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船舶运输电动汽车安全风险及对策

来源:《世界海运》2022年第7期  2022-07-11  我要评论  

导读:

近几年,船舶载运电动汽车发生多起火灾事故,造成重大财产损失,对船上人命安全也构成严重威胁。随着电动汽车产业快速发展,船舶运输电动汽车的安全风险日益突出,对航运业和监管部门提出了新的挑战。基于电动汽车水路运输和管理现状,从锂电池特性、电动汽车类型、滚装运输方式风险和电动汽车火灾特点等方面分析船舶载运电动汽车的安全风险,并依此提出对策建议,供相关方面参考。
摘要:近几年,船舶载运电动汽车发生多起火灾事故,造成重大财产损失,对船上人命安全也构成严重威胁。随着电动汽车产业快速发展,船舶运输电动汽车的安全风险日益突出,对航运业和监管部门提出了新的挑战。基于电动汽车水路运输和管理现状,从锂电池特性、电动汽车类型、滚装运输方式风险和电动汽车火灾特点等方面分析船舶载运电动汽车的安全风险,并依此提出对策建议,供相关方面参考。

关键词:船舶运输;滚装船;电动汽车;安全风险;火灾事故
        一、引言
       近年来,电动汽车产业快速发展,全球著名市场调研机构科纳仕 ( Canalys ) 发布的《2021年全球电动汽车研究报告》显示:2021年全球电动汽车销量约为650万辆,比上年增长109%,其中,中国大陆销售的电动汽车占全球电动汽车的一半,共320万辆,占所有新车销量的15%。2020年11月,国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划 ( 2021—2035年 )》提出:到2035年纯电动汽车成为销售主流,公共领域用车全面电动化。在碳达峰、碳中和目标背景下,电动汽车普及是大势所趋,由此产生的船舶运输电动汽车的需求也急剧增长。
       自电动汽车问世以来,因充电起火、碰撞起火、自燃等原因造成的火灾时有发生,让公众对电动汽车的安全性产生了担忧。特别是近几年,船舶载运电动汽车发生多起火灾事故,安全风险日益突出,对航运业和监管部门提出了新的挑战。2022年2月16日,载有约4 000辆大众集团旗下豪车的巴拿马籍“Felicity Ace”号滚装船发生火灾,最终导致船舶沉没,引起了全球广泛关注。电动汽车的安全运输迫切需要业界和监管部门深入研究。本文基于电动汽车水路运输和管理现状,从锂电池特性及风险、电动汽车类型、滚装运输方式风险和电动汽车火灾特点等方面分析船舶载运电动汽车的安全风险,进而提出对策建议,供相关方面参考。
        二、电动汽车船舶运输和管理现状
       不同于传统燃油汽车,电动汽车的能量主要来源于动力电池。目前,市面上电动汽车分为油电混动、插电混动以及纯电三种类型,车载动力电池以三元电池和磷酸铁锂电池为主。根据中汽协和动力电池产业联盟的统计数据,2021年我国电动汽车动力电池装机量累计154.5 GWh。其中,三元电池装机量占比48.1%,磷酸铁锂电池装机量占比51.7%。
       目前,船舶载运电动汽车主要包括集装箱运输和滚装运输两种形式。滚装运输是指将电动汽车直接开到船上置于船舶特定处所的运输方式,具有安全性高、成本低等优点,因此成为电动汽车水路运输最主要的物流方式。按照载运船舶类型划分,滚装运输又具体分为汽车运输船、滚装船以及滚装客船三种情况。通常,汽车运输船和滚装船以运输商品汽车 ( 包括新车和二手汽车 ) 为主,滚装客船以运输家用汽车为主。
       依据《国际海运危险货物规则》的要求,在水路运输时,电动汽车属于危险货物 ( 第9类杂项危险货物 ),联合国编号为UN 3171。但在滚装运输时,积载在船舶指定处所内的电动汽车可按照普通货物运输。无论是按照危险货物还是普通货物管理,船舶载运电动汽车都必须确保车内装机电池的安全,防止电池在运输过程中损坏、短路和意外启动。根据《中华人民共和国海上交通安全法》等相关法律法规,客船载运乘客不得同时载运危险货物。从国际惯例和我国实际情况看,集装箱运输的电动汽车均按照危险货物管理,滚装运输的电动汽车均按照普通货物管理,符合《国际海运危险货物规则》的要求。据了解,我国部分港口码头考虑到电动汽车的潜在风险和船舶消防局限,禁止其通过滚装客船运输。
        三、船舶运输电动汽车安全风险分析
        ( 一 ) 锂电池特性及风险
       无论是纯电动汽车、油电混合动力汽车,还是插电式混合动力汽车,其装机电池均为锂电池。锂电池作为电动汽车最重要的系统,也是决定汽车安全的重要因素,而电池的安全往往受生产工艺、电池材料、荷电状态以及环境和操作等因素影响。
