船舶锂电池舱布置和电气设备配置特点

吴志华，张孝奕，杜鹏飞，贾达宇

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

随着大气污染物排放标准日趋严格，纯电池动力船舶和锂电池作为推进动力的混合动力船舶的市场需求将越来越大。 这两类船一般都将锂电池（本文特指锂离子电池或能量型超级电容） 作为主电源或者推进电源。 锂电池单船容量高，锂电池电解液大多为有机易燃物［1］，使用过程中可能由于热失控引起火灾，同时可能释放有毒可燃性气体引起爆炸，这些情况都会威胁船舶的安全。 因此在船舶设计之初就应该重视锂电池舱（船上安装锂电池的舱室）的布置和电气设备配置问题，遵循不同船级社对于船舶锂电池舱的布置和电气设备配置的不同要求。

目前入级CCS（中国船级社）船舶的锂电池使用必须通过CCS 认证，认证内容包括锂电池单体、锂电池模块、锂电池包、锂电池系统以及电池管理系统（BMS），并且CCS 对于锂电池的布置和安装有特别要求。国外主流的船级社也都对锂电池作为主电源或推进电源时在船舶上布置和安装有具体要求，其中入级DNV（挪威船级社）的纯电池动力船舶和混合动力船舶较多。 比较CCS 和DNV 规范相关的要求， 分析这两家船级社在纯电池动力船舶和混合动力船舶锂电池舱的布置和电气设备配置要点。

1 船级符号和附加标志的要求

下面介绍CCS 和DNV 船级社对于使用锂电池作为主电源或推进电源的船级符号。

1.1 CCS 船级［2-3］

1）Battery（Power）：对于船舶正常运行过程中仅采用锂电池作为推进动力且符合《纯电池动力船舶检验指南》相关要求的船舶，经船东申请，可授予本符号。

2） Hybrid：对于装有混合动力系统且符合《混合动力船舶检验指南》相关要求的船舶，可在规定的符号后附加本标志。 （混合动力电源包含锂电池）。

CCS 船级社把纯电池动力船舶和混合动力船舶是分开来授予船级符号或附加标志， 但是明确了“混合动力船舶亦可参照本指南适用部分”，即混合动力船舶不但要符合 《混合动力船舶检验指南》要求，还要符合《纯电池动力船舶检验指南》适用部分要求。

1.2 DNV 船级［4］

1）Battery（Power）：所有采用电气储能装置（Electrical energy storage， EES），包含锂离子电池和电气化学电容，作为推进动力的船舶，可授予本符号。

2） Battery（Safety）：所有安装在一个EES 舱的EES 总容量大于等于20 kWh 且不取battery（Power）符号的船舶。

DNV 船级社Battery（Power）适用于把EES 用作推进电源的纯电池动力船舶或混合动力船舶。 Battery（Safety） 符号适用于不使用EES 作为推进电源的船舶。

需要注意：CCS 的Battery（Power）符号和Hybrid 附加标志虽然不是强制性的，但所有锂电池需要满足CCS 相关规范要求； 而DNV 的Battery（Power）和Battery（Safety）都是强制性的符号，除了EES 容量为20 kWh 以下的非纯电池动力船舶以外， 其他船舶只要使用EES 就要根据EES 的使用目的取Battery（Power）或Battery（Safety）符号。

2 锂电池舱布置

2.1 蓄电池间和锂电池舱的区别

传统燃油船舶上设置的蓄电池室和电池动力船舶上设置的锂电池舱虽然都与电池有关，但布置和设备要求差异很大。

蓄电池室是船舶上安置应急电源或应急电源用蓄电池组的专用舱室，蓄电池组采用透气型铅酸蓄电池或阀控密封型铅酸电池，总容量普遍低于20 kWh。蓄电池间的布置和配置分别只需要满足：

1）CCS《钢质海船入级规范》第4 篇2.11 或《钢质内河船舶建造规范》 第3 篇第5 章相关要求，要求涉及蓄电池的类型、蓄电池的布置和安装、蓄电池间的布置、通风、危险区域划分等方面。

