湯文軍,蔣懷貞,高健,莊益詩

(1.武漢長江船舶設計院有限公司,武漢 430062;2.深圳市銳深科技有限公司,廣東 深圳 518109;3.陸裝沈陽局大連軍代室,遼寧 大連 110021)

我國已有多艘電動船舶實際運行，例如，廣州造船廠的2 000 t運煤船，湖州海事局的海巡0302巡邏艇等。由于當前鋰電池存在能量密度相對較小和價格較貴的問題，使得電動船舶的發(fā)展僅限于小型貨船和渡船等短航程船舶。

鋰離子電池作為動力電池系統(tǒng)和電動船舶的核心元件，其性能直接影響電動船舶的安全性和可靠性。相較于電動汽車，電動船舶的使用工況具有其特殊性，因此在電池系統(tǒng)的驗證要求上有所差別。而目前鮮有關于鋰離子電池管理系統(tǒng)(BMS)在船用工況下的適應性研究報道。為此，擬通過對所設計BMS系統(tǒng)進行船用工況適應性試驗驗證，為新能源船舶鋰電池及管理系統(tǒng)的選用提供參考。

1 電池管理系統(tǒng)組成及參數(shù)

動力電池系統(tǒng)是電動船舶的動力來源，其中電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)是動力電池系統(tǒng)的核心部件，是一種防止電池出現(xiàn)過充、過放電，對電池進行監(jiān)控、管理及維護的智能化統(tǒng)。當鋰電池與BMS相結合，能更好實現(xiàn)電池端電壓的測量、保證單體電池充電均勻、預估電池荷電狀態(tài)以及檢測動力電池組的狀態(tài)，防止過充、過放電現(xiàn)象，使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態(tài)。

設計采用62.4 kWh鋰離子電池系統(tǒng)見圖1。

圖1 船用BMS結構組成

系統(tǒng)由1個域管理盒(型號RS-YGLH62.4 kWh-001，規(guī)格L580×W500×H160)，1個高壓箱(型號RS-GYH 62.4 kWh-001，規(guī)格L550×W357×H263 mm×T1.5 mm)和10個電池包(型號RS-202Ah- 4A-001/RS-202Ah-4B-001，規(guī)格L350×W893×H276 mm)組成3級架構，其中6個電池包串聯(lián)組成充放電系統(tǒng)，4個電池包只做質(zhì)量填充。單體電池采用寧德時代MFH3L8，2020Ah，3.22V。4塊單體電池組成1個電池模組，4個電池模組形成1個電池包。

2 交變濕熱適應性分析

海上行駛環(huán)境具有相對濕度高和早晚溫差大等特點。而鋰電池的安裝條件應避免受到濺水和蒸汽等損害。由于鋰電池絕緣材料中的絕緣電阻會隨著溫度和相對濕度的增加而降低，從而使得漏電風險增加，嚴重時會出現(xiàn)擊穿電路損壞現(xiàn)象和引發(fā)發(fā)生觸電事故。

檢測鋰電池系統(tǒng)在一定濕熱條件下外觀、電壓、電流，以及其絕緣性是否達到相關規(guī)定，是否能夠安全使用。

將動力電池包(型號EVT300-0800-3× 80KWIGBT)放入溫度(55±2) ℃，相對濕度90%～95%的步入式溫濕度試驗箱(型號EC10-7015)中，持續(xù)時間4個周期(每周期24 h)。試驗過程中電池系統(tǒng)按照額定工況進行持續(xù)的充放電循環(huán)，同時記錄其電流、電壓、溫度和絕緣電阻。

試驗結束后再進行絕緣耐壓測試，并觀察對產(chǎn)品外觀進行檢查，高壓箱、電池箱開箱檢查，針對有可能引起冷凝水聚集位置進行重點檢查，對于有冷凝水存在的位置進行拍照記錄，見圖2。

