)火災(zāi)負荷不應(yīng)超過消防等級的承受力，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裝置，適用于所使用的電池化學(xué)成分，在一個持續(xù)有人的位置進行監(jiān)測和報警。當(dāng)該空間有毒氣體氣體檢測濃度達到30%LEL，應(yīng)能自動斷開電池系統(tǒng)；

11）電池艙應(yīng)布置溫度探測裝置，并將在一個持續(xù)有人的位置進行監(jiān)測和報警；

12）如果電池系統(tǒng)不是該船的主要動力系統(tǒng)來源，只是推進螺旋漿的輔助動力，根據(jù)ABS相關(guān)規(guī)范，可以把這4組電池布置在1個艙內(nèi)。

13）對于新增的其它設(shè)備，沒有特殊要求，按照船級社相關(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，見圖5所示。

5? ? ?結(jié)束語

對于改造成混合動力的船舶來說，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)濟性、維護保養(yǎng)等因素，才能設(shè)計出符合該船各項功能要求的最優(yōu)布置方案。

參考文獻

[1]黃金華.磷酸鐵鋰電池在船舶上應(yīng)用的安全分析[J].廣東造船，2022（04）.

[2]趙相澤.鋰離子電池容量與環(huán)境溫度的關(guān)系[J].電子測試，2020（11）.

[3]馮豐.電動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.船舶柴電混合動力系統(tǒng)設(shè)計應(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.