船舶锂电池消防系统仿真

冯毅，宋劭，谢红胜

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

船舶以动力电池作为能源因无污染、效率高，以及噪声低等优点而备受关注。北欧和北美地区对于动力电池在船舶上的应用研究较早，目前典型的电动船舶有隶属挪威船级社的“Amepre”号、由钛酸锂动力电池提供能量的“BB Green”号及24 TEU电动集装箱船“YARA BirKland”号等。国内电动船舶研究和发展较晚，现在主要的内河电动船有“浙岗巡航0302”巡逻船、“苏州河3”号游船、“苏州河21”号游船等。

虽然动力电池性能优越，但是也存在一系列的安全问题，最主要的问题就是由于电池热失控而引发燃烧和爆炸。这对船舶动力电池消防系统提出了一定的要求。相关的研究集中于锂电池动力船舱消防系统的设计规范；磷酸铁锂电池在小型游船的适应性分析；“局部应用”和“全淹没”方法相结合的灭火方式；各种灭火剂在锂电池动力船舶上的灭火效果对比实验等。而对于灭火剂从灭火罐到船舱内整个释放过程的研究较少有报道。针对这个问题，考虑利用fluent仿真软件对灭火剂整个释放过程进行数值模拟分析。

1 氮气驱动七氟丙烷消防系统模型

图1 船舶电池仓位置示意

每个电池仓拥有独立的通风消防和照明系统，每个电池仓内布置12个LF105电池模组，每个模组3并12串含有36个LF105电芯，见图2。

图2 LF105电池模组实物外观

1.1 锂电池热失控原因与危害

锂电池的风险主要来源于热失控，热失控是电池单体或者少量的电池单体在各种内源性或者外源性诱因下发生的危险情况，其发生的原因主要有自身缺陷、高温热冲击、电池包挤压碰撞、电池过充、短路等。导致电池发生热失控的电池内部原因主要有5个方面。

1)SEI膜分解反应。SEI膜是电池电极表面的钝化层，SEI膜的存在可以防止电池负极和电解液发生化学反应，但是随着电池温度的不断升高，SEI膜会受到一定的破坏，并开始分解产生热量，此分解反应的热量散发较少，并不是热失控燃烧爆炸的主要原因。

2)电解液分解反应。随着温度升高到一定的程度，电解液会发生一些不被期待的如溶剂和锂盐之间的副反应，并且如果电池的充电电压超过电解液的分解电压，电解液会发生分解并产生热量。

3)电池正极反应。电池充电池过程中，电池的正极材料易发生分解放热反应，电池正极的分解反应和电解液的氧化反应所释放的热量较多，占电池热失控放热的较大比例，是导致电池产生爆炸现象的主要原因。

4)嵌锂碳和溶剂反应。随着电池温度升高，超过一定的限度，嵌锂碳会和电解液中的黏结剂发生反应，其反应放热速率较大，但是因为电解液中的粘结剂含量较低，能够参加反应的量较少，所以不是电池发生热失控大量放热产生燃爆现象的主要原因。

5)锂金属的反应。锂金属的反应主要指的是锂枝晶的形成，锂枝晶是高活泼的锂原子在SEI上进行的不规则的电沉积，锂枝晶可能会穿透SEI层，导致电解质和电极界面不稳定，从而恶化电池性能，导致电池库伦效率降低，而且还可能发生内部短路从而导致电池热失控，安全性能降低。锂枝晶的形成受电极表面粗糙度、SEI层、机械应力，以及温度等因素的影响，如何抑制锂枝晶的产生和发展来提高电池的能量密度和库伦效率是重点问题。

当发生热失控时锂电池主要表现为冒烟起火，电池内材料分解放热，当电池内的温度、压力到达极限值时便会冲破电池包封装系统进而产生爆炸现象。对于船舱内的锂电池发生热失控时，会泄露出大量的有毒易燃烟气，如果这些烟气和热失控的的扩散没有得到有效的控制，最终可能会发生船舱爆炸及人员中毒等危险情况。

我有些头晕，我说八叔，你听我说。八叔摆了摆手，甭说了，你那些事大家都知道，你这住院住的是干部病房，花了五万，都是那个佟老板垫付的，对不对？

1.2 七氟丙烷消防系统

七氟丙烷灭火剂具有无色无味、毒性低、低二次污染，以及高绝缘性等优点，其灭火机理如下。

1)七氟丙烷消防剂以液态的形式从消防喷头中喷出，并且迅速的发生汽化，在汽化的过程中吸收大量的热量，能够起到降低火焰周围温度的作用，从而降低火焰能量起到灭火的作用。

