一种船舶锂离子电池灭火定量控制系统的制作方法

本发明涉及一种船舶锂离子电池灭火系统，属于船舶设计。

背景技术：

1、最近几年，清洁能源在船舶上的应用得到了广泛的研究，特别是用于储能或直接推进的大容量锂离子电池也越来越受到重视。这种电力推进船舶由于其不同的驱动方式，具有不同于传统动力燃料船舶的新的火灾特性。在没有内燃机的情况下，燃油管路或机械故障引起火灾的可能性降低，但电力推进船舶使用的锂离子电池如果滥用，可能会发生热失控，如过充、放电、短路、高温、碰撞等，从而引发火灾，进而对航行安全造成威胁。

2、锂离子电池是一种采用含有锂元素的材料作为电极的电池，以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极。锂离子电池按正极材料分为钴酸锂(licoo2)、锰酸锂(limn2o4)、三元锂(linixcoymnzo2)、磷酸铁锂(lifepo4)；按负极材料分碳素材料(石墨)和钛酸锂(li4ti5o12)。因此，锂离子电池有多种类别可供选择，各类锂离子电池特性如下表1所示。

3、表1锂离子电池特性表

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6、从表1各类锂离子电池特性对比来看，安全性和稳定性最好的是磷酸铁锂电池；而且磷酸铁锂电池在热失控时，化学反应不会释氧，目前是相对最安全的锂离子电池；但在如内部短路、电池过充、过放等等极端情况下，依然会引起锂离子电池的燃烧等事故。船舶配置磷酸铁锂电池时，通过配备相应的锂离子电池灭火系统，以及相应的辅助散热、监测等措施，能有效降低或减少电池燃烧引起的船舶安全风险，使得船舶配置磷酸铁锂电池的更安全可靠。

7、根据中国船级社发布的《船舶应用电池动力规范》中明确，除能量型超级电容器处所外，蓄电池舱应设置下列固定式灭火系统之一进行保护：

8、1、七氟丙烷灭火系统，其灭火设计浓度应至少为9％。

9、2、二氧化碳灭火系统，其灭火剂数量应按该处所总容积的至少40％进行设计。

10、但规范没有提及灭火系统的具体要求。如何设计灭火系统、灭火系统需要多少用量，才能满足船舶配置磷酸铁锂电池的需求，保障船舶安全。到目前为止，暂时没有相关船级社规范提及灭火系统如何构建，以及灭火系统用量如何确定量级，而这些问题，都是船舶配置磷酸铁锂电池所必须考虑的船舶安全问题。

11、单体灭火试验的合格标准是:不仅能扑灭电池火灾，而且电池不会重燃、爆炸或冒出白烟。目前，船舶用主流灭火系统有co2灭火、水喷淋灭火、干粉灭火、惰性气体灭火等，而当下主流的锂离子电池灭火系统大多采用七氟丙烷作为灭火剂。

12、对于七氟丙烷，国外学者对其灭火机理进行了详细的研究。得到的结论是其物理效应和化学效应是混合的。物理效应主要是冷却，液体药剂在极短的时间内转化为气体的过程中，火焰反应区里有大量的热量被抽走，能量被分解成七氟丙烷蒸气，通过破坏氟键来吸收，氟键具有良好的稳定性。由于这个原因，电池温度可能会降到临界点以下，这是热失控反应所必需的。

13、对灭火的化学效应是火焰中的少量七氟丙烷产生热分解并形成氟碳，氟碳消耗燃烧链传播物质h和o。相应的，支链燃烧反应速率降低，火焰被抑制。而物理机制对灭火的贡献大于化学机制。与二氧化碳和超细粉末等灭火剂相比，七氟丙烷通过快速吸收火焰反应区汽化和分解的热量，成功地抑制了电池热失控，对电池的冷却起着关键作用。

14、对于甲板面积小于4平方米的蓄电池舱，可配备足够数量的手提式七氟丙烷灭火器；超过4平方米的蓄电池舱，则需采用固定式灭火系统。考虑到目前船舶在绿色环保方面要求越来越高，而七氟丙烷灭火系统具有对锂离子电池灭火效率高，相对储存压力低，自身安全性能好，根据表2，人可以短时间暴露在相应的七氟丙烷浓度中，因而可用于经常有人的区域或处所，还能以液态储存，占地面积小，适用于空间有限的船舶舱室区域。

