一種新型鋰電池動力客船固定式滅火系統設計

劉磊

（中國船級社 宜昌分社，湖北 宜昌 443000）

隨著國家長江大保護戰略的實施和雙碳目標的提出，越來越多諸如LNG 動力船、氫燃料電池動力船、鋰離子電池動力船等新能源動力船舶相繼出現。相比于傳統柴油動力船，電池動力游覽船噪音低，震動小，給乘客帶來了優越舒適的乘坐體驗，但也對船舶的防火安全帶來了新的挑戰。

鋰離子電池電動客船電池容量大，可類比陸上儲能電站，儲能電站火災事故雖然造成的財產損失不少但一般人員傷亡不多。與儲能電站不同的是，旅游客船尤其是游覽船人員眾多且密集，空間相對狹小，一旦發生火災事故，將可能造成大量人員傷亡，后果不堪設想。因此有必要對鋰電池動力客船的火災防護進行詳細研究。

1 船舶使用磷酸鐵鋰電池安全性分析

鋰電池的危險性主要是由于熱失控產生有毒易燃的氣體并產生大量的熱量，進而引起火災。三元鋰電池會在較低的溫度下產生熱失控，火勢猛烈難以被撲滅。磷酸鐵鋰電池發生熱失控的溫度更高，過程也相對溫和，會持續產生大量的可燃氣體，一般遇到著火源才會引發大火。相對來說，磷酸鐵鋰電池更安全，所以目前電池動力船舶多選擇磷酸鐵鋰電池做船舶電站。

中國船級社《純電池動力船舶檢驗指南》將船用鋰電池按照安全等級分為2 類，安全等級為1 的鋰電池危險性高于2 級，見表1。針對不同安全等級的鋰電池制定不同的使用限制條件。

表1 鋰電池安全分級一覽表[1]

2 磷酸鐵鋰電池火災特性

2.1 有毒可燃性

中國科學技術大學王青松等總結了電池熱失控過程中產生的主要氣體成分及組分[2]。試驗表明不同SOC下氣體組成成分會有不同，圖1 為100%SOC 情況下磷酸鐵鋰電池熱失控后測量的氣體組分。

圖1 LFP 熱失控后氣體成分

2.2 高溫性

黎可對228A.h 的磷酸鐵鋰電池進行熱失控研究，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 的磷酸鐵鋰電池熱失控時的溫度已經接近600 攝氏度，已經可以熔化鋰電池模塊的外殼。

圖2 磷酸鐵鋰電池熱失控過程曲線[3]

3 磷酸鐵鋰電池熱失控能量分析

為了更直觀地研究鋰電池熱失控過程中產生的熱量，可將磷酸鐵鋰電池熱失控后產生的熱量轉化為TNT三硝基甲苯的炸藥當量。

磷酸鐵鋰電池熱失控的化學過程比較復雜，總體來說其熱量由六部分組成，包括SEI 膜分解產生的熱量、正極材料和電解液反應產生的熱量、負極材料和電解液反應產生的熱量、電解液自身分解產生的熱量、正極材料燃燒產生的熱量、負極材料燃燒產生的熱量。用公式表達如式(1)所示。

式(1)可以簡化為式(2),

根據比熱容計算公式可得式(3)

式中：C---鋰電池的比容

m---鋰電池質量

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 時質量為139g，根據孫一楠實驗[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，鋰電池爆炸當量為12.70g。即一個32650 磷酸鐵鋰電池在100%熱失控時產生的熱量相當于12.70gTNT 爆炸產生的熱量。而船舶電站是由成千上萬顆單體電池組成，其熱失控產生的TNT 當量可想而知。

4 現有電池動力船舶固定式滅火系統存在的問題

現有電池動力船的設計均需滿足中國船級社發布的《純電池動力船舶檢驗指南》，該指南在火災防護方面的設計分為空間隔離、防火結構防護、火災探測、滅火幾個方面。

在滅火環節，規范要求設置固定式滅火系統可以為七氟丙烷系統或壓力水霧系統。對于安全等級為2 的蓄電池艙七氟丙烷滅火系統僅需要滿足一次滅火的劑量，而安全等級為1 的蓄電池艙所配備的劑量應能在復燃時再次釋放。

針對磷酸鐵鋰電池火災，一些專家學者做了大量的試驗，通過分析這些試驗結論，筆者發現目前電池動力船上所用的固定式滅火系統存在以下問題：

（1）對于安全等級為2 的蓄電池如磷酸鐵鋰電池，規范允許使用七氟丙烷滅火系統。但七氟丙烷滅火系統僅能撲滅首次明火，很難避免復燃現象。

（2）對于安全等級為2 的蓄電池，規范允許使用壓力水霧滅火系統，但并未明確規定蓄電池外殼的防護等級。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。