2)七氟丙烷喷洒汽化之后，靠近火焰周围温度较大的区域，一些键发生断裂会吸收能量，从而起到减低火焰温度及灭火的作用。

3)七氟丙烷在汽化过程中能够充满整个空间，随着七氟丙烷气体越来越多，火焰周围的氧气含量便相应的减少，所以七氟丙烷还起到了隔绝氧气的作用，当火焰附近的氧气浓度降低到一定程度，火焰也会熄灭从而起到灭火的效果。

采用氮气驱动的七氟丙烷消防系统，对管内流动以及在单个电池仓内的释放特征进行模拟分析。

1.3 模型选取

七氟丙烷在管道内的流动属于湍流流动，是喷射过程中伴随压力变化的非稳态流动。采用Fluent里的-双方程模型中的标准型进行瞬态求解。由于七氟丙烷存在由液态到气态的相变过程，并且考虑到七氟丙烷实际的流动情况以及模型稳定性，本文选用混合(MIXTURE)模型对七氟丙烷灭火剂的流动过程进行模拟。

1.4 控制方程

流体运动遵循基本的质量、能量和动量守恒定律。如果存在不同成分的混合流体，组分守恒定律也是必不可少的。

1.5 几何结构

消防系统的二维物理模型见图3，主要模拟了当电池包发生火灾时，七氟丙烷由氮气驱动发生相变，通过管道和喷头喷洒在电池仓空间内的过程。

图3 物理模型几何结构

1.6 边界条件、参数设置及模型验证

采用压力作为出口的边界条件，管壁和电池仓壁采用壁面边界类型，七氟丙烷灭火喷放过程极短，来不及与外界进行热交换，因此采用绝热边界忽略外界与管壁的热交换；如图3f)是二维模型对称轴边界条件，图3e)喷口采用内壁面边界条件。七氟丙烷的饱和蒸气压低，不能满足灭火剂输送和喷放要求，所以依靠灭火瓶内氮气的压力进行灭火剂的输送，按照规范设置氮气压力为4.2 MPa，其余均为1个标准大气压；设置氮气、管道内空气以及汽化七氟丙烷为可压缩理想气体。

为了验证模型的可信度，对模型内灭火罐的压力变化进行验证，灭火罐内压力变化与文献[10]对比实验结果发现:罐内压力变化均为3个阶段：快速下降阶段、突升阶段、减缓下降阶段。整体变化趋势与实验结果相符合，因此此模型具有较高的可行性和研究价值。

2 结果分析

2.1 管内流动过程

对灭火剂喷射实验进行数值模拟见图4。当打开阀门时，灭火剂由瓶内高压氮气驱动流进管内，通过喷口后压力降低至汽化压强，灭火剂汽化为气体向电池包空间内喷射灭火，最终弥漫至整个空间内，吸收火焰附近热量并隔绝氧气，起到灭火和防止复燃的作用。

图4 灭火剂释放过程

2.2 灭火瓶内氮气压力变化

氮气压力变化主要分为3个阶段，第一阶段在打开消防管道阀门的初期，罐内氮气压力下降较快，推动灭火剂进入管道，灭火剂在管道出口处压力剧烈下降发生汽化现象；第二阶段瓶内压力出现突升，这是因为灭火剂流经管道压力下降引起沸腾而导致瓶内出现压力突升现象；第三阶段随着更多的灭火剂进入管道，灭火剂释放驱动力减小，从而导致灭火剂喷射越来越慢，灭火剂对氮气的压力减小速率下降，氮气压力下降率减缓，最后当灭火剂全部喷射完毕后氮气进入电池仓空间内，压力最终与大气压相等。

2.3 电池表面气相浓度

对电池表面气相浓度进行监控，电池包上表面靠近壁面边缘的地方灭火剂浓度较高，这是由于喷嘴阻板存在着一定的阻挡作用，可以使灭火剂向四周喷洒，这样会使灭火剂的喷洒更加均匀，从而导致四周的壁面附近电池表面先接触到灭火剂；随着喷洒时间的推移，灭火剂会沿着四周向内扩散，从而使电池中央壁面处灭火剂浓度上升，最终灭火剂将会覆盖整个电池表面从而起到吸收火焰热量和隔绝氧气的灭火作用。

3 结论

灭火剂的释放主要分为管路填充、相态转换、喷射混合3个阶段。对整个释放过程中氮气的压力和电池包表面的气相浓度变化进行监控，其变化趋势符合预期，具有较好的模型可靠性，验证了七氟丙烷灭火系统在电池发生热失控导致燃烧时控制烟气和火焰蔓延的有效性。

此模型对于电池包的安装位置以及灭火系统的管道出口位置的确定具有参考意义，电池包安装位置要与所选取的喷嘴模型和灭火瓶内的驱动压力相对应，借助模型分析，有利于选出最适合灭火系统的安装位置。