船舶鋰電池消防系統仿真

馮毅，宋劭，謝紅勝

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

船舶以動力電池作為能源因無污染、效率高，以及噪聲低等優點而備受關注。北歐和北美地區對于動力電池在船舶上的應用研究較早，目前典型的電動船舶有隸屬挪威船級社的“Amepre”號、由鈦酸鋰動力電池提供能量的“BB Green”號及24 TEU電動集裝箱船“YARA BirKland”號等。國內電動船舶研究和發展較晚，現在主要的內河電動船有“浙崗巡航0302”巡邏船、“蘇州河3”號游船、“蘇州河21”號游船等。

雖然動力電池性能優越，但是也存在一系列的安全問題，最主要的問題就是由于電池熱失控而引發燃燒和爆炸。這對船舶動力電池消防系統提出了一定的要求。相關的研究集中于鋰電池動力船艙消防系統的設計規范；磷酸鐵鋰電池在小型游船的適應性分析；“局部應用”和“全淹沒”方法相結合的滅火方式；各種滅火劑在鋰電池動力船舶上的滅火效果對比實驗等。而對于滅火劑從滅火罐到船艙內整個釋放過程的研究較少有報道。針對這個問題，考慮利用fluent仿真軟件對滅火劑整個釋放過程進行數值模擬分析。

1 氮氣驅動七氟丙烷消防系統模型

圖1 船舶電池倉位置示意

每個電池倉擁有獨立的通風消防和照明系統，每個電池倉內布置12個LF105電池模組，每個模組3并12串含有36個LF105電芯，見圖2。

圖2 LF105電池模組實物外觀

1.1 鋰電池熱失控原因與危害

鋰電池的風險主要來源于熱失控，熱失控是電池單體或者少量的電池單體在各種內源性或者外源性誘因下發生的危險情況，其發生的原因主要有自身缺陷、高溫熱沖擊、電池包擠壓碰撞、電池過充、短路等。導致電池發生熱失控的電池內部原因主要有5個方面。

1)SEI膜分解反應。SEI膜是電池電極表面的鈍化層，SEI膜的存在可以防止電池負極和電解液發生化學反應，但是隨著電池溫度的不斷升高，SEI膜會受到一定的破壞，并開始分解產生熱量，此分解反應的熱量散發較少，并不是熱失控燃燒爆炸的主要原因。

2)電解液分解反應。隨著溫度升高到一定的程度，電解液會發生一些不被期待的如溶劑和鋰鹽之間的副反應，并且如果電池的充電電壓超過電解液的分解電壓，電解液會發生分解并產生熱量。

3)電池正極反應。電池充電池過程中，電池的正極材料易發生分解放熱反應，電池正極的分解反應和電解液的氧化反應所釋放的熱量較多，占電池熱失控放熱的較大比例，是導致電池產生爆炸現象的主要原因。

4)嵌鋰碳和溶劑反應。隨著電池溫度升高，超過一定的限度，嵌鋰碳會和電解液中的黏結劑發生反應，其反應放熱速率較大，但是因為電解液中的粘結劑含量較低，能夠參加反應的量較少，所以不是電池發生熱失控大量放熱產生燃爆現象的主要原因。

5)鋰金屬的反應。鋰金屬的反應主要指的是鋰枝晶的形成，鋰枝晶是高活潑的鋰原子在SEI上進行的不規則的電沉積，鋰枝晶可能會穿透SEI層，導致電解質和電極界面不穩定，從而惡化電池性能，導致電池庫倫效率降低，而且還可能發生內部短路從而導致電池熱失控，安全性能降低。鋰枝晶的形成受電極表面粗糙度、SEI層、機械應力，以及溫度等因素的影響，如何抑制鋰枝晶的產生和發展來提高電池的能量密度和庫倫效率是重點問題。

當發生熱失控時鋰電池主要表現為冒煙起火，電池內材料分解放熱，當電池內的溫度、壓力到達極限值時便會沖破電池包封裝系統進而產生爆炸現象。對于船艙內的鋰電池發生熱失控時，會泄露出大量的有毒易燃煙氣，如果這些煙氣和熱失控的的擴散沒有得到有效的控制，最終可能會發生船艙爆炸及人員中毒等危險情況。

我有些頭暈，我說八叔，你聽我說。八叔擺了擺手，甭說了，你那些事大家都知道，你這住院住的是干部病房，花了五萬，都是那個佟老板墊付的，對不對？

1.2 七氟丙烷消防系統

七氟丙烷滅火劑具有無色無味、毒性低、低二次污染，以及高絕緣性等優點，其滅火機理如下。

1)七氟丙烷消防劑以液態的形式從消防噴頭中噴出，并且迅速的發生汽化，在汽化的過程中吸收大量的熱量，能夠起到降低火焰周圍溫度的作用，從而降低火焰能量起到滅火的作用。

