基于鋰聚合物電池的航標(biāo)一體能源研究

(交通運輸部東海航海保障中心福州航標(biāo)處 福建 福州 350000)

一、現(xiàn)狀、背景

目前航標(biāo)使用的能源組多為鉛酸蓄電池和太陽能光板的組合。單個鉛酸蓄電池容量為80-100AH，重量約為35KG。此類能源組安裝時，太陽能光板放置于光板平臺上，鉛酸蓄電池放置于特制的電池箱或電池屋內(nèi)，二者通過長約2-3M的電纜線連接，布線設(shè)置不合理，同時整個結(jié)構(gòu)龐大、不便于攜帶，能源裝置的使用壽命也較短，日常的維護(hù)和保養(yǎng)費用很高。

具體來說，現(xiàn)有的能源組有如下缺陷：

(1)主能源鉛酸蓄電池重量重，維護(hù)不易。作為主能源，航標(biāo)用蓄電池容量至少要達(dá)到160-200AH，因此需要至少2塊鉛酸蓄電池并聯(lián)。僅2塊鉛酸蓄電池的重量就達(dá)到70KG，給一線航標(biāo)工作者的日常維護(hù)帶來許多不便。

(2)布線繁瑣。目前航標(biāo)能源組蓄電池與光板距離多為2m左右，因此需要2-3m的電纜線連接，布線需要精心布置，費時費力，此外，電纜線越長電壓壓降越大，增加了能耗。

(3)由于航標(biāo)環(huán)境的特殊性(多為海上潮濕環(huán)境)，航標(biāo)用鉛酸蓄電池會發(fā)生爬堿(硫酸鉛硬化)現(xiàn)象，縮短蓄電池使用壽命。

(4)污染環(huán)境。鉛酸蓄電池中含有大量的鉛等重金屬，廢棄后若處置不當(dāng)會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。

二、新型航標(biāo)能源組設(shè)計

(一)能源選擇

鋰電池按組成形式可分為鋰聚合物電池、鋰離子電池等。鋰離子電池的典型代表便有人們常見的18650型鋰電池和26650型鋰電池，鋰聚合物電池是更新一代電池，具有能量密度高、更小型化、超薄化、輕量化，以及高安全性和低成本等多種明顯優(yōu)勢，是一種新型電池。在形狀上，鋰聚合物電池具有超薄化特征，可以配合各種產(chǎn)品的需要，制作成任何形狀與容量的電池。該類電池可以達(dá)到的最小厚度0.5mm。 相對于鋰離子電池，鋰聚合物電池的特點如下：(1)無電池漏液問題,其電池內(nèi)部不含液態(tài)電解液,使用膠態(tài)的固體。(2)可制成薄型電池：以3.6V400mAh的容量，其厚度可薄至0.5mm。(3)電池可設(shè)計成多種形狀。(4)電池可彎曲變形：高分子電池最大可彎曲90°左右。(5)可制成單顆高電壓：液態(tài)電解質(zhì)的電池僅能以數(shù)顆電池串聯(lián)得到高電壓,而高分子電池由于本身無液體，可在單顆內(nèi)做成多層組合來達(dá)到高電壓。(6)容量將比同樣大小的鋰離子電池高出一倍。基于鋰聚合物電池的上述特性，研究人員決定開展將鋰聚合物電池作為航標(biāo)主能源的嘗試試驗。

根據(jù)福建中北部沿海歷年的氣象變化規(guī)律以及行業(yè)相關(guān)規(guī)范，用于福建中北部沿海地區(qū)的航標(biāo)電池應(yīng)滿足25天連續(xù)陰雨天氣的要求。結(jié)合航標(biāo)器材的耗電能耗，以配備有小型航標(biāo)燈器(射程4 n mile)、AIS航標(biāo)以及北斗遙測終端的航標(biāo)為例，其容量需求為46+48+49=143AH，根據(jù)鋰聚合物電池保留20%容量的特性，該航標(biāo)能源實際需求容量如下：

143÷0.8=178.75AH。

(二)結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，小型航標(biāo)燈器光伏供電多用2塊18V20W的太陽能光板并聯(lián)實現(xiàn)40W的充電輸入。經(jīng)計算，這種太陽能光板的配置能滿足航標(biāo)燈器及蓄電池的日常工作需要。為了利用現(xiàn)有器材更好地開展航標(biāo)一體能源研究，研究人員決定采用常見的18V20W的太陽能光板來整合鋰聚合物電池模塊。

經(jīng)測量，該太陽能光板背面有長62CM、寬23-25.5CM(兩側(cè)約有2.5CM的遮擋)、厚2.1CM的凹槽空間。根據(jù)航標(biāo)能源178.75AH的容量需求及太陽能光板背面的凹槽尺寸，研究人員定制了單片12V容量10AH、長18.8CM、寬11CM、厚0.6CM的聚合物鋰電池，通過9片并聯(lián)實現(xiàn)12V90AH的鋰聚合物電池模塊，該模塊長37CM、寬18.8CM、厚2.1CM(內(nèi)置充放電保護(hù)單元)。

圖1 12V90AH的鋰聚合物電池模塊

研究人員又設(shè)計并加工了能源組防水接頭和密封罩殼，放入罩殼內(nèi)的鋰聚合物電池很好地貼合置于20W太陽能光板背面凹槽空間，經(jīng)防水、散熱和密封處理，實現(xiàn)了航標(biāo)一體能源組的設(shè)計。

