基于事故树法的船舶动力电池充换电安全分析*

张文芬 严新平

(1.武汉纺织大学管理学院 武汉 430200；2.武汉理工大学智能交通系统研究中心 武汉 430063)

0 引 言

中国90%以上船舶为柴油机动力船舶，随着中国水运需求快速增长，环境污染、能源消耗问题日益突出，绿色船舶已成为未来船舶主要发展方向。电池动力船舶具有运营成本低、能源节约，噪声低，无油污水污染等优点。绿色船舶制造技术的创新与升级、动力锂电池技术的成熟与推广为电池动力船舶应用和普及提供了良好的技术支撑和发展契机。

欧洲电动驳船已经开始批量投放[1]，中国电池动力船也正成为一项具备战略性的新兴产业，在内河渡轮、游船、集装箱船、货船等应用广泛，但随之而来的安全问题不容忽视。2013—2016年南京、北京、扬州、合肥等地相继发生10多起电动游船火灾爆炸事故，造成了严重的人员伤亡、财产损失、坏境破坏。

船舶航距远，载重量大，能量需求大，而船舶搭载电池容量有限，续航能力有限，航行途中主要通过电池充换电实现能量补给，涉及充电、换电、装卸、运输等环节，存在诸多安全隐患，安全事故频繁发生。因此电池动力船舶充换电安全性值得深入研究，国内外专家和学者在动力电池安全性、电池充换电安全、新能源船舶安全方面开展了相关研究。

国内外关于动力电池安全性研究，主要集中在电池充电安全、火灾危险性、电池老化等方面，多采用实验测试、数值模拟、事故树模型等研究方法。卢兰光等[2]对锂离子电池性能进行测试研究，确定影响其性能的主要因素及变化规律。Rezvanizaniani 等[3]研究了电池老化过程、影响因素和衡量参数，提出了电池预测和安全管理技术，包括电池SOC评估和SOH预测技术，用来监测电动汽车运行安全。Lisbona[4]针对不同的电池火灾类型，提出了火灾风险控制措施和火灾扑救策略。杜珺等[5]编制了锂电池航空运输火灾事故树，通过事故树分析软件对其进行定性分析，并结合三角模糊数原理，解决事故树分析方法不能确定事件精确发生概率的问题。Soares等[6]从电池动力系统应用生命周期，对锂电池动力装置风险进行分析，并详细列出各种情形下的危险事故、危险状态、风险概率、风险程度、风险控制措施。事故树法广泛应用在危险货物运输、纯电动车的运输安全研究中[7-8]。

关于电池充换电安全研究，以电动汽车领域研究为主。贺春等[9]通过对安全模型的研究和事故链的梳理，建立电动汽车充电安全模型，并提出相应的安全措施。Zaghib等[10]分析了充电电压、容量、温度与电池寿命间的作用关系。何向明、欧阳明高[11-12]等总结动力电池充电安全、电池损坏等安全问题，并揭示电池安全事故的产生机理。

关于新能源船舶安全，严新平[13]对新能源在船舶上的应用进行展望；周唯等[14]提出了溢油回收船动力系统安全节能设计方案；聂细亮等[15]从安全操作、安全建模、安全管理等方面对LNG船舶运输安全进行综述；李峰等[16]等运用数值模拟研究了燃料电池船舶氢气泄露、爆炸对船舶安全带来了威胁；王星昱[17]从设计的角度研究岸电系统的安全与保护装置，李晓光等[18]研究船舶岸电的安全连接。

中国乃至全球缺乏针对电池动力船舶的安全管理制度和规定，充换电是电池动力船舶运营的关键环节，现有关于电池动力船舶安全研究多集中在电力推进系统状态评估[19]和故障分析，关于船舶充换电安全文献十分匮乏，对船舶动力电池充换电安全展开研究显得尤为重要。

动力电池安全性是社会关注的焦点，也是电动船推广应用关键所在。本文首先分析船舶动力电池充换电模式和流程，总结火灾爆炸、电池损坏2类主要安全事故发生机理，构建事故树模型，再采用布尔代数法、结构重要度公式、Trilith事故树分析软件，结合湖州500 t电动货船实例，对电池动力船舶充换电安全性事故进行系统分析，最后从技术、管理层面提出船舶动力电池充换电安全管控措施。

