淺談鋰電池在浮標(biāo)能源系統(tǒng)上的使用

呂偉武 陳灼波 鐘卓文 馮國恒

摘 要：近年來，航標(biāo)上使用鋰電池作為能源系統(tǒng)的儲(chǔ)存單元正在得到應(yīng)用，并有逐漸取代傳統(tǒng)鉛酸電池的趨勢。廣州航標(biāo)處近年認(rèn)真對鋰電池進(jìn)行應(yīng)用性研究，在航標(biāo)上進(jìn)行推廣，特別在岸標(biāo)上得到廣泛應(yīng)用，也逐漸嘗試在浮標(biāo)上應(yīng)用，所以在采購鋰電池方面也在逐年增加，本文以陽江海域浮標(biāo)維護(hù)管理上應(yīng)用鋰電池過程中進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用，提出鋰電池在浮標(biāo)能源系統(tǒng)上使用過程中一些意見。

關(guān)鍵詞：航標(biāo) 浮標(biāo) 能源系統(tǒng) 鋰電池

1.前言

鋰電池在廣州航標(biāo)處的使用已經(jīng)有6年了，剛開始主要在岸標(biāo)上得到推廣，浮標(biāo)上使用一度被否定而放棄，原因是岸標(biāo)存放環(huán)境和條件比較好，浮標(biāo)由于受海水侵蝕容易使鋰電池發(fā)生故障，廣州航標(biāo)處曾經(jīng)在不同海域的浮標(biāo)上試用鋰電池，都發(fā)生過電池著火、電池進(jìn)水等等故障，分析原因主要是鋰電池內(nèi)部進(jìn)水或被海水腐蝕造成鋰電池短路而故障。從2017年開始陽江航標(biāo)管理站分別在陽江港M1號(hào)燈浮、陽江港M2號(hào)燈浮上使用鋰電池并進(jìn)行長期跟蹤試驗(yàn)，得到鋰電池在浮標(biāo)上應(yīng)用是可行的。本文主要是針對鋰電池在浮標(biāo)上使用如何有效保護(hù)的進(jìn)行探討，延長鋰電池在浮標(biāo)上的使用壽命。

2.廣州航標(biāo)處應(yīng)用鋰電池情況

廣州航標(biāo)處應(yīng)該是2013年開始在航標(biāo)上應(yīng)用鋰電池，應(yīng)用范圍控制在個(gè)別航標(biāo)管理站管轄水域的岸標(biāo)和浮標(biāo)上，屬于試驗(yàn)性質(zhì)，經(jīng)反饋岸標(biāo)使用比較正常，浮標(biāo)使用問題比較多，主要原因是浮標(biāo)經(jīng)常搖擺，鋰電池比較輕，并且鋰電池內(nèi)部不密封，容易進(jìn)水發(fā)生故障。因此，之后幾年廣州航標(biāo)處鋰電池主要是岸標(biāo)上使用比較多，浮標(biāo)還是延用鉛酸電池比較多。

3.陽江航標(biāo)管理站應(yīng)用鋰電池的情況

陽江航標(biāo)管理站也是在2013年使用鋰電池，當(dāng)時(shí)主要用于替換部分岸標(biāo)的2V500Ah鉛酸電池組，分別在黃茅頭燈樁、下川角咀燈樁、下雞罩山燈樁使用鋰電池，一直至今，這幾座燈樁的鋰電池運(yùn)行狀態(tài)都非常穩(wěn)定。至2019年，陽江航標(biāo)管理站已經(jīng)在轄區(qū)所有岸標(biāo)上推廣使用鋰電池作為能源儲(chǔ)存單元，所有岸標(biāo)上應(yīng)使用的鋰電池的運(yùn)行狀態(tài)也是非常穩(wěn)定的。而在浮標(biāo)上應(yīng)用鋰電池，陽江航標(biāo)管理站也作了嘗試，曾經(jīng)在陽西電廠16號(hào)燈浮上使用，但也出現(xiàn)鋰電池因受潮短路而發(fā)生故障現(xiàn)象。

從幾個(gè)航標(biāo)站應(yīng)用鋰電池的情況可以看出，岸標(biāo)因鋰電池存放在室內(nèi)使用，不會(huì)受風(fēng)雨、海水等外來因素的影響，所以使用一直非常穩(wěn)定，浮標(biāo)因受風(fēng)雨、海水等外來因素的影響，容易發(fā)生故障。

