何夢(mèng)旭，管義鋒，李 陳

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

鋰電池動(dòng)力船型較少，其所配套相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法還不夠完善，對(duì)其存在的安全隱患也無(wú)法全面掌握，對(duì)于一艘裝配大規(guī)模鋰電池組的貨船，防止其在充放電過(guò)程中發(fā)生事故而引發(fā)災(zāi)難性后果至關(guān)重要[1]。通過(guò)采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方式，對(duì)4 000 kWh鋰電池船在航行以及充放電過(guò)程中的安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，制定對(duì)應(yīng)的改善措施，減小事故發(fā)生的可能性和損失，保證船舶航行的安全。

1 4 000 kWh鋰電池貨船研究背景

1.1 4 000 kWh鋰電池貨船基本介紹

2019年，江蘇船聯(lián)新能源科技有限公司聯(lián)合江蘇科技大學(xué)、南京市地方海事局和國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司計(jì)劃對(duì)一艘3 000 噸級(jí)散貨船進(jìn)行“油改電”升級(jí)工作，使其主動(dòng)力源改用磷酸鐵鋰電池組，具有壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、綠色環(huán)保、使用安全的特點(diǎn)。該船垂線(xiàn)間長(zhǎng)71.85 m，型寬15 m，型深4.2 m，設(shè)計(jì)吃水3.5 m，航區(qū)A、B級(jí)，定員8人，如圖1所示。由于考慮續(xù)航力等因素，該貨船采用4 000 kWh鋰電池系統(tǒng)。

圖1 3 000 t散貨船示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3 000 t bulk carrier

1.2 鋰電池貨船風(fēng)險(xiǎn)分析的特點(diǎn)

傳統(tǒng)船舶發(fā)生碰撞事故時(shí)，燃料可能會(huì)泄漏燃燒，但爆炸的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。但是動(dòng)力鋰電池是高能量密度的物品，當(dāng)鋰電池在受到碰撞[2]、過(guò)充、熱輻射等情況時(shí)，電池會(huì)發(fā)生熱失控[3–5]，導(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸事故的發(fā)生，放出有毒氣體，加大人員逃生的危險(xiǎn)性。與電動(dòng)汽車(chē)[6]發(fā)生火災(zāi)的人員逃生相比，鋰電池船舶裝配有更大規(guī)模的鋰離子動(dòng)力電池，船舶的工作環(huán)境又是在水域，這些因素導(dǎo)致了鋰電池船舶一旦發(fā)生了事故人員逃生難度相當(dāng)大，所以對(duì)于鋰電池船舶的風(fēng)險(xiǎn)分析十分重要。導(dǎo)致4 000 kWh鋰電池貨船充放電過(guò)程中電池燃燒爆炸事故發(fā)生的結(jié)構(gòu)重要度最大的基本事件是碰撞擠壓與電池水份含量過(guò)高。為此，對(duì)擠壓碰撞與電池?zé)崾Э剡M(jìn)行仿真計(jì)算。

2 船舶碰撞數(shù)值仿真分析

2.1 撞擊船舷側(cè)撞擊鋰電池船舷側(cè)仿真分析

選取4 000 kWh鋰電池貨船兩道橫艙壁之間的雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，其內(nèi)外板間距為3 m，建立結(jié)構(gòu)有限元模型，舷側(cè)結(jié)構(gòu)板、桁材腹板、縱骨腹板等采用四邊形單元模擬，型材面板、小加強(qiáng)筋采用等效板厚賦予相應(yīng)的板上；撞擊船選取帶有球鼻艏的3 000 t船的船首部分結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，撞擊速度為2 m/s，出于保守目的，設(shè)置撞擊船為剛性體。圖2為撞擊船舷側(cè)撞擊鋰電池貨船舷側(cè)示意圖。

圖2 撞擊船舷側(cè)撞擊鋰電池貨船舷側(cè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of side impact of impact ship on side impact of lithium battery cargo ship

