蓄電池在船舶上的應(yīng)用和分析

李海濤

摘? 要： 蓄電池作為船舶上的一種應(yīng)急能源存儲設(shè)備，是船舶和人員安全的重要保障，蓄電池選擇或使用不當都會造成不可估量的損失。根據(jù)化學(xué)特性區(qū)分，當前船舶上常用的蓄電池主要有鉛酸蓄電池和鎳鉻蓄電池兩大類。根據(jù)用途區(qū)分，主要有起動蓄電池、儲能蓄電池、牽引蓄電池等類型。文章以船舶上不同類型系統(tǒng)為對象，通過對它們各自性能的比較，結(jié)合實際選型錯誤的案例，分析總結(jié)出船用蓄電池的一般選型建議和使用注意事項。

關(guān)鍵詞：? 船用蓄電池;鉛酸蓄電池;鎳鉻蓄電池;船用電池選型

中圖分類號： U662.3? ?文獻標識碼：A

0? 引言

蓄電池作為一種通過電化學(xué)反應(yīng)儲存能量的設(shè)備，應(yīng)用非常普及，小到手機，大到航天飛船，到處都有它的身影。在船舶上也不例外，蓄電池在很多關(guān)鍵的船用設(shè)備上發(fā)揮著重要作用。與一般工業(yè)應(yīng)用不同的是，船舶作為一個小型海上城鎮(zhèn)，所用到的蓄電池數(shù)量較少但種類較多，可靠性的要求更高。陸地上，蓄電池一般有專業(yè)人員維護，船上因條件限制，蓄電池的選擇和使用往往缺乏專業(yè)指導(dǎo)，輕則，影響了蓄電池性能發(fā)揮，導(dǎo)致蓄電池提前報廢，重則，可能帶來嚴重的運營事故。本文主要針對船舶常用蓄電池進行比較和分類，通過實例介紹其性能差異，總結(jié)歸納出船用蓄電池的一般選型建議和使用注意事項。

1? 正文

1.1不同化學(xué)類型蓄電池的區(qū)別

蓄電池的種類繁多，基于可靠性和性價比的考量，目前船舶上應(yīng)用最多的依然是鉛酸蓄電池和鎳鉻蓄電池，尤其以鉛酸蓄電池為多，占據(jù)了絕大多數(shù)的市場份額。本文主要以這兩種電池作為主要探討對象進行比較分析，對于鋰電池等其他類型電池，雖然在船舶上已偶有出現(xiàn)，但由于容量和價格的限制，短期內(nèi)還無法替代前述兩種電池，暫不做討論。

鉛酸蓄電池由極板、鉛、氧化鉛和硫酸電解液組成。分為富液式和貧液式。富液式的強酸電解液，需要定期添加，對人容易造成傷害，而且要保證電池水平靜置，遠洋船舶不可避免的傾斜也會造成電解液的泄露，因此在船舶上已越來越少被使用。目前應(yīng)用最為廣泛的是閥控式鉛酸免維護（Valve-Regulated Lead-Acid， VRLA）蓄電池。VRLA電解液不會泄露，充電過程中產(chǎn)生的氣體可以通過泄氣閥排出，保證電池單元內(nèi)外氣壓平衡，其內(nèi)部使用耐腐蝕的鉛鈣合金柵板，設(shè)計壽命在10到15年，不需要維護。隨著技術(shù)工藝的改進，VRLA蓄電池派生出AGM電池和膠體電池兩大類，通常如果沒有特殊說明，VRLA電池特指AGM電池。和其鎳鉻蓄電池相比，鉛酸蓄電池具有成本低廉、無記憶效應(yīng)的優(yōu)點，但能量重量比偏低，受溫度影響較大。

鎳基蓄電池是一種堿性蓄電池。主要有分鎳鉻（NiCd）蓄電池和鎳氫（NiMH）蓄電池兩大類，船舶上以鎳鉻蓄電池更為常見。它的正極活性物質(zhì)為鎳，負極活性物質(zhì)為鎘，是一種堿性蓄電池。它具有內(nèi)阻小，放電電流大，能量密度較高，耐過充電性能好，維護簡單，充放電循環(huán)次數(shù)較多的諸多優(yōu)點。但其價格相對較高，存在記憶效應(yīng)，經(jīng)濟性上不如鉛酸蓄電池，而且，從環(huán)保角度考慮，鎳堿蓄電池對環(huán)境的污染比鉛酸蓄電池更嚴重。

由于鉛酸蓄電池發(fā)展較早，技術(shù)更為成熟，初始采購成本更低，目前大多數(shù)商船還是使用VRLA電池。近年來，隨著電池技術(shù)的發(fā)展和船東對備用能源穩(wěn)定性的要求提高，免維護式鎳鉻蓄電池在一些復(fù)雜的海洋工程船舶上越來越多被使用，這主要得益于鎳鉻蓄電池出色的溫度特性。隨著溫度升高，鉛酸蓄電池的使用壽命衰減更快，當溫度升高一倍到50℃，鉛酸電池壽命僅為原來的1/10，而鎳鉻電池還大于1/2。對于常年在熱帶地區(qū)作業(yè)的船舶而言，即使電池的存儲艙室有良好的通風(fēng)條件，但維持低于30℃的電池間溫度也非易事，此時，鎳鉻蓄電池?zé)o疑是最佳的選擇。

