閥控密封式鉛酸蓄電池應(yīng)用分析

劉曉東，金堅(jiān)鴻

● （上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海 201612）

閥控密封式鉛酸蓄電池應(yīng)用分析

劉曉東，金堅(jiān)鴻

● （上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海 201612）

隨著船舶及海洋工程安全性要求的提高，由蓄電池構(gòu)成不間斷電源的輔助電源使用非常普遍；設(shè)計(jì)科學(xué)合理的輔助電源系統(tǒng)顯得很有必要。

閥控密封式鉛酸蓄電池；蓄電池特性；充電電源裝置特性

0 引言

現(xiàn)代船舶及海洋工程中所有動(dòng)力裝置均設(shè)有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化控制、檢測(cè)、報(bào)警等系統(tǒng)，隨著人們對(duì)電力推進(jìn)裝置認(rèn)可度的提高，采用電力推進(jìn)裝置的項(xiàng)目也越來(lái)越多，電力推進(jìn)系統(tǒng)的輔助電源要求相對(duì)較高，尤其是對(duì)具有動(dòng)力定位功能的項(xiàng)目，對(duì)輔助電源更是有冗余性的要求。

在早期的船舶設(shè)計(jì)中，采用酸性蓄電池作為輔助電源的情況較多，酸性蓄電池安裝對(duì)環(huán)境有一定要求，對(duì)船廠施工也會(huì)帶來(lái)一些不便。因此，閥控密封式鉛酸蓄電池的應(yīng)用變得越來(lái)越普遍，這就要求在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期必須根據(jù)用電負(fù)載特性考慮配置蓄電池組及充放電裝置的特性。

1 閥控密封式鉛酸蓄電池特點(diǎn)

隨著人們對(duì)環(huán)保要求及船舶建造周期不斷提高，傳統(tǒng)的酸性蓄電池組將逐步被閥控密封式鉛酸蓄電池所取代[1]，閥控密封式鉛酸蓄電池與傳統(tǒng)酸性蓄電池組比較具有以下特點(diǎn)：

1）體積小，安裝靈活，直接使用，可比能量高；

2）采用無(wú)銻的鉛鈣多元合金，使用時(shí)無(wú)酸霧逸出，減少了公害，增強(qiáng)環(huán)境安全性，是真正的綠色能源；

3）采用特殊的密封結(jié)構(gòu),密封性能好，無(wú)泄漏，不需加水或電解液。

4）采用精密陶瓷過(guò)濾器，防止點(diǎn)火引燃到電池內(nèi)部，同時(shí)可防止酸霧逸出；采用經(jīng)檢驗(yàn)認(rèn)可的防爆結(jié)構(gòu)安全閥；

5）采用先進(jìn)的AGM 隔板，電解液不流動(dòng)，自放電小，儲(chǔ)存期長(zhǎng)，合理的設(shè)計(jì)及適合合金的配方，保證電池的使用壽命可達(dá)10年以上。

2 閥控密封式鉛酸蓄電池充電特性

為了延長(zhǎng)閥控密封式鉛酸蓄電池壽命，需采用恒壓充電系統(tǒng)，下面針對(duì)閥控密封式鉛酸蓄電池使用性能作一些介紹。

2.1 初始補(bǔ)充充電

投入使用前的初始補(bǔ)充充電按恒壓限流充電法進(jìn)行；此方法適用于浮充使用，也適用于循環(huán)使用。

恒壓限流充電法：25℃溫度條件下，在恒壓每單格電池為2.35V～2.40V時(shí)，12×[2.35V～2.40V]=28.2V～28.8V（12為常規(guī)電壓等級(jí)24V的單格電池?cái)?shù)量），此時(shí)限定最大充電電流不得超過(guò)0.1C10A（C10指10小時(shí)放電率容量），否則必須降低上述充電電壓，直至充電電流不超過(guò)0.1C10A，此后充電電壓維持在恒壓值（2.35V～2.40V），充電電流將逐漸減小，當(dāng)電流下降到0.005C10A以下，且穩(wěn)定3小時(shí)不變時(shí)，即可投入正常運(yùn)行使用，（見后面的充放電特性曲線中，圖1）

2.2 蓄電池容量計(jì)算

容量計(jì)算公式：

式中：Ce為換算成 25℃基準(zhǔn)溫度時(shí)的容量，Ah；If為實(shí)際恒流放電電流，A；T為實(shí)際放電時(shí)間，h；K1為容量系數(shù)，根據(jù)負(fù)載實(shí)際使用時(shí)間求取，或取0.3；K2為溫度系數(shù)，10小時(shí)率K2=0.006，1小時(shí)率K2=0.01；ΣP為負(fù)載功率，W；U為電壓，V；t為放電開始時(shí)環(huán)境溫度，0℃。

蓄電池在運(yùn)行中嚴(yán)禁過(guò)放電，不同的放電電流其允許最低放電電壓參見表1。

表1 最低允許放電電壓參數(shù)表

2.3 浮充使用的電壓修正

浮充使用電壓為每單格電池 2.25V～2.27V（25℃）。此浮充電壓值隨環(huán)境溫度按3mV/℃進(jìn)行修正，即以溫度25℃為標(biāo)準(zhǔn)中心點(diǎn)，每升高1℃降低充電電壓3mV/單格。如環(huán)境溫度為40℃。每單格電池浮充電壓為