1 船舶动力电池充换电模式与安全事故

合理充换电是保证动力电池船舶正常运营的前提，为满足多样化的充电需求，船舶充换电有交流慢充、直流快充和更换电池3种模式。

1)交流慢充。目前最常见的船舶充电方式，在岸边布设充电桩，当船舶靠港时，用充电电缆把船舶电池接入电网，采用恒压恒流式充电, 充电电流相对较低。

2)直流快充。直流快充是以高强电流短时间为电池充电，多是应急状况下或有时效要求情况下采用，广州瑞华内河航运船电池容量2 400 kWh。但直流快充对电池性能要求较高，且大电流充电会致使电池过热，缩短电池使用寿命。

3)更换电池。更换电池是指船舶航行至换电站，利用港口装卸设备将低电电池箱卸下，满电电池箱更换至船。按照充电站的位置，更换电池模式可细分为岸边充电、集中充电(充电站)2种方式。岸边充电是指充电站建设在该换电站内或附近岸边，充电在换电站内或附近完成，通过正面吊或者叉车即可完成低电和满电电池箱运输作业。集中充电是一个充电站覆盖若干换电站，通常充电站建设在港口内陆地区，将多个换电站电池集中起来充电，完成充电后统一配送。满电电池箱提前运送至换电站，低电电池箱卸下后运送至充电站充电，通过集装箱汽车将电池箱运送至充电站，正面吊、叉车等辅助设备进行集装箱的堆叠和运输作业。

综上，电池动力船舶充换电共包括电池充电、电池装卸船、电池车辆装载、电池运输(汽车和船舶运输)和储存5个操作环节。

电池动力船舶多以磷酸铁锂电池为动力源，生产储存或运输途中的各种因素如短路、高温、跌落、撞击、挤压、包装破损、受潮、电池鼓胀、设计缺陷等均有可能导致锂电池发生安全事故。

据统计，70%以上安全事故是发生在电池充换电过程中，如火灾事故、电池损坏等，事故危害性大。其中充电和储存过程易发生火灾事故；装卸和运输过程，由于电池没有接入电路中，多以电池损坏事故为主。

1)电池火灾爆炸事故。导致船舶动力电池发生火灾爆炸事故的直接原因有：①外部热源。电池持续吸收环境中的热量而温度升高，会发生热失控，并释放出大量可燃气体，遇明火发生燃烧、爆炸。②电池短路。磷酸铁锂电池在短路条件下，电路中电流较大，会长时间持续放热，从而发生电池爆炸、自燃。 ③电池过充。过度充电或BMS系统故障时，锂电池内部热量积累，产生大量热量、气体，会引起电池的温度、压力急剧增加，从而导致火灾爆炸事故。

2)电池损坏事故。电池充换电过程中，与其他交通工具、辅助设施接触频繁，容易出现电池损坏状况，如：电池受机械冲击变形、挤压、针刺、破损等，且电池过充、过放均对会电池造成损坏。一

般符合国家标准的磷酸铁锂电池，由于电解质中添加了阻燃剂，不考虑电池内部隔膜挤压破裂引起的短路火灾事故。

2 船舶动力电池充换电安全事故树

由于电池动力船舶尚未推广普及，目前有关电池动力船舶运营的安全统计数据缺乏，无法采用神经网络、灰色预测、支持向量机模型等基于数据的方法进行安全评价，本研究选用事故树模型，对历史统计数据依赖程度低，并结合电池动力船舶事故机理特性，探究和梳理了船舶电池充换电过程的安全事故，并运用采用布尔代数法定量测算出船舶动力电池充换电安全事故发生的概率。

在充换电安全事故分析的基础上，进一步探析事故诱因，包括电池质量问题(原材料质量缺陷，设计缺陷、工艺缺陷等)、(错误充放电、碰撞、外部短路、高温使用等)、恶劣环境(高温、潮湿、颠簸)等。从船舶充换电流程视角，查找并识别各环节引发安全事故的事件[20]，并分析事件间的逻辑关系，进一步细化研究事件发生的影响因素，分别建立电池损坏事故树和电池火灾事故树如图1和图2所示。