圖2 太陽能光板背面凹槽及嵌入鋰聚合物電池的太陽能光板

三、試驗和測試

(一)水密性測試

本文行文邏輯結(jié)構(gòu)如下：首先,按照國內(nèi)氣候政策建制歷程,分階段概括核心內(nèi)容和主要特征,從總體上評價中國應(yīng)對氣候變化的成效;其次,具體考察中國氣候治理的“內(nèi)政外交”,提煉國內(nèi)氣候治理行動亮點,剖析氣候外交中的角色變遷,從而客觀認(rèn)識中國在全球氣候治理體系中所做的努力和所處的方位;最后,總結(jié)上述氣候政策經(jīng)驗,為未來中國繼續(xù)推進(jìn)應(yīng)對氣候變化工作提出建議。

研究人員將航標(biāo)一體能源組放入擺管淋雨試驗機(jī)模擬雨淋測試其密封性能，在2個測試周期(1個測試周期24H)后，測試的航標(biāo)一體能源組水密性良好，電壓、容量等參數(shù)保持不變。

(二)溫度測試

研究人員將航標(biāo)一體能源連接航標(biāo)SHD-1型燈器(燈質(zhì)設(shè)置為快閃)放入恒溫恒濕試驗機(jī)，根據(jù)福建中北部沿海地區(qū)氣溫參數(shù)進(jìn)行測試，分別設(shè)置-5℃-52℃兩個溫度區(qū)間下航標(biāo)一體能源的狀態(tài)。經(jīng)測試，在52℃下航標(biāo)一體能源連續(xù)運行12H后，航標(biāo)一體能源的鋰聚合物電池模塊無明顯鼓包、膨脹現(xiàn)象。

表2 兩塊測試一體能源在常溫至50℃和常溫至-10℃的參數(shù)對比

圖3 恒溫恒濕測試機(jī)監(jiān)測界面

經(jīng)測試，一體能源在-5℃-52℃溫度區(qū)間內(nèi)電壓變化不大，完全能滿足福建中北部沿海地區(qū)航標(biāo)燈器的供電需求

(三)充放電測試

自2017年5月起，研究人員將一塊航標(biāo)一體能源(含18V20W太陽能光板2片并聯(lián)，12V90AH鋰聚合物電池2塊并聯(lián))置于常溫下做充放電測試，并于2017年6月1日起監(jiān)測電壓參數(shù)。

圖4 6-10月測試地區(qū)氣溫圖

圖5 6-10月測試航標(biāo)一體能源電壓曲線圖

如圖5所示，在6-10月測試周期內(nèi)，一體能源電壓基本保持穩(wěn)定。

同時，研究人員將另一塊一體能源接入SHD-1型航標(biāo)燈器，燈質(zhì)設(shè)置為常亮做連續(xù)放電試驗(未嵌入太陽能光板)。鋰聚合物電池初始電壓為12.06V，測試20天后，鋰聚合物電池電壓為10.3V，燈器仍處于正常發(fā)光狀態(tài)。由此可得，該一體能源的容量設(shè)計能滿足實際所需的連續(xù)陰雨25天使用。

(四)海上測試

2017年9月起，航標(biāo)一體能源在閩江口水域新豐2號燈浮、鹽琯燈樁安裝試驗，截至目前電壓保持穩(wěn)定，航標(biāo)燈器發(fā)光狀態(tài)良好。

四、使用效果

相對于以鉛酸蓄電池為主能源的原航標(biāo)能源組，這種基于鋰聚合物電池的航標(biāo)一體能源具有明顯優(yōu)勢，這些在實際試驗和應(yīng)用中也得到體現(xiàn)，具體而言具有以下幾點優(yōu)勢：

(1)輕便、編攜、易安裝維護(hù)，提高作業(yè)安全性。航標(biāo)一體能源聚合物鋰電池模塊體積小，重量僅為7.5KG(容量90AH)，且與太陽能光板的貼合嵌入靈活，可單獨更換維護(hù)，方便航標(biāo)一線作業(yè)人員的現(xiàn)場維護(hù)，提高海上作業(yè)的安全性。

(2)無需繁瑣布線，保障航標(biāo)效能發(fā)揮。航標(biāo)一體能源的鋰聚合物電池模塊貼合嵌入于太陽能光板背面，因此無需原來2-3m的電纜連接和電池箱或電池屋等航標(biāo)器材，在減輕航標(biāo)作業(yè)人員勞動強(qiáng)度的同時避免了因連接線路老化、電池箱進(jìn)水等引起的航標(biāo)故障，保障了航標(biāo)效能的發(fā)揮。

(3)節(jié)約成本。雖然相同容量鋰聚合物電池與鉛酸蓄電池價格相近，但經(jīng)改造后的該能源組節(jié)省了不銹鋼電池箱和專用電池屋，每座航標(biāo)成本約節(jié)省1500元，此外，同等容量的電池，鋰聚合物電池的使用壽命是鉛酸蓄電池的2-3倍。

五、結(jié)束語

基于鋰聚合物電池的航標(biāo)一體能源具有重量輕、安裝方便等特點，在節(jié)約成本的同時又提高了航標(biāo)海上作業(yè)效率，提升作業(yè)安全性，且各類參數(shù)滿足航標(biāo)工作需求，待進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化后在航海保障領(lǐng)域具有推廣意義。