2） DNV-RU-SHIP Part 4 Chapter 8 Section 2 相关要求。

锂电池舱是船上安置作为主电源或者推进电源用锂电池的舱室。 锂电池容量一般能达到MWh级别，如需要取船级符号，锂电池舱的布置和配置需要满足：

1）CCS《纯电池动力船舶检验指南》或《混合动力船舶检验指南》相关要求。 涉及锂电池的安全等级，锂电池的布置和安装，锂电池舱的布置、通风、消防、危险区域划分等方面。

2） DNV-RU-SHIP Part 6 Chapter 2 Section 1 相关要求。

船级社对于蓄电池室和锂电池舱的要求均涉及使用电池类型，电池布置和安装，电池室（舱）的布置、通风、危险区域划分等，但是具体有较大差异，如：蓄电池室是使用铅酸蓄电池而锂电池舱是使用锂电池；蓄电池间属于危险区域而锂电池舱不属于危险区域。 在防爆电气设备的配置上也有区别。 不同类型船舶上设置的上述两种电池室（舱）的布置和配置要参照相对应的规范条款。

2.2 锂电池安全等级

CCS 为了锂电池能够根据自身特点在船上安全使用，对锂电池进行安全分级。

研究发现，锂电池正极材料在热失控下是否释放氧气和释放热量多少是热失控剧烈程度的重要因素。 但释放热量的多少很难量化界定，所以正极材料在热失控下是否释放氧气是安全等级的重要评判分界［5］。

在热失控情况下释放氧气和有毒可燃气体，燃烧（爆炸）风险较高的锂电池安全等级为1；在热失控情况下仅释放有毒可燃性气体，燃烧（爆炸）风险较低的锂电池安全等级为2。 安全等级为1 的锂电池通过严格的防护可船用，安全等级为2 的锂电池通过采用安全措施可船用。

DNV 没有对船上使用的锂电池进行安全等级划分，但对于所有的EES 舱柜的布置需要进行船舶安全评估，安全评估时会要求提供危险识别、危险评估、危险控制、采取措施等方面的资料。

2.3 锂电池舱数量

1）纯电池动力船舶。 CCS 要求，船长大于15 m时，推进用锂电池进舱布置时，锂电池舱至少要设2个，每个舱锂电池总容量不能大于2000 kWh。 推进用锂电池如不进舱， 放在开敞甲板的锂电池箱中，此锂电池箱等同于锂电池舱， 也需要至少设置2个，每个总容量不能大于2000 kWh，防护等级根据安装位置确定，但至少为IP22。 锂电池舱与相邻处所之间舱壁和甲板应为“A-60”级分隔，但与无失火风险处所相邻时上述分隔可为“A-0”级。

DNV 要求，当所有主电源仅是EES 时（即纯电池动力船舶）， 主电源至少要由安装在2 个EES 舱柜的2 组EES 系统组成。 锂电池舱应由“A-0”级分隔结构包围，在与A 类机械处所、装置危险品区域相邻时应为A-60”级分隔。

2） 混合动力船舶。 CCS 和DNV 均对于混合动力船舶锂电池舱的数量没有特别要求。

单舱锂电池容量限制在2000 kWh 以内是CCS的特殊要求，也是综合考虑能量聚集和船舶对于能源的需求后确定的数值。虽然DNV 没有容量限制，但对于所有的EES 舱柜的布置需要进行船舶安装安全评估。 需要指出的是CCS 对于纯电池动力船舶也需要风险评估，要求和DNV 类似。

2.4 锂电池舱的布置位置

锂电池容量和布置位置、安装形式的关系，CCS要求见表1，DNV 要求见表2。

表1 锂电池容量和布置位置、安装形式的关系（CCS）

表2 锂电池容量和布置位置、安装形式的关系（DNV）

CCS要求锂电池只有容量大于20 kWh 才需要安装在锂电池舱或者开敞甲板上锂电池箱中； 容量小于等于20 kWh 时， 可不用设置专用的锂电池舱，安装在锂电池箱中，并布置在合适的位置即可。 锂电池舱的布置位置必须在船舶防撞舱壁以后的区域，且不应安放于起居或加速其性能恶化的处所内。

