船舶鋰電池消防系統(tǒng)仿真

馮毅，宋劭，謝紅勝

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

船舶以動(dòng)力電池作為能源因無污染、效率高，以及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。北歐和北美地區(qū)對(duì)于動(dòng)力電池在船舶上的應(yīng)用研究較早，目前典型的電動(dòng)船舶有隸屬挪威船級(jí)社的“Amepre”號(hào)、由鈦酸鋰動(dòng)力電池提供能量的“BB Green”號(hào)及24 TEU電動(dòng)集裝箱船“YARA BirKland”號(hào)等。國(guó)內(nèi)電動(dòng)船舶研究和發(fā)展較晚，現(xiàn)在主要的內(nèi)河電動(dòng)船有“浙崗巡航0302”巡邏船、“蘇州河3”號(hào)游船、“蘇州河21”號(hào)游船等。

雖然動(dòng)力電池性能優(yōu)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?zé)崾Э囟l(fā)燃燒和爆炸。這對(duì)船舶動(dòng)力電池消防系統(tǒng)提出了一定的要求。相關(guān)的研究集中于鋰電池動(dòng)力船艙消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范；磷酸鐵鋰電池在小型游船的適應(yīng)性分析；“局部應(yīng)用”和“全淹沒”方法相結(jié)合的滅火方式；各種滅火劑在鋰電池動(dòng)力船舶上的滅火效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)等。而對(duì)于滅火劑從滅火罐到船艙內(nèi)整個(gè)釋放過程的研究較少有報(bào)道。針對(duì)這個(gè)問題，考慮利用fluent仿真軟件對(duì)滅火劑整個(gè)釋放過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 氮?dú)怛?qū)動(dòng)七氟丙烷消防系統(tǒng)模型

圖1 船舶電池倉位置示意

每個(gè)電池倉擁有獨(dú)立的通風(fēng)消防和照明系統(tǒng)，每個(gè)電池倉內(nèi)布置12個(gè)LF105電池模組，每個(gè)模組3并12串含有36個(gè)LF105電芯，見圖2。

圖2 LF105電池模組實(shí)物外觀

1.1 鋰電池?zé)崾Э卦蚺c危害

鋰電池的風(fēng)險(xiǎn)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(nèi)源性或者外源性誘因下發(fā)生的危險(xiǎn)情況，其發(fā)生的原因主要有自身缺陷、高溫?zé)釠_擊、電池包擠壓碰撞、電池過充、短路等。導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控的電池內(nèi)部原因主要有5個(gè)方面。

1)SEI膜分解反應(yīng)。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(fù)極和電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是隨著電池溫度的不斷升高，SEI膜會(huì)受到一定的破壞，并開始分解產(chǎn)生熱量，此分解反應(yīng)的熱量散發(fā)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(yīng)。隨著溫度升高到一定的程度，電解液會(huì)發(fā)生一些不被期待的如溶劑和鋰鹽之間的副反應(yīng)，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(huì)發(fā)生分解并產(chǎn)生熱量。

3)電池正極反應(yīng)。電池充電池過程中，電池的正極材料易發(fā)生分解放熱反應(yīng)，電池正極的分解反應(yīng)和電解液的氧化反應(yīng)所釋放的熱量較多，占電池?zé)崾Э胤艧岬妮^大比例，是導(dǎo)致電池產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象的主要原因。

4)嵌鋰碳和溶劑反應(yīng)。隨著電池溫度升高，超過一定的限度，嵌鋰碳會(huì)和電解液中的黏結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)放熱速率較大，但是因?yàn)殡娊庖褐械恼辰Y(jié)劑含量較低，能夠參加反應(yīng)的量較少，所以不是電池發(fā)生熱失控大量放熱產(chǎn)生燃爆現(xiàn)象的主要原因。

5)鋰金屬的反應(yīng)。鋰金屬的反應(yīng)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(jìn)行的不規(guī)則的電沉積，鋰枝晶可能會(huì)穿透SEI層，導(dǎo)致電解質(zhì)和電極界面不穩(wěn)定，從而惡化電池性能，導(dǎo)致電池庫倫效率降低，而且還可能發(fā)生內(nèi)部短路從而導(dǎo)致電池?zé)崾Э?，安全性能降低。鋰枝晶的形成受電極表面粗糙度、SEI層、機(jī)械應(yīng)力，以及溫度等因素的影響，如何抑制鋰枝晶的產(chǎn)生和發(fā)展來提高電池的能量密度和庫倫效率是重點(diǎn)問題。

當(dāng)發(fā)生熱失控時(shí)鋰電池主要表現(xiàn)為冒煙起火，電池內(nèi)材料分解放熱，當(dāng)電池內(nèi)的溫度、壓力到達(dá)極限值時(shí)便會(huì)沖破電池包封裝系統(tǒng)進(jìn)而產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。對(duì)于船艙內(nèi)的鋰電池發(fā)生熱失控時(shí)，會(huì)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(kuò)散沒有得到有效的控制，最終可能會(huì)發(fā)生船艙爆炸及人員中毒等危險(xiǎn)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(gè)佟老板墊付的，對(duì)不對(duì)？

1.2 七氟丙烷消防系統(tǒng)

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(yōu)點(diǎn)，其滅火機(jī)理如下。

1)七氟丙烷消防劑以液態(tài)的形式從消防噴頭中噴出，并且迅速的發(fā)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(qū)域，一些鍵發(fā)生斷裂會(huì)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(gè)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(yīng)的減少，所以七氟丙烷還起到了隔絕氧氣的作用，當(dāng)火焰附近的氧氣濃度降低到一定程度，火焰也會(huì)熄滅從而起到滅火的效果。

