一種新型鋰電池動(dòng)力客船固定式滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉磊

（中國(guó)船級(jí)社 宜昌分社，湖北 宜昌 443000）

隨著國(guó)家長(zhǎng)江大保護(hù)戰(zhàn)略的實(shí)施和雙碳目標(biāo)的提出，越來越多諸如LNG 動(dòng)力船、氫燃料電池動(dòng)力船、鋰離子電池動(dòng)力船等新能源動(dòng)力船舶相繼出現(xiàn)。相比于傳統(tǒng)柴油動(dòng)力船，電池動(dòng)力游覽船噪音低，震動(dòng)小，給乘客帶來了優(yōu)越舒適的乘坐體驗(yàn)，但也對(duì)船舶的防火安全帶來了新的挑戰(zhàn)。

鋰離子電池電動(dòng)客船電池容量大，可類比陸上儲(chǔ)能電站，儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故雖然造成的財(cái)產(chǎn)損失不少但一般人員傷亡不多。與儲(chǔ)能電站不同的是，旅游客船尤其是游覽船人員眾多且密集，空間相對(duì)狹小，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，將可能造成大量人員傷亡，后果不堪設(shè)想。因此有必要對(duì)鋰電池動(dòng)力客船的火災(zāi)防護(hù)進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 船舶使用磷酸鐵鋰電池安全性分析

鋰電池的危險(xiǎn)性主要是由于熱失控產(chǎn)生有毒易燃的氣體并產(chǎn)生大量的熱量，進(jìn)而引起火災(zāi)。三元鋰電池會(huì)在較低的溫度下產(chǎn)生熱失控，火勢(shì)猛烈難以被撲滅。磷酸鐵鋰電池發(fā)生熱失控的溫度更高，過程也相對(duì)溫和，會(huì)持續(xù)產(chǎn)生大量的可燃?xì)怏w，一般遇到著火源才會(huì)引發(fā)大火。相對(duì)來說，磷酸鐵鋰電池更安全，所以目前電池動(dòng)力船舶多選擇磷酸鐵鋰電池做船舶電站。

中國(guó)船級(jí)社《純電池動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南》將船用鋰電池按照安全等級(jí)分為2 類，安全等級(jí)為1 的鋰電池危險(xiǎn)性高于2 級(jí)，見表1。針對(duì)不同安全等級(jí)的鋰電池制定不同的使用限制條件。

表1 鋰電池安全分級(jí)一覽表[1]

2 磷酸鐵鋰電池火災(zāi)特性

2.1 有毒可燃性

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王青松等總結(jié)了電池?zé)崾Э剡^程中產(chǎn)生的主要?dú)怏w成分及組分[2]。試驗(yàn)表明不同SOC下氣體組成成分會(huì)有不同，圖1 為100%SOC 情況下磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э睾鬁y(cè)量的氣體組分。

圖1 LFP 熱失控后氣體成分

2.2 高溫性

黎可對(duì)228A.h 的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行熱失控研究，記錄不同熱失控階段的電池表面的溫度，并匯成圖2 的曲線[3]。從曲線中明顯可見100%SOC 的磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э貢r(shí)的溫度已經(jīng)接近600 攝氏度，已經(jīng)可以熔化鋰電池模塊的外殼。

圖2 磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э剡^程曲線[3]

3 磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э啬芰糠治?/h2>

為了更直觀地研究鋰電池?zé)崾Э剡^程中產(chǎn)生的熱量，可將磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э睾螽a(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為TNT三硝基甲苯的炸藥當(dāng)量。

磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э氐幕瘜W(xué)過程比較復(fù)雜，總體來說其熱量由六部分組成，包括SEI 膜分解產(chǎn)生的熱量、正極材料和電解液反應(yīng)產(chǎn)生的熱量、負(fù)極材料和電解液反應(yīng)產(chǎn)生的熱量、電解液自身分解產(chǎn)生的熱量、正極材料燃燒產(chǎn)生的熱量、負(fù)極材料燃燒產(chǎn)生的熱量。用公式表達(dá)如式(1)所示。

式(1)可以簡(jiǎn)化為式(2),

根據(jù)比熱容計(jì)算公式可得式(3)

式中：C---鋰電池的比容

m---鋰電池質(zhì)量

以最常見的32650 磷酸鐵鋰電池為例，查閱資料可知其為1.158，100%SOC 時(shí)質(zhì)量為139g，根據(jù)孫一楠實(shí)驗(yàn)[4]，為641℃，為284℃。將之帶入式(3)及(4)，就可以得出熱失控總熱量為57.46KJ，鋰電池爆炸當(dāng)量為12.70g。即一個(gè)32650 磷酸鐵鋰電池在100%熱失控時(shí)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于12.70gTNT 爆炸產(chǎn)生的熱量。而船舶電站是由成千上萬顆單體電池組成，其熱失控產(chǎn)生的TNT 當(dāng)量可想而知。