在剛性撞擊船撞擊后，鋰電池貨船接觸區(qū)域的舷側(cè)外板、縱骨、強(qiáng)框架局部區(qū)域等出現(xiàn)了明顯的塑性形變，接觸區(qū)域之外的結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有塑性形變或者塑性形變很小，塑性形變表現(xiàn)出了很強(qiáng)的局部性。

1）鋰電池貨船的應(yīng)力分布圖

圖3～圖7為鋰電池貨船部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。

圖3 舷側(cè)外板應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of side outer plate

圖4 舷側(cè)外板縱骨應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of longitudinal bone of side outer plate

圖5 舷側(cè)橫梁應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of side crossbeam

圖6 船底板應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of ship bottom plate

圖7 電池柜應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of battery cabinet

2）鋰電池貨船的應(yīng)變分布圖

圖8～圖10為鋰電池貨船部分結(jié)構(gòu)的塑性變形圖。

圖8 舷側(cè)橫梁塑性應(yīng)變圖Fig.8 Plastic strain diagram of side beam

圖9 電池柜塑性應(yīng)變圖Fig.9 Plastic strain diagram of battery cabinet

圖10 舷側(cè)外板塑性應(yīng)變圖Fig.10 Plastic strain diagram of side outer plate

3）構(gòu)件的能量吸收

剛性撞擊船撞擊鋰電池貨船之后，兩船均靜止，撞擊船的能量全部轉(zhuǎn)化為鋰電池貨船的應(yīng)變能，圖11為鋰電池貨船各構(gòu)件吸能隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。

圖11 舷側(cè)碰撞情況下鋰電池貨船各構(gòu)件能量吸收曲線(xiàn)Fig.11 Energy absorption curve of various components of lithium battery cargo ship under side collision

各構(gòu)件的吸能大小和百分比如表1所示。

表1 各構(gòu)件能量吸收情況Tab.1 Energy absorption of each component

2.2 仿真結(jié)果分析

由應(yīng)力應(yīng)變圖、圖11和表1可知，用撞擊船舷側(cè)輕微撞擊鋰電池貨船舷側(cè)，電池柜基座依然吸收到一部分能量，所以在撞擊船舶舷側(cè)與鋰電池貨船舷側(cè)發(fā)生碰撞的情況下，鋰電池柜受到了不同程度的影響，從應(yīng)變圖可知電池柜未發(fā)生塑性變形，有必要對(duì)鋰電池組熱失控分析。

3 動(dòng)力鋰電池?zé)崾Э胤治?/h2>

4 000 kWh鋰電池貨船采用的電池電芯與LF105號(hào)電池的電芯一致，均為18 650號(hào)電芯，所以其熱失控參數(shù)也一致，所以對(duì)LF105號(hào)電池進(jìn)行熱失控實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以應(yīng)用于對(duì)4 000 kWh鋰電池貨船的電芯研究中。LF105號(hào)電池在電芯之間增加了硅膠片進(jìn)行隔離以減小熱失控的后果，對(duì)電池包中心的電芯進(jìn)行加熱直至產(chǎn)生熱失控，對(duì)熱失控之后的電池進(jìn)行觀(guān)察和監(jiān)測(cè)，提取熱失控參數(shù)，并觀(guān)察添加硅膠片這一舉措對(duì)降低熱失控后果是否有效。

3.1 LF105號(hào)電池?zé)崾Э啬M

3.1.1 鋰電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)

對(duì)滿(mǎn)電狀態(tài)下的LF105號(hào)電池中間電芯進(jìn)行加熱，使其發(fā)生熱失控，之后對(duì)電池發(fā)生的變化和溫度進(jìn)行觀(guān)察和監(jiān)測(cè)，得出如下結(jié)果：第0 s，中心電芯的溫度為26℃，電池情況正常；775 s，中心電芯的溫度為454.6℃，電池開(kāi)始冒煙，但未出現(xiàn)明火；1 090 s，中心電芯溫度為608.8℃，電池起火并劇烈燃燒；1 500 s，中心電芯溫度為369.6℃，電池火焰熄滅無(wú)煙霧。