充换电电池安全事故事件树模型中各事件编号和描述如表1所示。

图2 船舶充换电电池火灾事故树模型Fig.2 Battery fire accident tree model for ship charging

表1 参数描述Tab.1 Parameter Description

3 电池动力船舶充换电安全分析

3.1 最小割集

在事件树模型中，顶事件是研究对象事件，最小割集就是顶事件发生的一种可能途径。基于船舶动力电池充换电安全事故树模型，应用安全系统工程理论，列出逻辑关系式，求出最小割集，找出引发船舶充换电安全事故的可能路径，以电池损坏事故为例，用布尔代数法求电池损坏事故的最小割集。

顶事件电池损坏事故T1

T1=A1+A2

=(A3+X3+X4+X5)+(A4+A5+A6)

=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+

X9+X10

(1)

即船舶充换电电池损坏事故的最小割集有{X1}，{X2}，{X3}，{X4},…,{X10}共10组。同理，对于船舶充换电火灾事故T2

T2=A7+A8

=(A9+A10+A3+A11)+(A12+X18)

=X3+X4+X11+X12+X13+X1+X2+

X14+X15X16+X17X16+X18

(2)

船舶充换电电池火灾事故最小割集有11组:

{X1}，{X2}，{X3}，{X4},{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15X16}，{X17X16}，{X18}。

3.2 基本事件结构重要度

结构重要度反映基本事件在事故树中的重要性，即影响程度。故障树一旦建立,各事件间的逻辑关系就确定了,不考虑基本事件发生概率，只与故障树的结构有关，基本事件结构重要度的计算公式如下。

由于底事件xi(i=1,2，…,n)的状态取0或1，当xi处于某一状态时，其余n-1个底事件组合系统状态为2n-1，因此，底事件xi的结构重要度定义为

(3)

式中：n为底事件个数。

∑φ(1ix)=(x1，x2，…,xi-1,1i,xi+1,…,xn)，即第i个底事件为1。

∑φ(0ix)=(x1，x2，…,xi-1,1i,xi+1,…,xn)，即第i个底事件为0。

该定义中，∑φ(1ix)表示底事件xi和顶事件同时发生的状态组合数目，即xi=1；φ(x)=1;∑φ(0ix)表示底事件xi不发生而顶事件发生的状态组合数目，即xi=0；φ(x)=1。两者相减则代表了底事件xi发生则顶事件发生、且底事件xi不发生顶事件也不发生的情况。

船舶充换电电池损坏事故树基本事件个数n=10，各基本事件的结构重要度为

29+1)=0.001 95

(4)

船舶充换电电池火灾事故树基本事件个数n=12，各基本事件的结构重要度为

Iφ(1) =Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(11)=Iφ(12)

(5)

(6)

(7)

3.3 顶事件发生概率

顶事件发生的概率也是系统失效概率，在数值上等于最小割集发生的概率和除去重复计算的部分。

设某事故树有k个最小并集：E1，E2，…,Ek顶上事件的发生概率等于k个最小并集发生概率的代数和，减去k个最小并集两两组合概率积的代数和，加上三三组合概率积的代数和，直到加上(-1)k-1乘以k个最小割集全部组合在一起的概率积。计算见式(8)。

(8)

式中：I为基本事件的序数；qi为基本事件的发生概率；xi∈Kj为第i个基本事件属于第j个最小割集；j，s为最小割集的序数；k为最小割集的个数；xi∈Kj∪Ks为第i个基本事件或属于第j个最小并集，或属于第s个最小并集；1≤j

在计算顶事件发生概率前需确定各基本事件发生概率，依据事件发生可能程度，可将事件发生概率分为7个等级，如表2所示。

表2 概率等级表Tab.2 Probability level table

以湖州500 t级的电池动力货船为例，对船舶充换电过程中的可能出现的18个基本事件进行概率统计，采用问卷调查法，调查对象为湖州电动货船的船长、船员、港航管理人员等15人，得到船舶充换电安全事故树模型中18个基本事件发生概率如表3所示。

