锂电池冷藏集装箱的技术指标与发展趋势研究

陈君璐

（厦门安防科技职业学院，福建 厦门 361102）

1 新能源冷藏集装箱的发展趋势

传统的冷藏集装箱的基本类型按使用功能分为隔热式、自冷式和冷热式三类。隔热式集装箱设有隔热层的箱体，不设制冷机组，这类箱子在一端有风口，可外接冷风，故又称通风式；自冷式集装箱本身带有制冷机组，其制冷机组又有机械式（固定机组式或挂装机组式）和非机械式之分，机械式制冷机组多为R12、R22、R502或R134a等氟利昂制冷机，非机械式制冷机组利用液氮液态二氧化碳等制冷；冷热式集装箱类同于机械式，它除了能向集装箱供冷之外，必要时还能对箱体加热，提高并保持箱内一定的温度。

随着科学技术的不断进步，传统高能耗、高污染、高成本的冷藏集装箱已经不适应时代的发展需求。2020年5月30日由我国自主研制的锂电池冷藏集装箱正式投入使用。这个搭载锂电池的45 ft冷藏集装箱由上海杨浦站驶出，箱内温度稳定保持在-18 ℃，历时4天安全抵达四川成都，箱内搭载的25 t进口冻肉品质完好。经过成本核算，运输全程共耗电为164.7 kW·h，实际电费为130.1元，如果使用传统的柴油发电机冷藏集装箱电费将达到1 200元，由此可见，锂电池冷藏集装箱的耗电成本仅为柴油发电机冷藏集装箱的1/10，运营成本大幅度下降。锂电池冷藏集装箱搭载的大功率纯电动变频制冷机组，实现了制冷速度快、保温性能好等优势，实现了无人值守和全程监控，进一步提升了运输可靠性，也证明了锂电池是新能源冷藏集装箱的发展趋势。

2 冷藏集装箱的性能要求

伴随着人们追求高品质生鲜农产品的需求，冷链运输应运而生，作为冷链运输的载体，冷藏集装箱的设计、制造和使用应满足其预定的作业工况和使用环境条件，这就要求冷链运输集装箱必须具备高效隔热性、节能经济性、实时监控性和高度适应性。

2.1 高效隔热性

在冷链运输过程中，途经的不同地域受到季节、纬度等因素影响，冷藏集装箱的外部环境复杂多变，湿度和温度的变化较大，这就对集装箱的隔热性提出了较高的要求。要想具备高效隔热性就要求箱体6面均为高强度、高密封性的隔热板，箱门必须设置双层密封胶条，而且箱顶面板必须为一体成型的无缝隔热板，这样可以有效防止雨水或者海水渗进隔热层进入箱体，实现冷藏集装箱的水密性和气密性，防止集装箱内部出现潮湿的现象，避免温度发生改变，使货物品质与状态能够长时间稳定。

2.2 节能经济性

冷藏集装箱的节能经济性就是实现箱内精细化温控，它涉及到温度控制、货物预冷、合理装箱等多个方面，每个环节都与提高运输效益、降低营运成本有着本质的联系。冷藏集装箱良好的温度控制系统可以维持温度的恒定，减少温度变化造成的能源消耗；货物装箱前进行“预冷”处理至所需的特定温度，可以使冷藏集装箱快速降温，降低存储成本，延长商品的货架期，提高运输效益；通过使用托盘，可以确保装箱稳固、货物与箱壁之间不留缝隙，让冷空气在装载货物周围自由均匀地流动，使货物维持稳定的温度和湿度，降低营运成本。

2.3 实时监控性

为减少人工抄录的繁琐工作与数据采集误差，很多企业都推出了冷藏箱数据监控系统，如上海舶云的HD-RFMS冷藏箱数据采集监控系统、香港国际货柜码头的远程冷藏货柜监控系统等。利用冷藏箱内置主板的串行接口，通过协议和软件实现冷藏箱主板与外部用户终端信息交互，采集到的数据包括冷藏箱箱号、设定温度、供风温度、回风温度、电压、电流、湿度、运行状态、故障信息等，实时获取冷藏箱内部运行状态数据。工作人员只需动动手指，就能通过检测平台对冷藏箱的开关门状态、电瓶压力、油箱油位、箱内温度、湿度进行实时监控，旨在为冷藏集装箱提供全天候的自动化远程管理服务，减少货损货差，提高冷藏集装箱运输的操作效率和作业安全，提升运输可靠性。

