一种新型锂电池动力客船固定式灭火系统设计

刘磊

（中国船级社 宜昌分社，湖北 宜昌 443000）

随着国家长江大保护战略的实施和双碳目标的提出，越来越多诸如LNG 动力船、氢燃料电池动力船、锂离子电池动力船等新能源动力船舶相继出现。相比于传统柴油动力船，电池动力游览船噪音低，震动小，给乘客带来了优越舒适的乘坐体验，但也对船舶的防火安全带来了新的挑战。

锂离子电池电动客船电池容量大，可类比陆上储能电站，储能电站火灾事故虽然造成的财产损失不少但一般人员伤亡不多。与储能电站不同的是，旅游客船尤其是游览船人员众多且密集，空间相对狭小，一旦发生火灾事故，将可能造成大量人员伤亡，后果不堪设想。因此有必要对锂电池动力客船的火灾防护进行详细研究。

1 船舶使用磷酸铁锂电池安全性分析

锂电池的危险性主要是由于热失控产生有毒易燃的气体并产生大量的热量，进而引起火灾。三元锂电池会在较低的温度下产生热失控，火势猛烈难以被扑灭。磷酸铁锂电池发生热失控的温度更高，过程也相对温和，会持续产生大量的可燃气体，一般遇到着火源才会引发大火。相对来说，磷酸铁锂电池更安全，所以目前电池动力船舶多选择磷酸铁锂电池做船舶电站。

中国船级社《纯电池动力船舶检验指南》将船用锂电池按照安全等级分为2 类，安全等级为1 的锂电池危险性高于2 级，见表1。针对不同安全等级的锂电池制定不同的使用限制条件。

表1 锂电池安全分级一览表[1]

2 磷酸铁锂电池火灾特性

2.1 有毒可燃性

中国科学技术大学王青松等总结了电池热失控过程中产生的主要气体成分及组分[2]。试验表明不同SOC下气体组成成分会有不同，图1 为100%SOC 情况下磷酸铁锂电池热失控后测量的气体组分。

图1 LFP 热失控后气体成分

2.2 高温性

黎可对228A.h 的磷酸铁锂电池进行热失控研究，记录不同热失控阶段的电池表面的温度，并汇成图2 的曲线[3]。从曲线中明显可见100%SOC 的磷酸铁锂电池热失控时的温度已经接近600 摄氏度，已经可以熔化锂电池模块的外壳。

图2 磷酸铁锂电池热失控过程曲线[3]

3 磷酸铁锂电池热失控能量分析

为了更直观地研究锂电池热失控过程中产生的热量，可将磷酸铁锂电池热失控后产生的热量转化为TNT三硝基甲苯的炸药当量。

磷酸铁锂电池热失控的化学过程比较复杂，总体来说其热量由六部分组成，包括SEI 膜分解产生的热量、正极材料和电解液反应产生的热量、负极材料和电解液反应产生的热量、电解液自身分解产生的热量、正极材料燃烧产生的热量、负极材料燃烧产生的热量。用公式表达如式(1)所示。

式(1)可以简化为式(2),

根据比热容计算公式可得式(3)

式中：C---锂电池的比容

m---锂电池质量

以最常见的32650 磷酸铁锂电池为例，查阅资料可知其为1.158，100%SOC 时质量为139g，根据孙一楠实验[4]，为641℃，为284℃。将之带入式(3)及(4)，就可以得出热失控总热量为57.46KJ，锂电池爆炸当量为12.70g。即一个32650 磷酸铁锂电池在100%热失控时产生的热量相当于12.70gTNT 爆炸产生的热量。而船舶电站是由成千上万颗单体电池组成，其热失控产生的TNT 当量可想而知。

4 现有电池动力船舶固定式灭火系统存在的问题

现有电池动力船的设计均需满足中国船级社发布的《纯电池动力船舶检验指南》，该指南在火灾防护方面的设计分为空间隔离、防火结构防护、火灾探测、灭火几个方面。

在灭火环节，规范要求设置固定式灭火系统可以为七氟丙烷系统或压力水雾系统。对于安全等级为2 的蓄电池舱七氟丙烷灭火系统仅需要满足一次灭火的剂量，而安全等级为1 的蓄电池舱所配备的剂量应能在复燃时再次释放。

针对磷酸铁锂电池火灾，一些专家学者做了大量的试验，通过分析这些试验结论，笔者发现目前电池动力船上所用的固定式灭火系统存在以下问题：

（1）对于安全等级为2 的蓄电池如磷酸铁锂电池，规范允许使用七氟丙烷灭火系统。但七氟丙烷灭火系统仅能扑灭首次明火，很难避免复燃现象。

（2）对于安全等级为2 的蓄电池，规范允许使用压力水雾灭火系统，但并未明确规定蓄电池外壳的防护等级。在压力水雾施放后有可能造成蓄电池外部短路，引起更大的火灾。

（3）对于安全等级为1 的蓄电池，允许使用七氟丙烷灭火系统，且要求灭火剂量和控制系统应能保证该系统在蓄电池复燃时能再次释放，每次释放的容量均按该处所总容积的9%进行设计[1]。但因为很难有方法可以预测复燃的次数，也就无法准确计算所需的剂量。