圖2 交變濕熱試驗BMS照片

試驗結果表明：交變濕熱試驗后，BMS系統(tǒng)電壓、電流，以及絕緣采集功能正常,總正對地1 000 V絕緣電阻為1 915 MΩ，總負對地1 000 V，絕緣電阻為758 MΩ，均滿足絕緣電阻≥10 MΩ的要求。此外，系統(tǒng)外觀無明顯破損、銹蝕，且開箱檢查箱內(nèi)無冷凝水聚集現(xiàn)象。因此，船用BMS對濕熱環(huán)境適應性良好，可滿足海上極端濕熱工況下正常運行。

3 鹽霧適應性分析

鹽霧會隨著海上得水霧附著在鋰電池系統(tǒng)器件外部的絕緣材料上，鹽霧中鈉離子、氯離子會極大地增加鋰電池表面的導電性，使表面的絕緣材料失去一定的絕緣性，從而降低了工作的安全性。當其附著在鋰電池系統(tǒng)的金屬部件上，會使金屬發(fā)生電化學腐蝕，不利于電池系統(tǒng)的器件連接、鋰電池的固定，造成電池出現(xiàn)短路和器件損壞，嚴重時甚至發(fā)生事故。

先將設備放入鹽霧箱內(nèi)，在15～35 ℃下連續(xù)噴霧2 h后放入溫度為(40±2)℃，相對濕度90%～95%的濕熱箱內(nèi)放置7 d。試驗包括4個噴霧周期，每個周期連續(xù)噴霧時間2 h，7 d濕熱貯存期。并在每個貯存周期的第7 d進行功能試驗。

鹽霧試驗結束后，通過開箱檢查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)緊固件及金屬表面均無腐蝕現(xiàn)象，見圖3。

圖3 試驗后系統(tǒng)現(xiàn)場情況

將受試設備置于大氣壓下恢復1～2 h，先進行絕緣電阻測量和其他性能試驗。然后進行2個充放電工況循環(huán),之后，系統(tǒng)電壓、電流及絕緣功能均正常。系統(tǒng)總正對地1 000 V絕緣電阻為178 MΩ，總負對地1 000 V絕緣為電阻為116 MΩ，均滿足絕緣電阻≥10 MΩ的要求。表明船用BMS能克服鹽霧環(huán)境影響，滿足海上鹽霧工況下正常運行。

4 傾斜搖擺適應性分析

BMS系統(tǒng)作為電動船舶的核心部件，不可避免地受傾斜、搖擺、振蕩和沖擊的影響，有可能導致鋰電池內(nèi)部電解液動蕩和外泄，從而使得電池內(nèi)部短路進而造成熱失控。甚至還會導致元器件因承載多余應力而導致虛焊、脫落，進而造成鋰電池不能正常工作。

將BMS系統(tǒng)放置于5 000 kg傾斜搖擺臺(型號Y585000/ZF)并上電工作，將受試系統(tǒng)分別朝前、后、左、右4個方向傾斜22.5°，4個方向各傾斜15 min。分別將受試系統(tǒng)前后、左右2個水平軸向22.5°搖擺，位置轉(zhuǎn)換時間為10 s，試驗持續(xù)時間為各 15 min，見圖4。

圖4 傾斜試驗

將BMS系統(tǒng)固定在試驗臺上，對樣品進行工況充放電循環(huán)，試驗后檢查系統(tǒng)外觀部件，通電系統(tǒng)電壓、電流、絕緣采集等功能。

試驗結果表明，其中電池組充放電電流數(shù)據(jù)49.5～50.2 A，電池單體(平均電壓3 360 mV，最高電壓3 368 mV，最低電壓3 354～3 355 mV)、電池組(最高溫度22 ℃，最低溫度20 ℃)、絕緣電阻1 746.7 Ω、絕緣模塊總壓322 V等相關數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)具有一定的幅度變化，但均在標準范圍內(nèi)。由此可見：試驗過程中及試驗后系統(tǒng)電壓、電流、絕緣采集等功能正常，均在規(guī)定范圍內(nèi)，符合安全標準。