2.4 高度适应性

在国际联运模式下，冷藏集装箱需要具备高度适应性，以多式联运相关操作标准为基准，设计便于装箱、堆放、吊装和转运的标准化多式联运冷藏集装箱，同时满足多种运输方式的衔接要求。

3 锂电池冷藏集装箱的技术指标

通过查阅冷藏集装箱现有的国际、国内标准，结合冷藏集装箱的运用条件和冷链货物的运输要求，新型锂电池冷藏集装箱搭载的大功率纯电动变频制冷机组，制冷效率高、资源能耗低、控温性能好。同时，锂电池冷藏集装箱采用信息化技术，可以实现对运输全程实施远程监控，提升了冷链运输的可靠性。

主要技术指标。箱体技术指标，常见的冷藏集装箱箱体的制造材料有钢制、铝合金、玻璃钢等等，其中，钢制集装箱优点是强度大，结构牢，焊接性高，水密性好，价格低廉；缺点是重量大、防腐性差。铝合金集装箱优点是重量轻、外表美观、防腐蚀、弹性好、加工方便以及加工费修理费低、使用年限长；缺点是造价高、焊接性能差；玻璃钢集装箱优点是强度大、刚性好、内容积大、隔热、防腐、耐化学性好、易清扫、修理简便；缺点是重量大、易老化、拧螺栓处强度降低。

制造冷藏集装箱材质的选用要综合考虑制造成本和运输实际，但无论采用哪一种材质都要求箱体具备隔热性和水密性。隔热性和水密性是冷藏运输装备运输能耗和保温性能最重要的技术指标，根据ISO 1496-2：2018 （E）《系列1：集装箱的技术要求和试验方法 保温集装箱》技术文件要求，冷藏集装箱的隔热性应采用最大漏热率小于42 W/K的指标，在水密性指标方面，漏气量应不大于5 m3/h。

锂电池技术指标，锂电池是冷藏集装箱的动力部分，通过箱载主控系统实现对箱内温度的调节和制冷主机、电池系统运行状态的监控，因此对锂电池的持续适航、消防安全和机械通风提出了很高的技术要求。

持续适航。锂电池作为运输过程中的为制冷机组提供电力的重要设备，其续航能力将直接影响到货物运输品质和运输成本的经济性。货物运输全过程包括了装箱时间、在途时间、转运时间、卸货时间和堆存时间，以厦门——上海铁路运输在途时间3 d为例，采用20 ft箱和40 ft箱为标准，在达到制冷量温度的条件下，经过计算锂电池冷藏集装箱的变频制冷机功率分别为4 kW和8 kW，电能需求分别为200 kW·h和282 kW·h，在电池只容许放出总电量的90%的前提下，锂电池的续航时间应不少于6 d，即锂电池的续航时间应不少在途时间的2倍。

消防安全。锂电池系统是冷藏集装箱的主要动力部分，通过驱动纯电动变频制冷机，实现对集装箱温度的调节，同时箱载主系统能实时监控电池系统和箱体在使用过程中的工作状态。锂是一种特别容易发生反应的金属，外观呈银白色，非常柔软、可伸展，且易燃，金属锂属于遇水释放易燃气体的物质，短路、过度充电、极限温度、错误操作或其他错误情况下都能着火。为保障锂电池的运行安全，锂电池舱中用于固定电池单体或电池组的电池架，以及与锂电池舱接触的所有面应为不可燃烧的金属结构；锂电池舱内若采用保温、铺地和装饰等材料时，其燃烧性能等级应为A级（即不燃材料）；在隔墙上有管线穿过时，应使用以阻燃材料制成的贯穿件或具有阻燃性能的密封剂封堵孔隙，以保证隔墙的耐火完整性不被破坏；若锂电池舱设有空调系统或机械通风装置时，通风管道、风口及阀门等组件应采用不燃材料制作，以防止火势通过通风管道蔓延，确保锂电池的运行安全。

机械通风。锂电池舱应设有无火花型机械通风装置，以避免电池组周围环境温度过高影响电池工作安全，以及将锂电池热失控或热扩散情况下产生的可燃气体及时排出，以避免锂电池舱内形成爆炸性气体环境。这就要求当电池管理系统监测的电池温度高于设定值，会自动启动机械通风装置；当锂电池舱内设置的可燃气体探测器探测到可燃气体浓度大于其爆炸下限（体积分数）的20%时，亦应自动启动机械通风装置，该紧急情况下，通风量应不小于10次/h的换气次数。