DNV 对于EES 容量大于等于20 kWh 或取Battery（Power）符号的船舶必须配置EES 舱柜，要求EES 舱柜必须布置在船舶防撞舱壁以后的区域且EES 舱柜边界应该由部分船体结构或者相等结构等级的围壁构成。 对于EES 容量小于20 kWh 且不取Battery（Power）符号船舶，EES 的布置没有特别要求，但是和取Battery 符号的船舶一样也需要对EES参照DNV-RU-SHIP Part 6 Chapter 2 Section 1.2.5要求进行船舶安装安全评估， 即EES space 的布置要确保乘客、船员以及船舶的安全。

船级社对于大于20 kWh 的锂电池要求安装在锂电池舱中且布置在防撞舱壁后面是从安全角度考虑的，电池容量是从船舶的重要性和发热失控后的危害程度等多方面综合评估的数值。

以上布置要求只是从锂电池安全性角度出发的基本要求，锂电池舱的布置位置还需要考虑电池重量对船舶结构和稳性的影响。

2.5 锂电池舱内布置

在锂电池舱中，锂电池以模块形式进行布置。

CCS 对于锂电池模块基本配置要求见表3，分为锂电池箱和超级电容箱。

表3 锂电池模块基本配置要求（CCS）

锂电池箱只有满足表3 要求才能安装在锂电池舱内。 安全等级为1 的锂电池包必须安装在锂电池箱中， 以锂电池箱的形式安装在锂电池舱内，防护等级不小于IP67。 安全等级为2 的锂电池包，只有锂电池舱水平投影面积不超过1 m2或安装在托架上才能安装在锂电池舱内。

从通风散热和避免碰撞考虑，安装在锂电池舱中锂电池箱（包）的布置要满足表4 布置要求。

表4 锂电池舱中锂电池箱（包）的布置要求（CCS）

DNV 船级社对于EES 舱柜的布置没有明确的要求，设计时可以参考CCS 要求。

3 锂电池舱电气设备配置

3.1 危险区域划分和电气设备防爆要求

CCS 和DVN 对于锂电池舱的危险区域划分有不同要求。 锂电池舱的危险区域划分和电气设备防爆要求见表5。

表5 CCS 和DNV 锂电池舱的危险区域划分和电气设备防爆要求

由于锂电池仅在热失控情况下释放有毒可燃气体，在正常工作时不释放可燃气体，所以CCS 对纯电池动力船舶锂电池舱不划分为危险区域。 但用于纯电池动力船舶的锂电池必须提供风险评估报告，进行安全等级判断，使用不同安全等级锂电池时，根据表6 配置相应的消防灭火系统。

表6 锂电池舱的消防灭火系统配置要求（CCS）

CCS 对混合动力船舶如果仅使用锂电池作为推进电源，则其锂电池舱可以按照纯电池动力船舶相关要求去配置，不需要划分为危险区域。

DNV 对于纯电池动力船舶和混合动力船舶锂电池舱危险区域划分要求是相同的，EES 舱柜不属于危险区域，但EES 舱柜顶部安装的电气设备需要按照危险区域zone 2 标准满足相应防爆等级。 距离进出风口1.5 m 范围内的露天区域划分为zone 2 危险区域延伸区域，在这些区域布置电气设备要注意相应的防爆要求。

对于锂电池舱在危险区域划分和防爆设备要求，两家船级社区别较大。 目前入级CCS 的船舶以使用安全等级为2 的磷酸铁锂为主， 而入级DNV船舶使用比较多的是安全等级为1 的三元锂电池。