        1.生产工艺
       锂电池按照形态可分为圆柱电池、方形电池和软包电池等,其生产工艺有一定差异,但整体上可将锂电池制造流程划分为前段工序 ( 极片制造 )、中段工序 ( 电芯合成 ) 和后段工序 ( 化成封装 )。由于锂离子电池在安全性能方面的标准很高,因此在电池制造过程中对锂电设备的精度、稳定性和自动化水平都有极高的要求。如果在制造过程中存在安全缺陷,会影响锂电池的性能及使用寿命,严重时甚至可能发生爆炸,威胁人身和财产安全。例如前几年国内的造车新势力威马EX5就因为电池存在制造缺陷,导致化学性质不稳定,接连发生多起自燃事故。
        2.电池材料
       目前,动力电池类型以三元锂电池 ( 如特斯拉、理想、蔚来及大众等品牌 ) 和磷酸铁锂电池 ( 如比亚迪等品牌 ) 为主。三元锂电池是正极材料使用镍钴锰酸锂[Li ( NiCoMn ) O2]或者镍钴铝酸锂的三元正极材料的锂电池,具有能量密度较高、续航能力强、抗低温等优点,缺点是电池稳定性较差,当温度达到250~350 ℃时容易热失控,在快速充电过程中存在较高的自燃风险,对散热性能的要求很苛刻。磷酸铁锂电池是一种使用磷酸铁锂 ( LiFePO4 ) 作为正极材料、碳作为负极材料的锂离子电池,虽然能量密度、续航方面不如三元锂电池,但使用循环寿命较长,最大优势是安全性高,热稳定性好,热失控温度普遍在500 ℃以上,电池自燃的风险很低。新能源汽车国家大数据联盟的报告显示,2020年1—9月的电动车起火事件中,使用三元锂电池的车辆占比高达95%,磷酸铁锂电池只占5%。据悉,巴拿马籍“Felicity Ace”号滚装船火灾事故中搭载的保时捷Taycan、奥迪e-tron、大众ID.4等电动汽车均使用三元锂电池。
        3.荷电状态
       电池的荷电状态 ( State of Charge,简称SOC ),顾名思义是指电池中剩余电荷的可用状态,一般用百分比来表示。当SOC降低到较低水平时,可有效地减缓锂电池热传导的扩散并降低危险事故发生的风险。2021年1月1日实施的由工业和信息化部及国家能源局指导编制的《电动汽车安全指南》( 2019版 ),建议在运输过程中电动汽车的SOC保持在40%~70%之间。但需要注意的是,如果SOC过低,锂电池会出现析锂,而析锂是电池发生热失控的主要原因,这种情况会引起电池内短路,存在一定的安全隐患。
        4.环境及操作
       锂电池引起火灾事故主要原因包括内部短路、外部短路或过度充电等。锂电池内部短路主要有机械失控、电化学失控以及温度失控三种诱因。外部短路一般是电池安装或维修操作不当引起的。过度充电火灾一般发生在充电时。锂电池如果长时间处于高温环境,发生挤压或碰撞,或者在安装、维修、充电时操作不当等,就可能引发电池的短路、漏液甚至发生燃烧、爆炸。
        ( 二 ) 电动汽车类型及火灾风险
        1.汽车类型
       根据美国国家运输安全委员会 ( NTSB ) 和运输统计局 ( BTS ) 的数据,美国在2021年全年只有52辆纯电动汽车发生自燃,但是混合动力汽车发生自燃事故的数量高达16 051起。按每10万辆销售汽车中发生火灾的车辆来算,混合动力汽车的起火数量为3 474.5辆,纯电动汽车的起火数量只有25.1辆。混合动力汽车的起火概率是纯电动汽车的138倍,混动汽车安全风险要远高于纯电动汽车。主要原因是混动汽车结构过于复杂,既拥有传统燃油车复杂的机械、电路结构,又搭载了纯电动汽车最容易发生自燃的动力电池,几乎同时拥有纯电动汽车与传统燃油车这两种车型起火的“病根”。
        2.新旧情况
       有资料显示,使用过的电池很大比例存在不同程度的析锂现象,原则上使用过的电动汽车安全风险要高于新出厂的电动汽车。2020年6月4日,挪威籍汽车运输船“Hoegh Xiamen”号发生火灾事故,据称原因就是船上一辆二手汽车的电池自燃。基于对二手汽车安全风险的考虑,目前越来越多汽车运输船承运人开始拒绝运输存在风险的二手电动汽车。
        ( 三 ) 滚装运输方式带来的风险
        1.绑扎系固
       近几年船载电动汽车火灾事故大多发生于滚装运输中。与集装箱独立运输方式不同,滚装运输是通过船舶尾跳板将车辆开上船,通过船内甲板间的斜坡及升降机到达原计划甲板,停放在计划位置,并进行捆扎。对于大型货车,采用绑带捆扎轮毂或前后牵引钩,将车辆固定在甲板上。但对于小型家用汽车和客车,由于汽车本身无专用系固点,因此仅使用楔形木块塞住四个车轮以达到固定目的。在大风浪航行条件下,船舶往往会产生较大的横摇和较小的摇摆周期,随着船舶摇摆,车辆极容易发生位移,引起车辆之间的挤压碰撞,进而造成电池受损,发生自燃。
