船用锂电池安全防控策略及标准体系

近年来，随着离子锂电池技术日趋成熟，其应用范围也越来越广泛。在这种背下，锂离子电池在船舶上的应用也在不断提速。那么，当下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：钴酸锂电池、三元锂电池（镍钴锰）、锰酸锂电池、磷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。钴酸锂热失控起始温度低，释放热量多，磷酸铁锂电池的热稳定性是最佳的。从安全性能方面考虑，锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池和钛酸锂电池成为动力电池重点考虑对象。但锰酸锂电池与钛酸锂电池的能量密度限制了其在动力电池中的应用。

三元锂电池由于正极材料特性，在使用过程中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，且会释放可燃有毒气体的同时释放大量氧气，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10月10日，挪威渡船公司Norled旗下“MFYtteroyningen”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，并于2018年改建为柴电混合动力渡船，配备了加拿大公司CorvusEnergy提供的容量为1989kWh的CorvusOrca储能系统。在事故发生后，船舶回到港口当天晚间，船上锂电池所在的地方（甲板下方的相关区域）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。这是一起典型的三元锂电池灭火后二次复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，持续释放可燃气体和氧气，积累到一定量后，随着温度的持续增高，再次复燃爆炸。

而磷酸铁锂电池中的正极材料磷酸铁锂高温稳定，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。

锂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；锂离子电池热失控的预防和监控；锂离子电池船上布置；锂离子电池灭火有效措施；电池系统与船舶管理系统的协调。针对以上问题本文提出了蓄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患，正常使用可能释放有毒、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。在热失控情况下释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1；在热失控情况下仅释放有毒可燃气体，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1安全分级一览表

安全等级为1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复燃的可能性也较大，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靠，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）和蓄电池舱室层层防护，将锂电池的事故发生率降到最低。

图1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，此处不单独释义。

纯电池动力船舶规范标准体系

21世纪初，随着大容量蓄电池的出现，并在陆上蓬勃发展，引起了各大船级社的重视，船用蓄电池只用铅酸电池或碱性镍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舶规范标准，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，《钢质内河船舶建造规范》（2016）将磷酸铁锂电池的技术要求纳入。2019年，《内河小型船舶检验技术规则》2019修改通报将磷酸铁锂电池的技术要求纳入；同年，《混合动力船舶检验指南》（2019）和《纯电池动力船舶检验指南》（2019）相继对外发布。相对于国外船用锂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，有针对性地解决了不同锂离子电池船用安全防控问题。2020年，《内河船舶法定检验技术规则》（2020）将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推出了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/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)锂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。