采用氮?dú)怛?qū)動(dòng)的七氟丙烷消防系統(tǒng)，對(duì)管內(nèi)流動(dòng)以及在單個(gè)電池倉內(nèi)的釋放特征進(jìn)行模擬分析。

1.3 模型選取

七氟丙烷在管道內(nèi)的流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，是噴射過程中伴隨壓力變化的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。采用Fluent里的-雙方程模型中的標(biāo)準(zhǔn)型進(jìn)行瞬態(tài)求解。由于七氟丙烷存在由液態(tài)到氣態(tài)的相變過程，并且考慮到七氟丙烷實(shí)際的流動(dòng)情況以及模型穩(wěn)定性，本文選用混合(MIXTURE)模型對(duì)七氟丙烷滅火劑的流動(dòng)過程進(jìn)行模擬。

1.4 控制方程

流體運(yùn)動(dòng)遵循基本的質(zhì)量、能量和動(dòng)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(jié)構(gòu)

消防系統(tǒng)的二維物理模型見圖3，主要模擬了當(dāng)電池包發(fā)生火災(zāi)時(shí)，七氟丙烷由氮?dú)怛?qū)動(dòng)發(fā)生相變，通過管道和噴頭噴灑在電池倉空間內(nèi)的過程。

圖3 物理模型幾何結(jié)構(gòu)

1.6 邊界條件、參數(shù)設(shè)置及模型驗(yàn)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(jìn)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(duì)稱軸邊界條件，圖3e)噴口采用內(nèi)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?jī)?nèi)氮?dú)獾膲毫M(jìn)行滅火劑的輸送，按照規(guī)范設(shè)置氮?dú)鈮毫?.2 MPa，其余均為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；設(shè)置氮?dú)?、管道?nèi)空氣以及汽化七氟丙烷為可壓縮理想氣體。

為了驗(yàn)證模型的可信度，對(duì)模型內(nèi)滅火罐的壓力變化進(jìn)行驗(yàn)證，滅火罐內(nèi)壓力變化與文獻(xiàn)[10]對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):罐內(nèi)壓力變化均為3個(gè)階段：快速下降階段、突升階段、減緩下降階段。整體變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，因此此模型具有較高的可行性和研究?jī)r(jià)值。

2 結(jié)果分析

2.1 管內(nèi)流動(dòng)過程

對(duì)滅火劑噴射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬見圖4。當(dāng)打開閥門時(shí)，滅火劑由瓶?jī)?nèi)高壓氮?dú)怛?qū)動(dòng)流進(jìn)管內(nèi)，通過噴口后壓力降低至汽化壓強(qiáng)，滅火劑汽化為氣體向電池包空間內(nèi)噴射滅火，最終彌漫至整個(gè)空間內(nèi)，吸收火焰附近熱量并隔絕氧氣，起到滅火和防止復(fù)燃的作用。

圖4 滅火劑釋放過程

2.2 滅火瓶?jī)?nèi)氮?dú)鈮毫ψ兓?/h3>

氮?dú)鈮毫ψ兓饕譃?個(gè)階段，第一階段在打開消防管道閥門的初期，罐內(nèi)氮?dú)鈮毫ο陆递^快，推動(dòng)滅火劑進(jìn)入管道，滅火劑在管道出口處壓力劇烈下降發(fā)生汽化現(xiàn)象；第二階段瓶?jī)?nèi)壓力出現(xiàn)突升，這是因?yàn)闇缁饎┝鹘?jīng)管道壓力下降引起沸騰而導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)壓力突升現(xiàn)象；第三階段隨著更多的滅火劑進(jìn)入管道，滅火劑釋放驅(qū)動(dòng)力減小，從而導(dǎo)致滅火劑噴射越來越慢，滅火劑對(duì)氮?dú)獾膲毫p小速率下降，氮?dú)鈮毫ο陆德蕼p緩，最后當(dāng)滅火劑全部噴射完畢后氮?dú)膺M(jìn)入電池倉空間內(nèi)，壓力最終與大氣壓相等。

2.3 電池表面氣相濃度

對(duì)電池表面氣相濃度進(jìn)行監(jiān)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(huì)使滅火劑的噴灑更加均勻，從而導(dǎo)致四周的壁面附近電池表面先接觸到滅火劑；隨著噴灑時(shí)間的推移，滅火劑會(huì)沿著四周向內(nèi)擴(kuò)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(huì)覆蓋整個(gè)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(jié)論

滅火劑的釋放主要分為管路填充、相態(tài)轉(zhuǎn)換、噴射混合3個(gè)階段。對(duì)整個(gè)釋放過程中氮?dú)獾膲毫碗姵匕砻娴臍庀酀舛茸兓M(jìn)行監(jiān)控，其變化趨勢(shì)符合預(yù)期，具有較好的模型可靠性，驗(yàn)證了七氟丙烷滅火系統(tǒng)在電池發(fā)生熱失控導(dǎo)致燃燒時(shí)控制煙氣和火焰蔓延的有效性。

此模型對(duì)于電池包的安裝位置以及滅火系統(tǒng)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?jī)?nèi)的驅(qū)動(dòng)壓力相對(duì)應(yīng)，借助模型分析，有利于選出最適合滅火系統(tǒng)的安裝位置。