        2.积载隔离
       电动汽车作为新兴产业,在过去几年经历了飞速发展,船舶运输量暴增。在确保锂电池安全的前提下,积载于特定的安全处所,是电动汽车作为普通货物滚装运输的重要条件。目前现行有效的SOLAS公约和国内船检技术法规对车辆处所、滚装处所、特种处所的定义,仅考虑了装载燃油汽车的情形,不包括载运电动汽车的情况,滚装客船、滚装货船现有的防火分隔、车辆舱消防布置能否满足载运电动汽车的安全要求,值得探讨。
       同时,滚装运输时的电动汽车与燃油汽车混装,车辆间的间距非常小,通常仅留有够一人通过的过道。一旦发生火情,难以及时准确地确定起火点、起火物以及火势等情况。车辆之间的相互影响、狭窄的救援通道给消防应急带来了极大的困难。
        ( 四 ) 电动汽车火灾特点
       不同于燃油汽车火灾,电动汽车火灾具有类型复杂、温度高、难扑救、易复燃、火势快等特点。据了解,锂电池从出现燃烧迹象到猛烈燃烧,只需要6 s,其燃烧温度将达到600~1 000 ℃,远超普通汽柴油着火时达到的400 ℃左右的温度[1],锂电池燃烧还伴随着火焰喷射和高温腐蚀性液体飞溅。同时,由于车内锂电池起火伴随着较为复杂的化学反应,无氧环境也可以剧烈反应,一旦电动汽车发生火灾,二氧化碳、泡沫干粉、压力水雾等常规灭火方法难以有效灭火,即便扑灭明火,化学反应和高温也非常容易导致复燃,直至电池燃尽。美国消防协会 ( NFPA ) 对锂电池的研究表明,真正能灭锂电池火的灭火剂目前是不存在的。因此,做好风险预控、防止电动汽车火灾发生才是保障安全的关键。
        四、对策建议
        ( 一 ) 开展电动汽车危险性研究,完善滚装船运输电动汽车安全举措
       随着“双碳”战略的不断推进,锂电池电动车的数量将快速增长,通过水路 ( 尤其是环渤海地区、琼州海峡和舟山群岛等区域 ) 运输电动汽车的需求会持续增加,建议深入开展电动汽车危险性及水路安全运输条件研究,分析电动汽车火灾发生、发展和演变的机理与特点,运用科学的方法做好风险源辨识以及风险防控,探索建立并完善船舶载运电动汽车的相关制度、规范和标准,指导电动汽车水路安全运输。一是开展滚装船载运电动汽车货舱适装能力评估,制定汽车运输船、滚装船和滚装客船货舱布置以及消防设施等技术检验规范,并有针对性地修订SOLAS公约、《IMDG规则》和国内船检技术法规,满足船舶安全运输要求。二是借鉴普通
燃油汽车滚装运输实践经验,制定滚装船舶载运电动汽车安全运输技术标准,提高电动汽车运输安全。三是针对二手电动汽车的安全风险,研究二手电动汽车滚装安全运输的可行性,提出风险防控举措,设置禁运标准。
        ( 二 ) 运输企业积极落实安全生产主体责任,采取有效措施做好风险防控
       一是要切实加强上船前安全检查,严格控制有安全隐患的电动汽车上船。二是要科学实施分类分区管理,建立电动汽车的登记制度,设置电动汽车专门积载区,不得与燃油车辆混合积载,车辆之间保持有效的安全距离。三是要强化运输途中的安全保护和巡查监视。严格按照系固手册对车辆进行绑扎系固,利用先进的监测监视设备,加强对货舱的安全检查力度[2]。四是要强化应急处置能力。制定船舶电动汽车火灾事故应急处置预案,定期组织船员及相关人员开展船上应急演习和培训,提升船员识险避险能力,提高专业素养和应急处置技能。
        ( 三 ) 加强对消防技术的研发,提高电动汽车火灾事故应急处置水平

       由于缺乏有效的锂电池火灾消防措施,电动汽车起火后难以有效扑灭,一般要待车中电池燃尽后方能彻底灭火。建议海事管理机构联合消防部门、科研院所和企业共同开展电动汽车火灾消防技术研发,开发有针对性的灭火装置或方法,增强火灾事故应急处置能力,降低火灾影响。


参考文献:

[1] 高申.浅析新能源汽车在滚装船上的安全运输风险与防范措施[J].青岛远洋船员职业学院学报,2020(4):36-35.
[2] 符干聪.新能源汽车在琼州海峡滚装运的火灾风险性分析与对策研究[J].航运经纬,2018(11):25-29.
作者简介:
罗薇,辽宁海事局大连危险货物运输研究中心,研究室主任,高级工程师。
葛育英,辽宁海事局海事技能训练中心,能力训练科科长,工程师。
张春龙,辽宁海事局大连危险货物运输研究中心,副主任,高级工程师。
李霞,辽宁海事局政务中心,副主任,高级政工师。

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