4.鋰電池在浮標(biāo)上試驗(yàn)情況

2017年4月18日，陽江航標(biāo)管理站分別在陽江港M1、M2號(hào)燈浮試驗(yàn)鋰電池。主要做法是在陽江港M1號(hào)燈浮使用12V10Ah鋰電池，在陽江港M2號(hào)燈浮使用14.6V20Ah鋰電池。M1號(hào)燈浮的鋰電池使用鋰離子18650電芯，充電終止電壓12.6V，放電終止電壓8.4V;M2號(hào)燈浮的鋰電池使用聚合物鋰電，充電終止電壓為16.8V，放電終止電壓為12.8V。以上兩個(gè)鋰電池分別安裝在旭創(chuàng)LED燈器里，旭創(chuàng)LED燈器使用密封圈外圍專利暗室設(shè)計(jì)，具特別防水能力，效果可比IP67等級(jí)。2座燈浮標(biāo)都是使用2塊20W太陽能硅板進(jìn)行充電。從2019年9月1日的數(shù)據(jù)分析，陽江港M1號(hào)燈浮工作電流是0.48A，工作電壓是11.388～12.012V，充電時(shí)間3小時(shí)就能夠充滿;陽江港M2號(hào)燈浮工作電流是0.152A，工作電壓是16.146～16.38V，充電時(shí)間也大概在3小時(shí)內(nèi)充滿。從數(shù)據(jù)分析得，陽江港M1號(hào)燈浮在不充電情況下可續(xù)航4天，陽江港M2號(hào)燈浮可續(xù)使用8天，經(jīng)過2年多的監(jiān)測，此2座燈器的鋰電池因容量比較小，基本每天都能夠充滿電，所以就算續(xù)航能力比較弱，也保證燈器能源的供給。

至2019年10月25日2座試驗(yàn)性的燈器一直正常運(yùn)行，2塊鋰電池都沒有出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象，燈器發(fā)光正常。近日因廣州航標(biāo)處推廣北斗燈器而被替換下來，一共在海上測試了2年半，已經(jīng)比鉛酸電池的壽命長，一般鉛酸電池壽命是一定的，充電次數(shù)通常為300～500次，可使用2年左右，而鋰電池正常循環(huán)充放電次數(shù)大約在500～800次，質(zhì)量好的超過1000次，大概可以使用3～8年，而現(xiàn)時(shí)在岸標(biāo)上使用的鋰電池已經(jīng)超過5年了。由此可以判斷，在浮標(biāo)上使用鋰電池只要固定并密封性好，確保鋰電池不受外來外因影響而損壞是值得推廣的。

5.關(guān)于在浮標(biāo)上應(yīng)用鋰電池的幾點(diǎn)建議

（1）存放鋰電池的地方應(yīng)是密封性強(qiáng)的電池箱或鋰電池外殼水密性足夠強(qiáng)。一塊12V左右的鋰電池是由幾塊3.7或3.2V的鋰電池串并聯(lián)組成的，里面有充放電保護(hù)板和線路，因此如果受水侵入就會(huì)引起短路而出現(xiàn)著火或爆炸現(xiàn)象。解決此問題主要從兩方面著手，一是要求鋰電池廠家生產(chǎn)鋰電池時(shí)使用的外殼防護(hù)要達(dá)到IP67等級(jí)，這樣才滿足對鋰電池的保護(hù);二是要航標(biāo)處對電池箱在密封性方面進(jìn)行改進(jìn)，以起到保護(hù)鋰電池，不讓水侵入，同時(shí)做好鋰電池的固定，保證鋰電池不隨浮標(biāo)搖擺而磨擦使鋰電池外殼受損，影響鋰電池壽命。

（2）鋰電池材料的選擇。從在陽江港M1、M2號(hào)燈浮試用的2種材料來看，所有材料的鋰電池都是可以應(yīng)用于航標(biāo)上的，從現(xiàn)時(shí)市面上一般常見有鋰離子電池、聚合物鋰電池和磷酸鐵鋰電池等，但從安全性看鋰離子電池活性強(qiáng)，短路后常發(fā)生著火現(xiàn)象，而聚合物和磷酸鐵鋰電池則不存在著火現(xiàn)象，所以在選擇鋰電池材料時(shí)建議選取聚合物或磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)存單元比較合適。