（4）对于安全等级为1 的蓄电池，允许使用七氟丙烷灭火系统。但事实上安全等级为1 的蓄电池如三元锂电池，热失控温度比磷酸铁锂电池更低且更加活泼危险，磷酸铁锂电池尚且无法控制复燃，对于三元锂电池更是难以预料灭火效果。

5 一种新型固定式灭火系统设计

事实上研究发现，锂离子电池火灾的灭火原则应该是“灭火+降温”同步进行，二者缺一不可。同时具有灭火和降温两种属性的灭火剂有七氟丙烷、全氟己酮、压力水雾系统等。但前文已经说明气体灭火剂因为难以估算复燃次数，也就无法确定所需剂量，因此只能作为辅助灭火措施，或者初期灭火措施。压力水雾系统既能灭火又能降温，且船上水源可以无限供应，实际灭火效果经实验实测优于气体灭火系统。但是目前船舶蓄电池舱的中包括蓄电池在内的电气设备的外壳防护等级却无法保证电气绝缘，经过水雾喷淋之后可能引发更大规模的外部短路，进而引起更多锂电池热失控，有可能直接造成更大规模的火灾。

综合考虑，笔者提出以下灭火方案。将现有的七氟丙烷固定式灭火系统增设管路直接与每个蓄电池模块相连。当蓄电池模块内的温度检测电路检测到温度超过热失控温度时，启动七氟丙烷对首先发生热失控的蓄电池模块进行灭火和降温。由于七氟丙烷的剂量是按照能满足整个蓄电池舱9%的容积配备，相对于单个蓄电池模块内的空间来说其剂量几乎是无限大。而且大剂量的液态七氟丙烷气化可以吸收大量的热量，能有效抑制问题模块的热失控，并且在蓄电池模块内形成高浓度的七氟丙烷蒸汽。该方法的整体设计思想就是将原来对整个蓄电池舱灭火变成及时对问题蓄电池模块灭火，将对整个蓄电池舱漫无目的的“机舱扫射”变成对具体着火源的“精准狙击”。方案的示意图如图3 所示。

图3 新型固定式灭火系统示意图

具体的实现过程如图4 所示。

图4 新型固定式灭火系统图

系统正常工作时蓄电池模块内置的温度检测电路将蓄电池实时温度传送至控制器，当某个蓄电池模块的温度超过预先设定好的热失控温度时（如某试验测得为100%SOC 下为167℃[3]），控制器发出信号首先打开这个蓄电池模块上七氟丙烷释放电池阀。同时向蓄电池舱和消防控制站、驾驶室等位置发出释放预报警，并切断问题蓄电池模块（或蓄电池组），关闭蓄电池舱风机、油泵、燃油柜、滑油柜出口（若有时）等。延时20S 后再启动七氟丙烷瓶组的瓶头阀，此时七氟丙烷将进入问题蓄电池模块。蓄电池模块外壳并不要求气密，进入模块的七氟丙烷不断气化，持续吸收问题蓄电池模块热失控产生的热量。由于热失控的热量不断被带走，热失控的连锁反应因温度不够将被打断。气化后的七氟丙烷将问题蓄电池模块浸没，可以及时扑灭明火。如果多个蓄电池模块同时发生热失控，系统将会同时打开多个问题蓄电池模块的释放电磁阀。如果仍然无法控制热失控，蓄电池热失控将产生大量的可燃气体和烟雾，将触发蓄电池舱内安装固定式自动探火和失火报警系统的感烟探头。此时控制器再打开蓄电池舱七氟丙烷释放总阀，向整个蓄电池舱释放七氟丙烷。

上述方案是对安全等级为2 的锂电池的灭火方案。对于安全等级为1 的锂电池电站，从单个问题模块热失控到引起附近的蓄电池组热失控过程短暂而剧烈，因此此时抑制其他电池模块热失控就是重中之重，对于船舶来说，压力水雾系统就是非常合适的配备。总体思路为：在图3 基础上进一步增设压力水雾灭火系统。初次火灾或小型火灾使用新型固定式七氟丙烷灭火系统，一旦火势扩大进一步启动压力水雾灭火系统。需要说明的是对于设置这种固定式七氟丙烷系统+固定式压力水雾系统的组合灭火系统的船舶，应要求蓄电池舱内的电气设备包括蓄电池模块的外壳防护等级至少为IP67。

6 结论

本文通过对磷酸铁锂电池的安全性分析，找出磷酸铁锂电池的火灾特性，结合现场检验工作实际经验，分析现有船舶电站固定式灭火系统存在的问题及安全隐患，提出一种新型固定式七氟丙烷系统设计方案。并在此基础上对安全等级为1 的船舶电站的固定式灭火系统也提出了设计思路。不过该方案尚需得到实验验证。