某常规动力船改造成混合动力船的电池舱布置设计

龙红刚 张俊江

摘    要：本文以某常规动力远洋运输船改造成混合动力船为例，较为详细地介绍了影响电池性能的各种因素及电池舱布置要求，结合ABS船级社关于锂电池使用相关规范，对该船改造成混合动力船的电池舱布置提出一种布置设计方案。

关键词：混合动力船； 磷酸铁锂电池；电池舱布置

中图分类号：U664.14                              文献标识码：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

隨着节能和环保的驱动、电池技术的发展以及船级社规范的更新， 零污染和零排放已成为船舶发展的主要趋势，而基于锂电池储能技术的混合动力系统是最具优势和潜力的船舶动力系统形式之一，在满足船舶最佳航速和推力需求下，降低燃油消耗，提升船舶经济性， 减少污染物排放。相对于纯电力船，混合动力船其还具有改造方便和造价低的特点，因此具有广阔的市场和良好的发展前景。

但是，锂电池的安全性及预防措施乃是船舶设计和检验的关注点，也是锂电池动力船舶设计的难点[1]，所以对于将常规动力船改造成混合动力船，不能像新造船那样设计或布置动力电池舱室，必须在原船的结构和舱室布置的基础上，以最小的修改成本来满足改造目标。

本文以某常规动力远洋运输船改造成混合动力船的项目为平台，通过该项目对ABS船级社相关规范进行分析和研究，以磷酸铁锂电池为例，研究解决锂电池的安全性及预防措施，提出电池舱的布置设计方案。

2     电池间布置需要考虑的因素

2.1   环境温度

环境温度对动力电池寿命、性能和安全性有很大影响，不同温度下的锂电池的实际充放电容量，实验数据见图1所示。

一般来说，在0 ℃左右的温度范围内，每提高温度10 ℃，电池的容量就增大约10% ；20 ℃后，容量百分比增大幅度逐渐减小。

环境温度对电池的寿命也影响很大，从图2可以看出：在25 ℃左右的温度范围内，温度提高容量百分比（寿命）就下降趋急。

因此，使用蓄电池较适宜的环境温度在-20 ℃～25 ℃范围内。温度过低，电池内部的离子传输就慢，电池的内阻就大，容量百分比减小，电池寿命会缩短；反之，温度过高，其内部的化学反应就越活跃，内阻减少，加速内部反应材料的损耗，造成电池寿命缩短；并且温度升高，也加快了蓄电池电极材料的老化与腐蚀，久而久之就会使蓄电池处于一种过负荷的工作状态，造成恶性循环。

对于动力电池舱来说，优先选用机械通风为舱内降温，如果风管和通风尺寸过大不方便布置时，则可选用空调为舱内降温，也可选用空调和机械通风共同为舱内降温[2]。

基于电池容量、寿命与温度之间的关系，结合船舶航行过程中的室内、外温度条件，我们期望电池系统能在15 ℃～35 ℃的区间内运行，以确保实现最佳的功率输入与输出、最佳的寿命周期。

2.2  空间位置

动力电池组在高温或受到外力碰撞时易出现爆炸等情况，在布置蓄电池舱时应在通风和消防等方面进行考虑[3]，所以动力电池舱应布置在防撞舱壁以后的区域，并尽可能远离起居处所，若确需相邻布置时，二者的共用限界面应尽可能减至最小；动力电池舱与其它相邻处所之间的舱壁和甲板，应为A60级分隔的结构，但与空舱、卫生间等无失火危险的处所相邻时上述分隔可为A0级。

2.3  船舶总体性能

对于改造成混合动力的船舶，需要考虑新增设备重量（电池、电机、齿轮箱、变频器、变压器等）对船舶结构与稳性的影响，

2.4   逃生和通道

对于人员可进入的蓄电池舱（室）的出入口，应直接通向开敞甲板，当该区域失火时便于人员快速逃离；无论蓄电池舱布置于何处，都应确保舱内可设置逃口直通室外。

2.5   防火及消防

电池空间应安装易燃和有毒气体检测装置，气体检测应在一个持续有人的位置进行监测和报警；如果电池空间的气体浓度达到30%LEL时，自动断开电池系统；电池空间应安装供应商推荐的合适固定灭火系统，并与所使用的电池化学成分相适应。