2.27-0.003×(40-25)=2.225(V)，

12×2.225V=26.7V（12為常規(guī)電壓等級(jí)24V的單格電池?cái)?shù)量）

2.4 循環(huán)使用的電壓修正

在放電后，應(yīng)按2.1補(bǔ)充充電法對(duì)蓄電池進(jìn)行復(fù)充電。

3 充電裝置特性

3.1 充電電源裝置特性

根據(jù)蓄電池充電特性，充電電源裝置通常分為三個(gè)階段的自動(dòng)充電電源，即：恒流均衡充電、恒壓均衡充電、浮充電，圖1為充放電特性曲線。對(duì)蓄電池全過(guò)程是先進(jìn)入均衡充電，自動(dòng)完成先恒流，后恒壓，待電流降到接近零時(shí)均衡充電完成，當(dāng)接近充電結(jié)束時(shí)，充電電流將開始減小，并最終趨于穩(wěn)定，如果連續(xù)充電電流3小時(shí)保持恒定，這表明充電已充足90～98%，此時(shí)蓄電池可以使用。為了使蓄電池獲得預(yù)期的使用壽命請(qǐng)使用優(yōu)良的自動(dòng)限流（或恒流）穩(wěn)壓充電設(shè)備。當(dāng)負(fù)載變化為0～100%時(shí)，充電設(shè)備應(yīng)達(dá)到+2%～-2%的穩(wěn)壓精度[2]。充電設(shè)備的波紋系數(shù)應(yīng)嚴(yán)格控制在4%以下。

3.2 充電電源裝置參數(shù)確定

研究了蓄電池充放電特性后，需研究充電電源裝置的特性匹配。表2為蓄電池作為應(yīng)急電源參量配置表，表3為蓄電池作為臨時(shí)應(yīng)急電源參量配置表，表4為蓄電池作為起動(dòng)電源參量配置表，表5為蓄電池作為控制系統(tǒng)不間斷電源參量配置表。

4 DC24V鉛酸蓄電池組充放電裝置使用介紹

初始補(bǔ)充充電開啟，充電電源啟動(dòng)，假設(shè)此時(shí)蓄電池電壓起始值為 21.6V(電池放電下限值)，充電電源裝置按0.1C10進(jìn)入額定恒流充電過(guò)程，恒流充電過(guò)程約 5～7小時(shí)后充電電壓將升至約26.4V，蓄電池還未達(dá)到 100%容量，尚需繼續(xù)維持充電，隨著電池容量上升，充電電流逐漸緩慢下降，當(dāng)電池容量上升到>100%容量時(shí)，此后，電源自動(dòng)判斷為電池已充滿，自動(dòng)轉(zhuǎn)為浮充狀態(tài)，即輸出電壓約為26.4V，（循環(huán)充電輸出電壓約為28.2V），電流則進(jìn)一步減小甚至為零，在外部沒有負(fù)載情況下，電源一直維持這種狀態(tài)，補(bǔ)充電池的自耗電。采用這種充電方式能夠較快、均衡的對(duì)電池組進(jìn)行充電，充滿后充電電源能自動(dòng)轉(zhuǎn)換到浮充，維持電池正常電壓避免出現(xiàn)電池過(guò)充，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守充電工作方式。

圖1 充放電特性曲線

表2 蓄電池作為應(yīng)急電源參量配置表

表3 蓄電池作為臨時(shí)應(yīng)急電源參量配置表

表5 蓄電池作為控制系統(tǒng)不間斷電源參量配置表

表6：某閥控密封式鉛酸蓄電池參數(shù)

目前在充放電裝置中多采用兩套整流器，一組為正常使用不間斷電源，另一組對(duì)蓄電池組實(shí)行浮充或循環(huán)充電，當(dāng)主用一組故障或失電時(shí)蓄電池組將自動(dòng)進(jìn)入放電狀態(tài)。

5 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)注意事項(xiàng)

蓄電池組、充電器、負(fù)載之間連接電纜應(yīng)盡可能短，盡量避免產(chǎn)生過(guò)大的電壓降[3]。

蓄電池應(yīng)有良好的通風(fēng)環(huán)境，同時(shí)蓄電池應(yīng)該安裝在不受過(guò)熱、過(guò)冷、濺水、蒸汽等其他損害其性能或加速其性能惡化影響的處所內(nèi)[4]。

蓄電池安裝的地方不能有劇烈的震動(dòng)或碰撞沖擊。

表6為某設(shè)備商提供的閥控密封式鉛酸蓄電池參數(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步以及生產(chǎn)工藝的不斷更新，蓄電池的性能將會(huì)更加優(yōu)良，而對(duì)于工作環(huán)境的要求會(huì)變得越來(lái)越低，其作為一種可靠能源將會(huì)變得越來(lái)越“綠色”。

[1]麻友良. 鉛酸蓄電池的不一致性和均衡充電的研究[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 24(3), 49-51.

[2]中國(guó)船級(jí)社. 船用鉛酸蓄電池認(rèn)可指南[S]. 2001.

[3]中國(guó)船舶工業(yè)總公司編. 舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)-電氣分冊(cè)[S]. 1997.

[4]中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S]. 2012.

Analysis on Application of Valve Regulated Sealed Lead-acid Battery

LIU Xiao-dong, JIN Jian-hong
(Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co., Ltd., Shanghai 201612, China)

With the higher demand of vessel and ocean engineering security，it is very prevalent to use UPS consisting of batteries as auxiliary power supply. Thus, it is necessary to design a scientific and logical auxiliary power system.

valve regulated sealed lead-acid battery；battery characteristic；charging power device characteristic

TM912

A

劉曉東（1974-），男，工程師。主要從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。