15、表2暴露在七氟丙烷不同浓度下的安全时间

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17、船舶配备锂离子电池是船舶应用新能源，减少排放，节能环保的趋势；但目前的船级社规范对船舶配备锂离子电池的灭火系统，只提及需要配置，无具体的灭火系统构成和要求。燃烧试验表明，锂离子电池发生火灾不仅仅是电解液易燃性的简单结果，伴随的热失控反应更为复杂，电池数量越多，火灾风险越大。可以推测，即使使用惰性气体或窒息气体灭火剂抑制了电池火灾的火焰，如果不同时降低电池内部温度，很可能由于电池级联热失控反应而处于重新点燃和爆炸的危险之中。因此，如何构建船舶锂离子电池灭火控制系统，是船舶配置磷酸铁锂电池，有效保障船舶安全所必须解决的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：如何设计灭火控制系统、灭火系统需要多少用量，以满足船舶配置磷酸铁锂电池的需求，保障船舶安全。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种船舶锂离子电池灭火定量控制系统，其包括与控制箱连接、且设于锂离子电池舱室内的火警感烟探测器、锂离子电池组、用于控制灭火剂喷头的电磁阀、散热风机、排风机、声光报警装置、温度传感器。

3、优选地，所述锂离子电池舱室一侧的两边分别设有出入口，每个出入口设有一声光报警装置及一个排风机，锂离子电池舱室的中部及另一侧分布有锂离子电池组，散热风机均布于锂离子电池舱室内的锂离子电池组的间隔处。

4、更优选地，所述温度传感器分布于任意两组锂离子电池组之间。

5、更优选地，所述温度传感器分布于中部的锂离子电池组与另一侧的锂离子电池组之间。

6、更优选地，所述温度传感器有两个，分别分布于中部的锂离子电池组与另一侧的锂离子电池组之间的两端。

7、优选地，所述的灭火剂采用七氟丙烷灭火剂。

8、更优选地，所述灭火剂用量的计算公式为：

9、

10、上式中，m代表的是灭火剂的设计用量，kg；v代表的是防护区域的净容积，m3；c代表的是灭火剂的设计浓度，％；s所代表的是灭火剂在防护区域的大气压强为101.3kpa以及环境温度为20℃时候的过热蒸汽比容，m3/kg，其计算公式近似为：

11、s＝k1+k2t；

12、其中，t为防护区设计温度，k1＝0.1269，k2＝0.000513。

13、更优选地，所述灭火剂的设计浓度不低于9％。

14、更优选地，所述灭火剂的设计浓度为9％，则灭火剂的设计用量m的计算公式为：

15、

16、更优选地，所述火警感烟探测器探测到火警信号时，声光报警装置报警，同时发出停止通热风机、排风机工作指令，再通过温度传感器，获得所在区域的最低环境温度；所述控制系统依据已装载的区域净容积，计算出灭火剂的喷放剂量，然后打开电磁阀控制灭火剂喷头释放灭火剂，当控制系统监测到灭火剂释放以后，立即开计时，等达到喷放时间，立即关闭电磁阀；直到温度传感器，显示锂离子电池组已回归正常温度时，开启通热风机、排风机，将灭火产生的气体排出，直至解除声光报警装置的报警，人员才能安全进入锂离子电池组所在区域。

17、该系统以陆用锂离子电池灭火系统标准为基础，通过公式计算出灭火系统的相关量化值，结合近几年船用锂离子电池的规范，设计了一种优化的船舶锂离子电池灭火定量控制系统。

18、本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

19、1.可以精确的控制七氟丙烷的喷放剂量，喷放时间，既避免了喷放过多造成浪费和有害，又避免了喷放太少电池二次燃烧。

20、2.可以控制相应的通风风机起停，以及声光报警。

21、3.本发明通过合理的风机布置，控制逻辑，大大提高了船舶锂离子电池灭火的效率和安全性。

22、4.满足船舶磷酸铁锂电池所在处所人员安全、设备保护和灭火消防安全防护的要求。