1.2蓄電池在船舶上的應(yīng)用

根據(jù)船舶直流負載電流的特點，船舶上主要有起動型和固定型兩大類蓄電池。對于一些載有移動式機械的船舶，牽引型蓄電池也會被用到。帶有光伏能源系統(tǒng)的船舶，則需要儲能型蓄電池，僅它在特殊船舶上存在，尚不具備代表性。

1.2.1? 不同負載類型蓄電池的區(qū)別

起動型蓄電池作為船上柴油機起動的能源之一，幾乎在每條船上都會存在。起動型蓄電池驅(qū)動柴油機的起動馬達，需要具有短時多次超大電流放電的能力。為了保證直流起動馬達所需電壓，需要盡量減小直流電阻帶來的損耗，那么起動型蓄電池要盡可能內(nèi)阻小。從蓄電池到起動馬達的電纜也會非常短以減少線路電阻。機艙往往環(huán)境較差，溫度變化范圍大，所以起動型蓄電池需要耐受更寬的環(huán)境溫度。衡量鉛酸起動型蓄電池的重要指標是冷起動電流CCA（Cold Cranking Ampere），在規(guī)定的某一低溫狀態(tài)下（通常規(guī)定在零下18℃或零下29℃），額度電壓12V的蓄電池在電壓降至7.2V前，持續(xù)30秒輸出的電流值。對于鎳鉻蓄電池，盡管沒有CCA的測試標準，但制造廠也給出了各自一定溫度下短時放電能力供用戶選擇。實際應(yīng)用中，需要根據(jù)起動馬達的轉(zhuǎn)矩所需的最小電流來確定起動蓄電池規(guī)格。

固定型蓄電池泛指作為關(guān)鍵電力設(shè)備后備能源的蓄電池，應(yīng)用在核心系統(tǒng)上，以保證在失去正常和應(yīng)急電力的情況下，維系船舶安全的核心設(shè)備繼續(xù)工作。如船上的控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的UPS蓄電池組。固定型蓄電池一般容量較大、放電時間較長但持續(xù)放電的電流不高。為了保證蓄電池的性能最佳，固定型蓄電池應(yīng)該布置在在溫度和通風(fēng)條件良好的艙室內(nèi)。電池的選型則應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用區(qū)別對待。比如，對于核心控制系統(tǒng)的備用電源電池，條件允許的前提下盡可能選擇膠體電池或鎳鉻電池，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對于船舶通信系統(tǒng)備用電池，快速充電更為重要，優(yōu)先選用AMG電池或鎳鉻電池。

1.2.2? 系統(tǒng)應(yīng)用案例分析

某輪應(yīng)急發(fā)電機在調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)配套鉛酸起動蓄電池丟失，臨時借用同品牌、同電壓、同容量的GMDSS蓄電池使用。試機發(fā)現(xiàn)起動困難，起動過程中蓄電池有“白煙”冒出，斷電后檢查，發(fā)現(xiàn)蓄電池接線柱的局部有熔化跡象，如圖2。

重點從電壓和電流兩方面分析故障產(chǎn)生的原因。查閱應(yīng)急發(fā)電機制造廠資料，電起動系統(tǒng)所用電纜規(guī)格和長度均滿足廠家推薦要求，說明起動馬達端電壓符合要求。根據(jù)相關(guān)參數(shù)估算最小冷起動電流為1200A，而臨時借用的GMDSS蓄電池為固定式蓄電池，由于電池自身設(shè)計原因，不具備短時大電流放電能力，在起動過程中，蓄電池被強行超額大電流放電，導(dǎo)致電解液部分氣化，產(chǎn)生“白煙”，這是造成起動困難的主要原因。另外，在施工過程中，擰接線柱緊固螺栓時沒有參考電池制造廠推薦的力矩，力矩過大導(dǎo)致電池接線柱的銅芯和鉛基松動，接觸不良，電阻增大，在大電流放電的時候，鉛合金部分熔化。于是，更換了1400CCA的起動型蓄電池，前述故障排除。

可見，錯誤地使用固定型蓄電池代替起動型蓄電池，不但無法達到正常起動的目的，還會損毀蓄電池。反之，如果用起動型蓄電池代替固定型蓄電池，雖然在性能上不會有太大差異，但起動型蓄電池較高的價格讓這種替代得不償失。

2? 結(jié)? 語

由于船舶上絕大多數(shù)時間都處于浮充電狀態(tài)保證電池滿電，因此鎳鉻電池的記憶效應(yīng)的缺點不那么明顯，因此，從性能和設(shè)計壽命上來看，鎳鉻蓄電池優(yōu)于鉛酸蓄電池。對于一艘船舶，起動型、固定型和牽引型蓄電池的性能有著明顯區(qū)別，不能隨意混用，在電池選型時候需要明確具體應(yīng)用場合，根據(jù)負載實際特點有針對性選擇。

總體來說，蓄電池選擇應(yīng)重點側(cè)重這幾條原則：一，實際工作的環(huán)境溫度;二，蓄電池的類型，比如，酸性電池還是堿性電池，起動型蓄電池還是固定型蓄電池;三，基于實際工作條件的容量核算;四，與蓄電池匹配的充電設(shè)備。

參考文獻：

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