2.6   排水

电池舱室或空间需有独立的甲板排水管，排水管应排到安全的位置或封闭的排水槽，并设有高位报警。

2.7   维修

电池系统的位置和布置，应清楚地显示电池包的维修空间，以及电池舱内任何其他设备与电池包之间的距离间隙；该舱室的出入口尺寸应足够大，满足电池更换需要。

3     电站改造方案

该船电站由3台发电机组成，改造成混合动力系统需要增加下列设备：

4套动力锂电池组；4套DC/AC逆变器；4套隔离变压器；1套变频器；1台轴带电机；1台轴带电机齿轮箱；1套电池管理系统（BMS）；1套电池舱灭火系统。

改造后的电站系统组成，见图3（其中虚线圈的部分为新增设备）所示。

3.1   电池储能系统

由4 套 3P216 S磷酸铁锂电池组组成，每套电池容量912 Ah，共3 648 Ah；每两套独立的电池组为每段母排供电，并且每套电池组由 3 簇 1P216电池簇、一个汇流柜、一个液冷系统组成；一簇电池簇由 6 个1P36 S 电池包、一个簇高压箱组成；电池模块采用标准化设计，尺寸完全一致，具有较高的互换性[4] 。

3.2  轴带发电机

新增一台轴带发电机，发电时功率500 kW，电动机时功率1 410 kW；配置4组动力蓄电池，每组912 Ah，总共3 648 Ah，每组电池系统的参数见表1。

4    蓄电池舱位置选择及布置

4.1   电池舱位置选择

电池舱位置的选择，不仅要考虑改造后的安全运营问题，还需要考虑改造的综合成本，在满足规范要求的前提下尽可能少修改。综合考虑各种因素，把主甲板#-4～#5肋位舵机舱及其左右的储藏室改造成动力电池舱和新增设备舱，满足ABS电池舱位置的要求，如图4所示。

1）电池空间不能位于船舶碰撞舱壁的前方；

2）电池空间的底部或顶部，不能直接接触油舱的底部或顶部；

3）原舵机舱的相关设备，移到其下方的隔空舱里或其它地方。

4.2   动力电池舱布置

ABS船级社对电池舱的布置要求如下：

1）动力电池舱不能包含任何热源或电池系统以外的高火灾危险物体，以降低火灾风险，所以在做电池舱的布置方案时，没有把一个汇流柜和簇高压箱布置在电池舱里，而是把这两套设备布置在新增设备间；

2）动力电池舱内应布置空调 ，以满足锂电池正常工作的环境温度需求。在电池舱内配置2台空调，夏季提供空气制冷服务，室外温度较低时提供空气加热服务；

3）动力电池舱应采用机械通风，风机应为防爆型，每小时换气6次；布置一台抽风机和一个自然进风口。机械抽风目的有两个：其一，保证室内与室外进行有效气体交换；其二，在室外温度不是太高或者太低时，可以不使用空调，节约能源[5]；

4）舱室应设置气密门，并于集控室或驾驶室等有人值守处设置报警装置；

5）电池空间应安装供应商推荐的合适固定灭火系统，并与所使用的电池化学成分相适应。本船采用磷酸铁锂电池，配置七氟丙烷气体灭火系统；

6）电池舱应安装浸水报警，并配备甲板排水泵，以防止电池进水而损坏；

7）电池舱至少提供两条分开的逃生路线，并在切实可行的范围内分开，以便有现成的方法逃到露天甲板；

8）电池空间应被视为辅助机械空间。电池空间边界的防火绝缘布置，应设计成将火灾控制在起源空间内，与锂离子电池相关火灾负荷不应超过消防等级的承受力，电池舱与其它相邻舱室应满足A60防火分割要求；

9）电池系统的位置和布置规划，应清楚地显示电池包的维修空间，以及房间内任何其它设备与电池包之间的距离间隙；

10）电池空间应安装易燃和有毒气体检测装置，适用于所使用的电池化学成分，在一个持续有人的位置进行监测和报警。当该空间有毒气体气体检测浓度达到30%LEL，应能自动断开电池系统；

11）电池舱应布置温度探測装置，并将在一个持续有人的位置进行监测和报警；

12）如果电池系统不是该船的主要动力系统来源，只是推进螺旋浆的辅助动力，根据ABS相关规范，可以把这4组电池布置在1个舱内。

13）对于新增的其它设备，没有特殊要求，按照船级社相关规范布置就可以了。

改造后的电池舱和新增设备的布置图，见图5所示。

5     结束语

对于改造成混合动力的船舶来说，电池间的位置选择及布置必须结合原船的主要尺度、舱室布置以及其它系统功能，综合考虑改造后的船舶安全性、可靠性、经济性、维护保养等因素，才能设计出符合该船各项功能要求的最优布置方案。

参考文献

[1]黄金华.磷酸铁锂电池在船舶上应用的安全分析[J].广东造船，2022（04）.

[2]赵相泽.锂离子电池容量与环境温度的关系[J].电子测试，2020（11）.

[3]冯丰.电动船磷酸铁锂电池舱的环境控制[J].船舶，2021（2）.

[4]张丁标，卢园园，张育婵.船舶柴电混合动力系统设计应用[J].造船技术，2022（2）.

[5] USE OF LITHIUM-ION BATTERIES IN THE MARINE AND OFFSHORE INDUSTRIES [S].  HOUSTON： ABS，  2022.