（3）鋰電池電壓的選擇。對一般電壓范圍在9～24V的航標(biāo)燈，鋰電池電壓應(yīng)選擇12.8V以上的電池組才能滿足航標(biāo)燈的電壓要求，一塊3.2V三元鋰電池最低放電壓限制在2.5V，一塊3.7V鐵鋰電池最低放電壓限制在2.8V，12.8V的鋰電池組最低放電電壓為10V，剛好滿足對航標(biāo)燈浮需求，所以航標(biāo)燈選用的鋰電池組建議采用四串的電池組組成鋰電池比較合適。

（4）延長鋰電池壽命的方法。在網(wǎng)上看到關(guān)于鋰離子電池充放電循環(huán)的實(shí)驗(yàn)表，循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)列出如下：循環(huán)壽命（10%DOD）：>1000次;循環(huán)壽命（100%DOD）：>200次。可見，充電次數(shù)和放電深度有關(guān)，10%DOD時(shí)循環(huán)壽命要比100%DOD的要長很多。而從廣州航標(biāo)處岸標(biāo)上使用的鋰電池實(shí)際情況也得到相似的驗(yàn)證，黃茅頭燈樁上使用2塊并聯(lián)的12V100Ah鋰電池、3塊80W太陽能硅板充電，燈器使用的是ML-300LED燈器，放電電流為1.6A，燈質(zhì)為閃3白9秒（0.3+1+0.3+1+0.3+6.1），燈器每日平均工作時(shí)間（H）為13小時(shí)，則燈器每日耗電量（S）=L/（L+D）×H×f×w÷v=0.9/9×13×1×1.6×12÷12=2.08Ah，該燈樁的燈器每日的消耗都小于鋰電池容量的10%放電深度，而現(xiàn)在該燈樁的2塊鋰電池從2013年5月份至今使用了5年多了，充電次數(shù)超過1800次。由此可以驗(yàn)證，要讓鋰電池壽命延長，每日的耗電量盡量小于電池放電深度的10%，所以太陽能硅板要盡量充足，保證鋰電池每日充電需求。

（5）鋰電池維護(hù)保養(yǎng)。廣州航標(biāo)處2017年共采購12V鋰電池100塊、一體化燈器50盞（使用鋰電池）;2018年共采購12V鋰電池110塊、一體化燈器90盞（使用鋰電池）;2019年共采購12V鋰電池50塊、一體化燈器238盞（使用鋰電池）。可以看出，廣州航標(biāo)處在使用鋰電池方面是逐年上升，并且更趨向采購一體化燈器，以更好地保護(hù)鋰電池。鋰電池一般放置一段時(shí)間后則進(jìn)入休眠狀態(tài)，容量低于正常值，所以在使用前一定要進(jìn)行充電激活，由于鋰電池本身沒有記憶效應(yīng)，所以只要經(jīng)過3-5次正常的充放電循環(huán)就可激活電池，恢復(fù)正常容量。對于庫存比較久的鋰電池，建議每3個(gè)月進(jìn)行一次充放電操作，放電深度不要超過10%為宜。

6.結(jié)束語

鋰電池一般比鉛酸電池具有壽命長、消耗慢、重量輕、體積相對較小等優(yōu)點(diǎn)。隨著科技的進(jìn)步，對鋰電池的研究也越來越深入，鋰電池的壽命將越來越長，而且鋰電池的生產(chǎn)成本也越來越低，替代鉛酸電池在航標(biāo)上的使用也將是未來的趨勢。本文總結(jié)了陽江航標(biāo)管理站在鋰電池使用中的一些經(jīng)驗(yàn)，希望值此對日后為航標(biāo)燈配置合適鋰電池為所幫助，對改進(jìn)航標(biāo)電池箱有所啟發(fā)，建議以后浮標(biāo)上安裝一體化燈器為主，它集成了太陽能硅板、燈器、鋰電池于一體，起到了有效保護(hù)鋰電池的作用，簡化航標(biāo)工現(xiàn)場安裝，而且維護(hù)保養(yǎng)也比較簡單，直接拿到有陽光的地方“曬一曬”就可以了。