3.1.2 鋰電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在加保護(hù)措施的情況下，目標(biāo)電池(6#)和5#電池?zé)龤В?#和7#電池鼓脹（電壓、內(nèi)阻正常），其余電池正常。通過(guò)對(duì)LF105號(hào)電池的熱失控實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究可以得出單個(gè)電芯的熱失控參數(shù)，且LF105號(hào)電池在電芯之間采用的硅膠片可以阻止熱失控的蔓延。

3.2 鋰電池模組熱失控仿真

3.2.1 鋰電池?zé)崾Э胤抡?/p>

4 000 kWh鋰電池電動(dòng)貨船的電池模組為2S9P，如圖12所示。由18支電芯通過(guò)2串9并的方式構(gòu)成，模組電壓為6.4 V，模組容量為774 Ah。單個(gè)電芯的尺寸為長(zhǎng)174 mm、寬48 mm、高132 mm，額定容量為86 Ah，標(biāo)稱(chēng)電壓為3.2 V，最高充電電壓為3.65 V，最低放電電壓為2.5 V，使用Comsol建立鋰電池的三維結(jié)構(gòu)模型，如圖13所示。

圖12 電池模組結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure diagram of battery module

圖13 鋰電池模組模型Fig.13 Lithium battery module model

鋰電池模組中間電芯熱量相較于邊緣的電芯更容易堆積導(dǎo)致電池?zé)崾Э?，如圖14所示。將之前建立的鋰電池模組模型的中間電芯點(diǎn)燃，研究中心電芯熱失控造成的影響，如圖15所示。鋰電池模組中間電芯熱失控后溫度約為430℃，與電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)的實(shí)際溫度相當(dāng)。

圖14 鋰電池模組中心電芯引燃示意圖Fig.14 Ignition diagram of lithium battery module center cell

圖15 電池逐層熱失控示意圖Fig.15 Schematic diagram of layer by layer thermal runaway of battery

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，由于電池電芯之間加了硅膠片，電池包沒(méi)有完全熱失控，若沒(méi)有采取控制措施，由電池模組的仿真計(jì)算可知，當(dāng)電池模組內(nèi)的電芯發(fā)生熱失控后，周?chē)碾娦緯?huì)因?yàn)闊彷椛涠饘訜崾Э?，最終導(dǎo)致整個(gè)模組熱失控。

當(dāng)中間電芯熱失控后導(dǎo)致模組溫度逐漸上升，當(dāng)電芯溫度高于140℃時(shí)，電池出現(xiàn)了不可逆轉(zhuǎn)變，周?chē)蛲庖粚与娦疽矔?huì)熱失控，圖16為電池模組電芯逐層熱失控的溫度場(chǎng)變化圖，圖17為電池模組完全熱失控后模組及周?chē)臏囟仁疽鈭D。

圖16 電芯逐層熱失控的溫度場(chǎng)變化圖Fig.16 Temperature field variation of layer by layer thermal runaway of cell

圖17 電池模組完全熱失控后電池及周?chē)臏囟仁疽鈭DFig.17 Schematic diagram of the temperature of the battery and its surroundings after the battery module is completely thermal runaway

3.2.2 鋰電池模組熱失控仿真結(jié)果分析

由電池模組的熱失控仿真計(jì)算可知，中間電芯熱失控后電池模組會(huì)逐層被點(diǎn)燃，且電池模組完全熱失控后的溫度很高。4 000 kWh鋰電池貨船的電池模組之間距離很近，故認(rèn)定整個(gè)電池模組熱失控起火的情況下，若不加以控制會(huì)引燃其他的電池包，造成大規(guī)模的燃燒爆炸事故。

在實(shí)際的電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)中，由于電池電芯之間加裝了硅膠片，將電池的熱失控有效地控制在了電池包的范圍內(nèi)，所以4 000 kWh鋰電池電動(dòng)貨船若采取有效的消防措施，可以避免電池?zé)崾Э睾笤斐纱笠?guī)模的鋰電池燃燒爆炸事故。