3.2 传感器的配置

CCS 和DNV 均要求安装传感器， 但DNV 的要求较高，安装在EES 舱柜顶部的传感器均为防爆型。

1）温度传感器。锂电池舱内和蓄电池箱内需要在合适的位置配置独立于电池系统的温度传感器，分别探测蓄电池舱内和蓄电池箱内的温度，并在温度过高时在有人控制处所发出声光报警。

2）可燃气体探测传感器。需要在通风系统的出口处安装独立的可燃气体探测传感器，并在可燃气体含量达到相应值时触发报警并启动驱气风机，排除舱内或蓄电池箱内的可燃气体，保证锂电池舱的安全。

3）火灾探测传感器。需要在锂电池舱内合适位置安装感烟探测传感器并满足FSS 规则相关要求。

3.3 消防灭火系统配置

消防灭火系统是对锂电池舱安全保护很重要的系统，CCS 和DVN 对于锂电池舱的消防灭火系统有不同要求，CCS 要求见表6，DNV 要求见表7。

表7 锂电池舱的消防灭火系统配置要求（DNV）

CCS把固定式灭火系统分为七氟丙烷、 二氧化碳、压力水雾3 种类型，手提式灭火器分为七氟丙烷、二氧化碳2 种类型，并按照锂电池舱的不同安全等级进行不同配置。

DNV把固定式灭火系统分为了水基、气基2 种类型，并在满足相关IMO 和FSS 规则要求基础上按表7 要求配置。

3.4 其他电气设备配置

CCS 和DNV 均要求锂电池舱内不安装与电池系统无关的电气设备，即除了照明设备、报警设备、温度探测设备、火灾探测设备、气体探测设备、通风设备、消防设备等必要电气设备外，尽量不安装其他电气设备。 如必须安装，DNV 要求配置防爆型设备。

热源设备和其他高失火风险物品也不应安装在锂电池舱中。

4 设计案例

某入CCS 船级的纯电池推进船舶总长48 m、型宽9 m、排水量560 t、船员10 人， 电池种类为磷酸铁锂，电池容量4000 kWh，续航力80 km。总布置如图1 所示，船级符号如下：

图1 总布置示意图

★CSAD Passenger Ferry；Service Area A；In-Water Survey；Battery（Power）；

★CSMD Electrical Propulsion System

电池舱布置和电气设备配置如图2 所示，说明如下：

图2 锂电池舱电气设备布置图

1）该船船长大于15 m，所以推进用蓄电池布置在2 个专用舱内，位于配电板间/集控室的前后主体内区域。

2） 电池总容量为4000 kWh，每个电池舱安装的电池组容量为2000 kWh。

3） 使用磷酸铁锂电池，安全等级为2，所以需要设置应急排风机，风机至少为无火花型，且需要设独立的可燃气体探测传感器。 当探测到蓄电池箱（柜）内可燃气体含量大于其爆炸下限（体积分数）的20%时，可在驾驶室发出报警，同时启动应急排气系统。风机防爆类型为Ex d 型隔爆型可代替无火花型使用。

4） 在每个电池舱内设2 个独立的温度监测装置，接入监测报警系统，一旦电池舱的温度过高，就会在监测报警系统中发出警报，并发出声光信号。

5） 在电池舱中央顶部安装2 个感烟探测器，两边门口安装手动报警按钮。

6） 设有七氟丙烷灭火系统，配置释放声光报警器，用于释放提醒。

7） 电池舱中还配有广播扬声器、通用报警铃、照明开关灯具、自动电话、滑动式自动水密门等必要电气设备。 所有电气设备防护等级不小于IP44。

5 结语

从电气设计的角度出发，比较了CCS 和DNV 船级社对于锂电池舱在布置和电气设备配置方面的要求，在蓄电池容量限制、舱内蓄电池箱布置和配置、危险区域划分等方面有较大区别，在传感器的配置、其他电气设备的配置等方面要求类似。 锂电池作为船舶动力源是近年来的热点， 各船级社规范在这方面的条款也是根据最新的研究成果不断更新的，希望本文的介绍能供电气设计人员参考借鉴。