4 锂电池冷藏集装箱技术发展趋势

2021年12月，中国船级社（CCS）《锂电池冷藏集装箱应用技术研究》项目通过评审。专家一致认为该项目研究目标明确，技术路线正确，紧密贴合我国冷藏集装箱向新能源动力转型的发展需求。

随着锂电池在新能源领域的推广，以锂电池作为动力应用的冷藏集装箱逐渐开始在公路和铁路上试点应用。为更好地满足行业对锂电池冷藏集装箱的发展需求，中国船级社武汉规范研究所立项开展了电池冷藏集装箱应用技术研究，制定了《锂电池冷藏集装箱检验指南》，并于2022年4月1日起正式生效。

《锂电池冷藏集装箱检验指南》围绕锂电池的工作特性和安全保护措施，系统性地对锂电池系统、电池管理系统、通风系统、消防系统等提出了安全技术要求，例如：锂电池冷藏集装箱的设计、制造和使用应满足其预定的作业工况和使用环境条件；与锂电池舱相连的锂电池冷藏集装箱的箱底和框架等结构应进行有效加强，以承受锂电池舱自重（包括锂电池系统及附属设备等）产生的载荷影响；锂电池冷藏集装箱配备的接地装置、消防系统、通风系统和制冷机组等附件应系固可靠或安装牢固；锂电池舱的布置应满足锂电池系统及相关电气装置的防火、防爆和通风要求；锂电池舱应能满足锂电池冷藏集装箱装卸和运输期间的相应防护要求，以及CCS《集装箱检验规范》7.3.3节的风雨密试验要求；锂电池舱顶部宜设置泄压设施，泄压设施可采用轻质屋面板、轻质墙体或易于泄压的门、窗等结构；电池组须牢固地连接在锂电池冷藏集装箱的内部结构中，以防止锂电池冷藏集装箱在意外冲击、装卸、运输等过程中发生振动时，电池组发生短路、意外操作或显著位移；锂电池系统的布置应满足锂电池的防火、防爆和通风的要求，锂电池的温升应使得其最高温度不超过制造商的限定值等，确保锂电池冷藏集装箱的发展有实验参照的依据，为锂电池冷藏集装箱的发展提供了技术指标，指明了方向。

锂电池是冷藏集装箱的核心部件，以目前的运行情况看，锂电池集装箱只适用于不超过7 d的国内运输，如果要实现锂电池冷藏集装箱全面替代传统海运集装箱和机械集装箱，就必须不断完善锂电池的核心技术，实现续航性和安全性的进一步提升，如完善电芯安全部件和单体电芯导电片，防止电池过充；完善铜铝复合极柱，避免极柱上段与极柱下段的结合面开裂甚至断开，保证电池之间连接的一致性、可靠性；完善极片辊压拉伸技术，消除带材的打皱，提高带材的平整性；提高极片压实密度；完善三元体系低阻抗产品的电解液技术，使电池具有良好的存储寿命，并同时降低电池阻抗；完善电池组热管理技术，提高冷却效率并实现加热；完善电池模组的组装工艺技术，提高电池模组的抗震稳定性和电连接性，使电池的热量快速散发，从而提高电池模组的安全性和可靠性；完善动力电池组的剩余容量的计算方法，降低动力电池组的剩余容量的计算中的误差等，确保锂电池满足电池荷电状态估算精度要求、绝缘性能要求、电气适应性能要求、环境适应性能要求和电磁兼容性能要求。

5 总结

随着全球能源消耗的不断扩张，造成环境污染的日趋严重，面对逐年递增的冷链运输需求，制冷速度快、保温性能好、能源消耗少、信息化程度高的锂电池冷藏集装箱的出现，将极大地降低环境污染，提高经济效益。未来要根据《锂电池冷藏集装箱检验指南》要求，不断完善锂电池的续航性和安全性，进一步扩大锂电池冷藏集装箱在远洋、铁路运输的比例，搭建多式联运冷藏运输网络，提高锂电池冷藏集装箱的使用效率，在实践中验证锂电池冷藏集装箱的可靠性和冷冻冷藏类货物的腐损率，全面促进冷藏运输行业又快又好地发展，为冷链物流全面转型升级提供坚实的支撑。