4 4 000 kWh鋰電池貨船風(fēng)險(xiǎn)控制措施

4.1 電池質(zhì)量方面的風(fēng)險(xiǎn)控制措施

現(xiàn)在的電池生產(chǎn)工藝已經(jīng)較為成熟，在鋰電池燃燒爆炸的定性分析中，專(zhuān)家對(duì)于鋰電池質(zhì)量相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率評(píng)估都偏低，所以對(duì)于電池質(zhì)量方面的風(fēng)險(xiǎn)控制措施主要在選用和后期維護(hù)上。

鋰電池貨船的動(dòng)力系統(tǒng)在充放電時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格遵守使用手冊(cè)，避免過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象的產(chǎn)生，保證船舶安全。

4.2 系統(tǒng)和設(shè)備方面的風(fēng)險(xiǎn)控制措施

船上應(yīng)安排相應(yīng)人員定時(shí)定點(diǎn)巡邏，設(shè)置火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、溫度感應(yīng)、煙霧感應(yīng)等安全系統(tǒng)，在發(fā)現(xiàn)電池出現(xiàn)異常狀況時(shí)及時(shí)報(bào)警，引起相關(guān)人員的注意并及時(shí)采取措施；對(duì)于船舶的各項(xiàng)系統(tǒng)和設(shè)備要做到由專(zhuān)業(yè)人員定時(shí)維護(hù)和檢修，保證系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性；貨艙應(yīng)安裝通風(fēng)系統(tǒng)，避免某些貨物因潮濕導(dǎo)致自燃引起火災(zāi)。

通過(guò)第3章對(duì)電芯和模組層面的實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算分析可知，單個(gè)電芯的熱失控若不及時(shí)加以控制會(huì)導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)生熱失控，導(dǎo)致船舶出現(xiàn)大規(guī)模的火災(zāi)甚至爆炸，在電池柜層面同樣需要采取措施。電池艙內(nèi)設(shè)置七氟丙烷滅火系統(tǒng)或者水霧系統(tǒng)，在空間允許的情況下盡可能地將電池模組分散布置，最大限度地降低熱失控帶來(lái)的影響。電池艙的艙壁使用A60防火等級(jí)的艙壁，電池柜之間采用A60防火等級(jí)的絕緣材料進(jìn)行分隔，A60防火等級(jí)的材料可以在一側(cè)電池柜完全熱失控起火的情況下保證另一側(cè)的溫度1 h內(nèi)不超過(guò)140℃，可以極大延長(zhǎng)船舶的救援和人員逃生時(shí)間。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用Abaqus對(duì)4 000 kWh鋰電池貨船進(jìn)行建模，根據(jù)實(shí)際情況擬定了撞擊船舷側(cè)撞擊鋰電池船的碰撞方案并進(jìn)行仿真計(jì)算。使用Comsol對(duì)4 000 kWh鋰電池貨船的電池進(jìn)行建模，對(duì)單個(gè)電芯進(jìn)行熱失控仿真，結(jié)論如下：

1）經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)原布置方案下鋰電池貨船的電池柜會(huì)因舷側(cè)碰撞而吸收一部分動(dòng)量，產(chǎn)生輕微的熱量堆積，所以有必要對(duì)鋰電池的熱失控進(jìn)行分析。

2）通過(guò)對(duì)單個(gè)LF105號(hào)電池的熱失控實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究可以得出單個(gè)電芯的熱失控參數(shù)，且LF105號(hào)電池在電芯之間采用的硅膠片確實(shí)可以阻止熱失控的蔓延。

3）通過(guò)對(duì)整個(gè)電池模組的熱失控仿真計(jì)算可知，中間電芯熱失控后電池模組會(huì)逐層被點(diǎn)燃，且電池模組完全熱失控后的溫度很高，有必要采取有效的消防措施以避免電池?zé)崾Э睾笤斐纱笠?guī)模的鋰電池燃燒爆炸事故。