2)七氟丙烷噴灑汽化之后，靠近火焰周圍溫度較大的區域，一些鍵發生斷裂會吸收能量，從而起到減低火焰溫度及滅火的作用。

3)七氟丙烷在汽化過程中能夠充滿整個空間，隨著七氟丙烷氣體越來越多，火焰周圍的氧氣含量便相應的減少，所以七氟丙烷還起到了隔絕氧氣的作用，當火焰附近的氧氣濃度降低到一定程度，火焰也會熄滅從而起到滅火的效果。

采用氮氣驅動的七氟丙烷消防系統，對管內流動以及在單個電池倉內的釋放特征進行模擬分析。

1.3 模型選取

七氟丙烷在管道內的流動屬于湍流流動，是噴射過程中伴隨壓力變化的非穩態流動。采用Fluent里的-雙方程模型中的標準型進行瞬態求解。由于七氟丙烷存在由液態到氣態的相變過程，并且考慮到七氟丙烷實際的流動情況以及模型穩定性，本文選用混合(MIXTURE)模型對七氟丙烷滅火劑的流動過程進行模擬。

1.4 控制方程

流體運動遵循基本的質量、能量和動量守恒定律。如果存在不同成分的混合流體，組分守恒定律也是必不可少的。

1.5 幾何結構

消防系統的二維物理模型見圖3，主要模擬了當電池包發生火災時，七氟丙烷由氮氣驅動發生相變，通過管道和噴頭噴灑在電池倉空間內的過程。

圖3 物理模型幾何結構

1.6 邊界條件、參數設置及模型驗證

采用壓力作為出口的邊界條件，管壁和電池倉壁采用壁面邊界類型，七氟丙烷滅火噴放過程極短，來不及與外界進行熱交換，因此采用絕熱邊界忽略外界與管壁的熱交換；如圖3f)是二維模型對稱軸邊界條件，圖3e)噴口采用內壁面邊界條件。七氟丙烷的飽和蒸氣壓低，不能滿足滅火劑輸送和噴放要求，所以依靠滅火瓶內氮氣的壓力進行滅火劑的輸送，按照規范設置氮氣壓力為4.2 MPa，其余均為1個標準大氣壓；設置氮氣、管道內空氣以及汽化七氟丙烷為可壓縮理想氣體。

為了驗證模型的可信度，對模型內滅火罐的壓力變化進行驗證，滅火罐內壓力變化與文獻[10]對比實驗結果發現:罐內壓力變化均為3個階段：快速下降階段、突升階段、減緩下降階段。整體變化趨勢與實驗結果相符合，因此此模型具有較高的可行性和研究價值。

2 結果分析

2.1 管內流動過程

對滅火劑噴射實驗進行數值模擬見圖4。當打開閥門時，滅火劑由瓶內高壓氮氣驅動流進管內，通過噴口后壓力降低至汽化壓強，滅火劑汽化為氣體向電池包空間內噴射滅火，最終彌漫至整個空間內，吸收火焰附近熱量并隔絕氧氣，起到滅火和防止復燃的作用。

圖4 滅火劑釋放過程

2.2 滅火瓶內氮氣壓力變化

氮氣壓力變化主要分為3個階段，第一階段在打開消防管道閥門的初期，罐內氮氣壓力下降較快，推動滅火劑進入管道，滅火劑在管道出口處壓力劇烈下降發生汽化現象；第二階段瓶內壓力出現突升，這是因為滅火劑流經管道壓力下降引起沸騰而導致瓶內出現壓力突升現象；第三階段隨著更多的滅火劑進入管道，滅火劑釋放驅動力減小，從而導致滅火劑噴射越來越慢，滅火劑對氮氣的壓力減小速率下降，氮氣壓力下降率減緩，最后當滅火劑全部噴射完畢后氮氣進入電池倉空間內，壓力最終與大氣壓相等。

2.3 電池表面氣相濃度

對電池表面氣相濃度進行監控，電池包上表面靠近壁面邊緣的地方滅火劑濃度較高，這是由于噴嘴阻板存在著一定的阻擋作用，可以使滅火劑向四周噴灑，這樣會使滅火劑的噴灑更加均勻，從而導致四周的壁面附近電池表面先接觸到滅火劑；隨著噴灑時間的推移，滅火劑會沿著四周向內擴散，從而使電池中央壁面處滅火劑濃度上升，最終滅火劑將會覆蓋整個電池表面從而起到吸收火焰熱量和隔絕氧氣的滅火作用。

3 結論

滅火劑的釋放主要分為管路填充、相態轉換、噴射混合3個階段。對整個釋放過程中氮氣的壓力和電池包表面的氣相濃度變化進行監控，其變化趨勢符合預期，具有較好的模型可靠性，驗證了七氟丙烷滅火系統在電池發生熱失控導致燃燒時控制煙氣和火焰蔓延的有效性。

此模型對于電池包的安裝位置以及滅火系統的管道出口位置的確定具有參考意義，電池包安裝位置要與所選取的噴嘴模型和滅火瓶內的驅動壓力相對應，借助模型分析，有利于選出最適合滅火系統的安裝位置。