利用事故树分析软件Trilith，将基本事件发生概率值，输入事故树模型，计算顶事件电池损坏发生的概率为0.022 27，用Trilith软件计算界面如图3；电池火灾发生的概率为0.024 02,用Trilith软件计算界面如图4所示，火灾发生概率略高于电池损坏概率。

本案例中，电池损坏、火灾事故发生的概率分别为2.22%，2.24%与同领域其他研究结果基本一致。查阅相关文献，均指出动力电池安全事故发生的概率范围为2%～8%。文献[21]依据电动汽车充电站的统计数据得到电池充电安全故障率为8%，文献[22]中指出电动汽车充换电故障率为3.7%～5.8%；文献[5]求得锂电池火灾事故发生的概率为2.3%，因此，本研究所提出的电池充换电安全评估失电的方法基本合理有效。

表3 基本事件发生概率表Tab.3 Basic Event Probability Table

4 研究结论与对策建议

目前关于电动船舶安全性研究的文献十分匮乏，船舶电池充换电安全的研究几乎处于空白，笔者运用事故树对船舶充换电安全进行研究，主要结论如下。

1)导致船舶动力电池充换电安全事故的可能路径有21条，任何一条路径发生，安全事故就会出现，且大多数最小割集是一个基本事件，如高温、起吊设备故障、连锁问题等单独事件发生均会引发安全事故，必须有效控制好每个导致充换电安全事故的基本因素。

图3 电池损坏事故发生概率Fig.3 Probability of Battery Damage Accident

图4 充换电火灾事故发生概率Fig.4 Probability of ship charging

2)在电池损坏事故树模型中，10个基本事件结构重要度相同，均为0.001 95，可见各基本事件对电池损坏事故的影响程度相当；在火灾爆炸事件中，基本事件可燃气体、导体静电、摩擦静电的结构重要度较高，分别为0.000 98,0.000 49,0.000 49，对引发火灾事故的影响突出，其他基本事件结构重要度差异性不明显。火灾事故中基本事件结构重要度要高于电池损坏事故。

3)研究显示，高温、过充、联锁问题等基本事件，发生概率较高，也是引发安全事故的主要原因。尽管单个基本事件发生概率低，但由于造成事故的可能路径较多，电池损坏、火灾爆炸顶事件的发生概率相对较高，分别为0.022 27，0.024 02，属于容易发生的事故级别，火灾发生概率略高于电池损坏概率。

以上研究结果表明，必须制定合理有效的安全管理措施来规避船舶充换电风险，主要措施如下。

1)建立岸电安全联锁系统。不同于陆地充电，由于海水导电并存在电阻，船体的 “地” 和岸电的 “地” 因传导电阻造成电位差。安全联锁系统具备安全联锁功能，还可应急切断，可避免由于电位等位连接没建立或岸电电源没接通就闭合断路器而引起的供电设备烧毁事故。

2)消除和减少静电的产生，绝缘材料监测保护。应用防爆叉车、手推车，叉车在工作中可能发生摩擦、碰撞，将运输装卸工具与电池接触的地方涂上黄铜，能防止产生和聚积静电；充电设施绝缘材料性能是影响充电安全的重要因素，开展寿命测试，可起到安全预防的作用。

3)减少人为差错，避免滥充电现象。随着现代科技不断发展，船舶本身安全性能将得到很大提高，而人的主管能动性发挥空间越来越大。提升管理人员与操作人员素质，提升安全保护意识，避免高温、高湿、高压等恶劣环境充电，规范充换电操作十分重要。

5 结束语

充换电是电池动力船舶运营的关键环节，充换电安全是船舶运行最基本的要求，笔者研究了船舶充电安全分析模型和方法，并从安全事故倒查安全隐患，反向推动电池动力船舶安全性能不断提升，为新能源船舶健康发展提供参考。随着大功率充电、无线充电、群充电等新技术的不断发展和进步，安全要素也在不断变化，因此充电安全问题的研究是一项长期工作，下阶段将在新风险因素的提取、融合、量化评估方面进行深入研究。