傾斜搖擺試驗中BMS系統(tǒng)無零部件掉落，高壓箱、電池包不存在位移、緊固件無松動及松脫現(xiàn)象，見圖5、6。試驗過程中及試驗后系統(tǒng)電壓、電流及絕緣數(shù)據(jù)采集功能正常。因此，船用BMS能克服非平衡位置重力影響，可滿足海上極端傾斜搖擺工況下正常運行。

圖5 試驗后系統(tǒng)緊固件

圖6 試驗后拆箱檢查器件

5 傾斜搖擺強度分析

試驗中采用的鋰電池系統(tǒng)主要由1.0、1.5的鎖鋅板和1.2、1.5、2.0、3.0 mm的冷軋板組成。

對鋰電池系統(tǒng)進行有限元模型簡化，見圖7。其中：①僅考慮材料的線彈性物理性質(zhì)，不考慮材料的塑性和應變率效應；②對樣品中明顯不影響結構強度的某些的小孔、倒角、圓角進行簡化處理；③忽略明顯對結構強度影響較小的零部件。

圖7 電池系統(tǒng)結構簡化模型

在結構強度分析中對簡化后的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，有限元網(wǎng)格數(shù)為1 276 124個，類型為四面體，網(wǎng)格模型見圖8。

圖8 電池系統(tǒng)結構網(wǎng)格模型

經(jīng)有限元仿真計算，結構繞軸傾斜22.5°工況下最大Von Mises應力為147.59 MPa，位于電池系統(tǒng)機框前段底部螺栓孔附近，根據(jù)材料測試結果3 mm的SPCC冷軋板屈服強度為263 MPa,因此電池系統(tǒng)結構強度設計滿足要求。

經(jīng)有限元仿真計算，結構繞Y軸傾斜22.5°工況下最大Von Mises應力為90.27 MPa,位于電池系統(tǒng)機框后端中部，而根據(jù)材料測試結果3 mm的SPCC冷軋板屈服強度為263 MPa,因此電池 系統(tǒng)結構強度設計滿足要求。

6 振動適應性分析

電動船舶行駛或停泊時都會受到海浪和自身電機系統(tǒng)產(chǎn)生的持續(xù)振動作用。在長時間的振動過程中，鋰電池的絕緣片容易發(fā)生脫落或磨破現(xiàn)象，使得電源接口與外殼直接接觸，從而導致短路，嚴重時引發(fā)電動船舶熱失控和起火爆炸事故。

以電池滿充狀態(tài)開始進行振動試驗。受試系統(tǒng)按軸5.86 Hz，軸3.2 Hz，軸無共振頻率，以小于或等于1 oct/min的掃頻速率進行掃描，檢查是否出現(xiàn)共振現(xiàn)象，若不存在明顯共振點，則在30 Hz下進行90 min耐振試驗。試驗在3個互相垂直的軸線上進行，在試驗過程中對電池包進行充放電工況循環(huán)。

試驗結果表明：其中電池組充放電電流數(shù)據(jù)-49.9～-50.2 A，單體(平均電壓3 288 mV，最高電壓3 297 mV，最低電壓3 283 mV)、電池組(最高溫度28 ℃，最低溫度22 ℃)、絕緣電阻1 508 Ω、絕緣模塊總壓314.4 V。其中數(shù)據(jù)會有一定的幅度變化，均在標準范圍內(nèi)。振動試驗及試驗后系統(tǒng)電壓、電流以及絕緣采集功能正常，采集數(shù)據(jù)均在安全標準范圍內(nèi)。

振動試驗后系統(tǒng)硬件無受損現(xiàn)象，緊固件無松動及松脫現(xiàn)象。由此認為：船用BMS能克服振動影響，滿足海上極端振動工況下正常運行。