4 現(xiàn)有電池動(dòng)力船舶固定式滅火系統(tǒng)存在的問題

現(xiàn)有電池動(dòng)力船的設(shè)計(jì)均需滿足中國(guó)船級(jí)社發(fā)布的《純電池動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南》，該指南在火災(zāi)防護(hù)方面的設(shè)計(jì)分為空間隔離、防火結(jié)構(gòu)防護(hù)、火災(zāi)探測(cè)、滅火幾個(gè)方面。

在滅火環(huán)節(jié)，規(guī)范要求設(shè)置固定式滅火系統(tǒng)可以為七氟丙烷系統(tǒng)或壓力水霧系統(tǒng)。對(duì)于安全等級(jí)為2 的蓄電池艙七氟丙烷滅火系統(tǒng)僅需要滿足一次滅火的劑量，而安全等級(jí)為1 的蓄電池艙所配備的劑量應(yīng)能在復(fù)燃時(shí)再次釋放。

針對(duì)磷酸鐵鋰電池火災(zāi)，一些專家學(xué)者做了大量的試驗(yàn)，通過分析這些試驗(yàn)結(jié)論，筆者發(fā)現(xiàn)目前電池動(dòng)力船上所用的固定式滅火系統(tǒng)存在以下問題：

（1）對(duì)于安全等級(jí)為2 的蓄電池如磷酸鐵鋰電池，規(guī)范允許使用七氟丙烷滅火系統(tǒng)。但七氟丙烷滅火系統(tǒng)僅能撲滅首次明火，很難避免復(fù)燃現(xiàn)象。

（2）對(duì)于安全等級(jí)為2 的蓄電池，規(guī)范允許使用壓力水霧滅火系統(tǒng)，但并未明確規(guī)定蓄電池外殼的防護(hù)等級(jí)。在壓力水霧施放后有可能造成蓄電池外部短路，引起更大的火災(zāi)。

（3）對(duì)于安全等級(jí)為1 的蓄電池，允許使用七氟丙烷滅火系統(tǒng)，且要求滅火劑量和控制系統(tǒng)應(yīng)能保證該系統(tǒng)在蓄電池復(fù)燃時(shí)能再次釋放，每次釋放的容量均按該處所總?cè)莘e的9%進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。但因?yàn)楹茈y有方法可以預(yù)測(cè)復(fù)燃的次數(shù)，也就無法準(zhǔn)確計(jì)算所需的劑量。

（4）對(duì)于安全等級(jí)為1 的蓄電池，允許使用七氟丙烷滅火系統(tǒng)。但事實(shí)上安全等級(jí)為1 的蓄電池如三元鋰電池，熱失控溫度比磷酸鐵鋰電池更低且更加活潑危險(xiǎn)，磷酸鐵鋰電池尚且無法控制復(fù)燃，對(duì)于三元鋰電池更是難以預(yù)料滅火效果。

5 一種新型固定式滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

事實(shí)上研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池火災(zāi)的滅火原則應(yīng)該是“滅火+降溫”同步進(jìn)行，二者缺一不可。同時(shí)具有滅火和降溫兩種屬性的滅火劑有七氟丙烷、全氟己酮、壓力水霧系統(tǒng)等。但前文已經(jīng)說明氣體滅火劑因?yàn)殡y以估算復(fù)燃次數(shù)，也就無法確定所需劑量，因此只能作為輔助滅火措施，或者初期滅火措施。壓力水霧系統(tǒng)既能滅火又能降溫，且船上水源可以無限供應(yīng)，實(shí)際滅火效果經(jīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)優(yōu)于氣體滅火系統(tǒng)。但是目前船舶蓄電池艙的中包括蓄電池在內(nèi)的電氣設(shè)備的外殼防護(hù)等級(jí)卻無法保證電氣絕緣，經(jīng)過水霧噴淋之后可能引發(fā)更大規(guī)模的外部短路，進(jìn)而引起更多鋰電池?zé)崾Э?，有可能直接造成更大?guī)模的火災(zāi)。

