船用免維護蓄電池及其充放電板設計的改進

常紅艷 張加勝 湯天航 梁國強

（黃海造船有限公司 山東264309）

引 言

大型客貨滾裝船低壓網絡負載供電電源為DC 24 V，如機艙輔機、駕駛設備、無線電設備、臨時應急照明、應急發電機起動和主推進系統等。目前船用DC 24 V電源主要來自蓄電池，凡有蓄電池的場合，就需配有充放電裝置或充電機，它們是蓄電池不可缺少的附帶設備。以往船上使用的是普通的鉛酸蓄電池，因其維護保養上存在諸多缺陷，現在船東使用了性能更為良好的閥控免維護鉛酸蓄電池，因此對此類蓄電池需進行更合理的充放電設計和維護保養。

1 應用原理

電池正常充電采用恒壓限流方式，充電完畢后投入運行，整個運行過程要對鉛酸蓄電池提供浮充電。不同類型的鉛酸蓄電池具有不同的浮充電壓，其大小與電池本身的結構、電解液的密度、環境溫度和自放電率有關。［1］

作為備用電源使用的電池，在補充充電結束后，即可投入運行。電池在25℃基準溫度下的浮充電壓為2.23～2.25 V，隨環境溫度的變化而適當調整。超過基準溫度（25℃）1℃，單體電池浮充電壓應下降3 mV左右；反之亦然，否則會影響電池壽命。這是因為：

（1）持續過高的浮充電壓會造成浮充電流過大而使電池過充，降低電池的使用壽命，并導致電解液中水的加速分解，進而導致電解液過早干涸最終損壞電池；

（2）浮充電壓過低，浮充電流太小彌補不了電池自放電損失的容量，容易導致極板的硫酸鹽化，長期如此，電池將失去使用價值而報廢。

電池浮充電壓與環境溫度曲線如圖1所示。

2 存在的問題

船上機艙輔機、駕駛設備、無線電設備、臨時應急照明、應急發電機起動用鉛酸蓄電池安裝于專用艙室，溫度可控制在25℃左右，環境溫度對浮充電壓的制約不明顯。而主推進設備蓄電池安裝于機艙區域，雖對蓄電池外加電池箱保護，但是通常情況下，機艙溫度都會超過25℃。此時值班船員需要定期測量其溫度，并對浮充電壓作相應調整。

此種設計，值班船員需頻繁檢測蓄電池溫度并排查故障，工作繁瑣且存在人為誤差，而且容易干擾船員作業，也不利于保護設備。

3 改進設計及其優點

以主推進系統負載為例，分析對其供電的蓄電池組充放電和維護保養的設計改進。蓄電池與系統的連接見圖2。

圖2 功能框圖

3.1 修改并增加溫度補償功能

充放電板通過蓄電池的溫度反饋調節充電電壓，防止蓄電池組過充。蓄電池箱內增加1個PT100溫度傳感器，以便對蓄電池工作環境溫度進行實時監測。充電電壓采樣線通過蓄電池溫度、電壓檢測箱直接從蓄電池端采樣，采集的溫度數值和單體電壓采用RS485接口，通過MODBOS協議進行通訊送至充放電板與之前設定的標準值相比較，充放電板自動調整對蓄電池的充電電壓值。限流和恒壓階段的浮充電電壓溫度補償系數為每個單體-5 mV/℃，補償后最低浮充電電壓為單體不低于2.25 V，浮充電電壓溫度補償系數為每個單體-3m V/℃，補償后最低浮充電電壓單體不低于2.22 V，保證了蓄電池在標準充電電壓范圍內。

3.2 增加智能放電箱

智能放電箱主要用于閥控式密封鉛酸蓄電池組日常維護和保養的深度放電，主要由PLC模塊、文本顯示器和放電負載組成。PLC模塊采用了性價比高、安裝簡單、維護方便、通用性強的可編程控制器，放電負載采用新一代PTC材料，它具有組裝靈活、發熱低、可靠性高、安全性好的特點，是一種非常好的船用智能型蓄電池保養設備。［2］

當需要對蓄電池組維護放電時，放電電流經文本設定后（設定范圍在0.1C～0.3C，C為蓄電池組容量，Ah），電路經電流傳感器信號采樣反饋至PLC控制器，控制負載，保持蓄電池組恒流放電。裝置在放電過程中對放電電流、電壓、時間等參數進行累計計算。當蓄電池電壓低于文本設定值時，自動停止放電，發出聲光報警提示，30 s無應答自動消音并轉入充電。通常放電電壓設為21.5 V（20～23 V可調）左右時，自動停止放電。

3.3 充放電板、充放電模塊的修改

此充放電板采用單一制充電方式，充放電板單元主要由斷路器、熔斷器、指示燈、按鈕、電壓表、電流表、直流接觸器等組成。其核心部分采用PWM高頻開關電源作為充供電模塊，具有質量輕、抗干擾強，恒壓限流精度高、輸出紋波系數小、噪聲低及使用壽命長等優點，適合各類蓄電池組的長期浮充；還可對蓄電池和本身實時在線監測，再通過網絡將信息傳送至有值班船員的電腦上，實行遠程監控。［3］

電路采用三相380 V交流電壓直接輸入，經整流濾波成500 V左右的直流電壓，送到高電壓變換器，高電壓變換器的低壓輸出再經整流濾波成直流輸出。此直流輸出電壓經采樣放大至脈寬控制電路，從而改變高電壓變換器的脈沖占空比，使輸出電壓保持穩定。其控制回路和報警單元的核心由PLC構成，它組裝靈活、操作簡單、可靠性強、安全性高、穩定性好。正常情況下由供電模塊對負載供電，如果供電模塊出現故障，PLC監測到該現象并發出聲光報警信號。充電模塊由于電壓過高不宜對負載進行直接供電，但卻要保證供電模塊正常工作時對負載的單獨供電，因而通過二極管模塊產生壓降以使充電模塊電壓滿足負載要求后自動與蓄電池并聯給負載供電。如充電模塊再次出現故障時，PLC將立刻發出聲光報警信號，負載由蓄電池放電。在轉換過程中，始終不間斷供電。［4］

各項功能參數設定參見表1。

表1 功能參數設定表

當“自動/手動/放電”轉換開關置于“自動”模式時，電池組均充電流≤0.15C，均充電壓為27.5±0.5 V，充電電流降至0.006C維持1 h不變或均充時間到達8 h后，蓄電池組自動轉為26.5±0.5 V恒壓浮充。當充電模塊故障、充電電流大于0.15C+2 A、蓄電池放電電壓低于21.5±0.5 V、充電模塊電壓高于29±0.5 V、配電回路絕緣低時，文本顯示器均發出聲光報警信號。

4 結 論

當前，船舶修造及航運業在整個航運形勢低迷的大環境下舉步維艱，無論是船東還是船廠，均對船舶的修造成本更密切關注。船用充、放電板及蓄電池組在滿足規范要求的前提下，均已成為船舶必配設備。

本方法基于溫度補償的閉環控制原理，配備智能放電箱及現代化電子元器件，充放電板裝置實現充放電模塊的自動控制，并可對免維護蓄電池工作狀況實現在線監控，使自動充放電板的功能進一步的優化和完善。

目前此項設計主要用于拖船與醫院船。船舶營運階段，蓄電池在使用過程中未發現異常。若將此項方便實用的改進設計應用于大型客滾船，將大大減少值班船員的工作量，并能更好體現高效的綠色運營理念。