（3）對于安全等級為1 的蓄電池，允許使用七氟丙烷滅火系統，且要求滅火劑量和控制系統應能保證該系統在蓄電池復燃時能再次釋放，每次釋放的容量均按該處所總容積的9%進行設計[1]。但因為很難有方法可以預測復燃的次數，也就無法準確計算所需的劑量。

（4）對于安全等級為1 的蓄電池，允許使用七氟丙烷滅火系統。但事實上安全等級為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，磷酸鐵鋰電池尚且無法控制復燃，對于三元鋰電池更是難以預料滅火效果。

5 一種新型固定式滅火系統設計

事實上研究發現，鋰離子電池火災的滅火原則應該是“滅火+降溫”同步進行，二者缺一不可。同時具有滅火和降溫兩種屬性的滅火劑有七氟丙烷、全氟己酮、壓力水霧系統等。但前文已經說明氣體滅火劑因為難以估算復燃次數，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。壓力水霧系統既能滅火又能降溫，且船上水源可以無限供應，實際滅火效果經實驗實測優于氣體滅火系統。但是目前船舶蓄電池艙的中包括蓄電池在內的電氣設備的外殼防護等級卻無法保證電氣絕緣，經過水霧噴淋之后可能引發更大規模的外部短路，進而引起更多鋰電池熱失控，有可能直接造成更大規模的火災。

綜合考慮，筆者提出以下滅火方案。將現有的七氟丙烷固定式滅火系統增設管路直接與每個蓄電池模塊相連。當蓄電池模塊內的溫度檢測電路檢測到溫度超過熱失控溫度時，啟動七氟丙烷對首先發生熱失控的蓄電池模塊進行滅火和降溫。由于七氟丙烷的劑量是按照能滿足整個蓄電池艙9%的容積配備，相對于單個蓄電池模塊內的空間來說其劑量幾乎是無限大。而且大劑量的液態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形成高濃度的七氟丙烷蒸汽。該方法的整體設計思想就是將原來對整個蓄電池艙滅火變成及時對問題蓄電池模塊滅火，將對整個蓄電池艙漫無目的的“機艙掃射”變成對具體著火源的“精準狙擊”。方案的示意圖如圖3 所示。

圖3 新型固定式滅火系統示意圖

具體的實現過程如圖4 所示。

圖4 新型固定式滅火系統圖

系統正常工作時蓄電池模塊內置的溫度檢測電路將蓄電池實時溫度傳送至控制器，當某個蓄電池模塊的溫度超過預先設定好的熱失控溫度時（如某試驗測得為100%SOC 下為167℃[3]），控制器發出信號首先打開這個蓄電池模塊上七氟丙烷釋放電池閥。同時向蓄電池艙和消防控制站、駕駛室等位置發出釋放預報警，并切斷問題蓄電池模塊（或蓄電池組），關閉蓄電池艙風機、油泵、燃油柜、滑油柜出口（若有時）等。延時20S 后再啟動七氟丙烷瓶組的瓶頭閥，此時七氟丙烷將進入問題蓄電池模塊。蓄電池模塊外殼并不要求氣密，進入模塊的七氟丙烷不斷氣化，持續吸收問題蓄電池模塊熱失控產生的熱量。由于熱失控的熱量不斷被帶走，熱失控的連鎖反應因溫度不夠將被打斷。氣化后的七氟丙烷將問題蓄電池模塊浸沒，可以及時撲滅明火。如果多個蓄電池模塊同時發生熱失控，系統將會同時打開多個問題蓄電池模塊的釋放電磁閥。如果仍然無法控制熱失控，蓄電池熱失控將產生大量的可燃氣體和煙霧，將觸發蓄電池艙內安裝固定式自動探火和失火報警系統的感煙探頭。此時控制器再打開蓄電池艙七氟丙烷釋放總閥，向整個蓄電池艙釋放七氟丙烷。

上述方案是對安全等級為2 的鋰電池的滅火方案。對于安全等級為1 的鋰電池電站，從單個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，因此此時抑制其他電池模塊熱失控就是重中之重，對于船舶來說，壓力水霧系統就是非常合適的配備?？傮w思路為：在圖3 基礎上進一步增設壓力水霧滅火系統。初次火災或小型火災使用新型固定式七氟丙烷滅火系統，一旦火勢擴大進一步啟動壓力水霧滅火系統。需要說明的是對于設置這種固定式七氟丙烷系統+固定式壓力水霧系統的組合滅火系統的船舶，應要求蓄電池艙內的電氣設備包括蓄電池模塊的外殼防護等級至少為IP67。

6 結論

本文通過對磷酸鐵鋰電池的安全性分析，找出磷酸鐵鋰電池的火災特性，結合現場檢驗工作實際經驗，分析現有船舶電站固定式滅火系統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設計方案。并在此基礎上對安全等級為1 的船舶電站的固定式滅火系統也提出了設計思路。不過該方案尚需得到實驗驗證。