綜合考慮，筆者提出以下滅火方案。將現(xiàn)有的七氟丙烷固定式滅火系統(tǒng)增設(shè)管路直接與每個(gè)蓄電池模塊相連。當(dāng)蓄電池模塊內(nèi)的溫度檢測(cè)電路檢測(cè)到溫度超過熱失控溫度時(shí)，啟動(dòng)七氟丙烷對(duì)首先發(fā)生熱失控的蓄電池模塊進(jìn)行滅火和降溫。由于七氟丙烷的劑量是按照能滿足整個(gè)蓄電池艙9%的容積配備，相對(duì)于單個(gè)蓄電池模塊內(nèi)的空間來說其劑量幾乎是無限大。而且大劑量的液態(tài)七氟丙烷氣化可以吸收大量的熱量，能有效抑制問題模塊的熱失控，并且在蓄電池模塊內(nèi)形成高濃度的七氟丙烷蒸汽。該方法的整體設(shè)計(jì)思想就是將原來對(duì)整個(gè)蓄電池艙滅火變成及時(shí)對(duì)問題蓄電池模塊滅火，將對(duì)整個(gè)蓄電池艙漫無目的的“機(jī)艙掃射”變成對(duì)具體著火源的“精準(zhǔn)狙擊”。方案的示意圖如圖3 所示。

圖3 新型固定式滅火系統(tǒng)示意圖

具體的實(shí)現(xiàn)過程如圖4 所示。

圖4 新型固定式滅火系統(tǒng)圖

系統(tǒng)正常工作時(shí)蓄電池模塊內(nèi)置的溫度檢測(cè)電路將蓄電池實(shí)時(shí)溫度傳送至控制器，當(dāng)某個(gè)蓄電池模塊的溫度超過預(yù)先設(shè)定好的熱失控溫度時(shí)（如某試驗(yàn)測(cè)得為100%SOC 下為167℃[3]），控制器發(fā)出信號(hào)首先打開這個(gè)蓄電池模塊上七氟丙烷釋放電池閥。同時(shí)向蓄電池艙和消防控制站、駕駛室等位置發(fā)出釋放預(yù)報(bào)警，并切斷問題蓄電池模塊（或蓄電池組），關(guān)閉蓄電池艙風(fēng)機(jī)、油泵、燃油柜、滑油柜出口（若有時(shí)）等。延時(shí)20S 后再啟動(dòng)七氟丙烷瓶組的瓶頭閥，此時(shí)七氟丙烷將進(jìn)入問題蓄電池模塊。蓄電池模塊外殼并不要求氣密，進(jìn)入模塊的七氟丙烷不斷氣化，持續(xù)吸收問題蓄電池模塊熱失控產(chǎn)生的熱量。由于熱失控的熱量不斷被帶走，熱失控的連鎖反應(yīng)因溫度不夠?qū)⒈淮驍唷饣蟮钠叻閷栴}蓄電池模塊浸沒，可以及時(shí)撲滅明火。如果多個(gè)蓄電池模塊同時(shí)發(fā)生熱失控，系統(tǒng)將會(huì)同時(shí)打開多個(gè)問題蓄電池模塊的釋放電磁閥。如果仍然無法控制熱失控，蓄電池?zé)崾Э貙a(chǎn)生大量的可燃?xì)怏w和煙霧，將觸發(fā)蓄電池艙內(nèi)安裝固定式自動(dòng)探火和失火報(bào)警系統(tǒng)的感煙探頭。此時(shí)控制器再打開蓄電池艙七氟丙烷釋放總閥，向整個(gè)蓄電池艙釋放七氟丙烷。

上述方案是對(duì)安全等級(jí)為2 的鋰電池的滅火方案。對(duì)于安全等級(jí)為1 的鋰電池電站，從單個(gè)問題模塊熱失控到引起附近的蓄電池組熱失控過程短暫而劇烈，因此此時(shí)抑制其他電池模塊熱失控就是重中之重，對(duì)于船舶來說，壓力水霧系統(tǒng)就是非常合適的配備。總體思路為：在圖3 基礎(chǔ)上進(jìn)一步增設(shè)壓力水霧滅火系統(tǒng)。初次火災(zāi)或小型火災(zāi)使用新型固定式七氟丙烷滅火系統(tǒng)，一旦火勢(shì)擴(kuò)大進(jìn)一步啟動(dòng)壓力水霧滅火系統(tǒng)。需要說明的是對(duì)于設(shè)置這種固定式七氟丙烷系統(tǒng)+固定式壓力水霧系統(tǒng)的組合滅火系統(tǒng)的船舶，應(yīng)要求蓄電池艙內(nèi)的電氣設(shè)備包括蓄電池模塊的外殼防護(hù)等級(jí)至少為IP67。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)磷酸鐵鋰電池的安全性分析，找出磷酸鐵鋰電池的火災(zāi)特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)工作實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，分析現(xiàn)有船舶電站固定式滅火系統(tǒng)存在的問題及安全隱患，提出一種新型固定式七氟丙烷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。并在此基礎(chǔ)上對(duì)安全等級(jí)為1 的船舶電站的固定式滅火系統(tǒng)也提出了設(shè)計(jì)思路。不過該方案尚需得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。