淺談船用充放電板和蓄電池的應用

王愛華

【摘 要】電源對船舶的重要性不言而喻，蓄電池作為船舶應急電源的一種，對保證船舶應急控制和船上人員的安全起著重要的作用。充放電板是專為低壓網(wǎng)絡負載提供電源和提供蓄電池能源的一種過渡設備，充放電板讓蓄電池的電能時刻保持充盈，設備得以持續(xù)供電。

【關鍵詞】充放電板;蓄電池;電源

船用充放電板是船用配電裝置的一種，用于控制和監(jiān)測充電發(fā)電機或充電整流器，也時刻監(jiān)測著蓄電池的電能狀況，出現(xiàn)異常和故障時發(fā)出警報，提醒人員及時檢查和維修，讓用電設備維持正常工作。

蓄電池作為可移動的獨立電源，可為船舶提供多種用途。在船舶中，電池除了具有高效、清潔、安靜、緊湊等特點之外，還可以降低聲波、紅外、磁場等航跡，并可在船舶各配電區(qū)域分散安裝，以充分利用船舶內的空間。

在實際應用中，因充放電控制不合理而造成電池壽命終止的不在少數(shù)，為了延長蓄電池的使用壽命，對電池的充放電控制技術有了更高的要求。

1 概述

蓄電池組用于啟動主輔機時，總容量應滿足規(guī)范要求的啟動次數(shù);用于應急照明和臨時應急電源時確定的容量，對負載的持續(xù)放電時間應滿足規(guī)范要求，交流電停止供電時，自動接蓄電池充放電板并對規(guī)定的各項設備供電。

除浮充電外，蓄電池充放電板應能在10 h內將蓄電池充電到額定容量的80%。蓄電池充放電板的電源應設電源開關、保護裝置和電源指示燈，用于進行短路過載保護及顯示。應設有因充電裝置的輸入電壓過低而導致蓄電池向充電裝置倒流的回路，一般采用二極管模塊，也可采用欠流繼電器或其他保護方式。應設有測量每一充電回路的充電電流的電流表，如果需要測量放電電流時，則該電流的刻度應為雙向的。應設有測量每一蓄電池組的充放電電壓的電壓表。供電給應急照明或臨時應急照明及警鈴等的蓄電池組，其充放電回路的設計應確保應急情況發(fā)生時即使在充電位置也能放電。應急照明或臨時應急照明需要在主電網(wǎng)供電失效時自動接通，通常采用由電網(wǎng)電壓控制接觸器實現(xiàn)，接觸器一般均裝在充電板內。蓄電池充放電板應設有絕緣監(jiān)測裝置。蓄電池充放電板應從浮充方式轉化為循環(huán)充電方式的功能。蓄電池充放電板應具有防止蓄電池過充、過放的保護環(huán)節(jié)和故障報警，并保證在任何情況下都可使蓄電池組轉入應急放電，蓄電池自動充放電板應能轉換為手動操作。

2 船用充放電板的作用

船用充放電板對船舶上安裝的蓄電池組進行充電和和放電;控制和監(jiān)視充電電源的工作情況;將蓄電池組的電能分配給船上的低壓用電設備;當主電網(wǎng)、應急電網(wǎng)都失電的情況下，能自動接通蓄電池的放電回路直接向小應急設備供電。具有整流模塊故障、充電模塊故障、高低壓報警、絕緣檢測、蓄電池放電報警等功能。

3 船用充放電板的主要組成

主要包含主用和備用兩路輸入電源、功能回路、回路保護、狀態(tài)顯示及報警、直流負載。

接通交流輸入電源，交流電經(jīng)整流模塊變換為DC24 V后，充電模塊對外接蓄電池組進行充電，供電模塊對船上DC24 V負載供電;也可以根據(jù)實際負荷情況，只設充電模塊，這時充電模塊也兼作供電模塊提供DC24 V電源。

當交流失電或模塊故障原因而停止工作時，自動轉由蓄電池給負載供電，保證應急設備正常工作。由交流電轉換為蓄電池放電的過程中，應能實現(xiàn)對負載的不間斷供電。

對于重要設備和基于航行安全，可以設置UPS不間斷電源，作為臨時過渡電源。

3.1 充（供）電模塊

充放電板的核心部分基本采用開關電源作為充供電模塊，交換式（開關）電源是交—直流轉換比較常用的一種方式，主體構成如圖1所示。

交流電經(jīng)過濾波和整流，變換成直流電壓，再經(jīng)過直流變換器變成所需的直流電壓，通過控制電路穩(wěn)定輸出電壓。交換式（開關）電源相比于簡單的硅整流電源，具有重量輕、體積小、功率因數(shù)高、噪音低、效率高等特點。

3.2 功能回路

主要包含主備兩路輸入電源轉換回路、充放電回路、控制回路、監(jiān)測回路等。

各回路的元器件應選用優(yōu)質的產(chǎn)品，以確保當內部系統(tǒng)出現(xiàn)短路或過載等現(xiàn)象時，能起到較好的保護作用。

3.3 報警及監(jiān)測單元

該單元一般由絕緣監(jiān)測儀、電池狀態(tài)及檢測報警電路、PLC模塊等組成。

（1）絕緣監(jiān)測儀。絕緣監(jiān)測儀對電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)進行在線監(jiān)測，一旦絕緣電阻小于限定值，則發(fā)出聲光報警，其應用對于及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，快速準確地判斷故障線路，提高電網(wǎng)的運行安全和供電可靠性具有重大意義。合理地選用絕緣監(jiān)測儀對設備的保護非常重要。

（2）電池狀態(tài)及檢測報警電路。該部分電路的主要功能是接收來自充（供）電模塊的信號，以指示充（供）電模塊的工作狀態(tài);監(jiān)測船上蓄電池組電壓，具有供電高、低壓監(jiān)測報警功能。當蓄電池和匯流排電壓高于或低于設定值時，電壓監(jiān)測報警器會發(fā)出報警，并可手動消音;消音后，報警燈光由閃光變?yōu)槠焦?需人工排除故障后，報警信號自動消除。

該部分電路也是從另一種途徑延長蓄電池的使用壽命而配備的報警保護措施。

（3）PLC模塊。PLC模塊的功能主要為供電、充電與停止充電操作、報警消音操作、設備停止運行操作、蓄電池電壓采樣、蓄電池“自動/手動”充電功能轉換、充電電流檢測等程序處理工作。

4 船用充放電板的基本原理

以下列舉出常規(guī)的充放電簡易原理圖及說明。

4.1 單一制充電電路原理

將電源開關1QF置于“ON”處時，三相380 V交流電壓輸入。

將1SA選擇開關處于“自動”狀態(tài)，手動功能失效，1KA1繼電器工作，充電模塊1CHU1工作，電路即自動進入充電狀態(tài)。同時，按供電啟動1SB1按鈕，1KA2繼電器工作，供電模塊1CHU2工作。這時充電狀態(tài)處于均充狀態(tài)，“均充指示”指示燈1HL1發(fā)亮;供電模塊整流成約26.5 V電壓對負載供電，充電模塊整流成約28 V電壓對蓄電池組充電。此時，直流接觸器1 KM得電斷開，充電模塊1CHU1不能對負載供電，因為充電模塊輸出28 V經(jīng)1D1、1D2整流模塊降壓輸出約25.9 V，比供電模塊1CHU2輸出的電壓26.5 V低，所以充電模塊和蓄電池不會對負載供電。當均充電壓達到28 V，電流傳感器1IR1檢測到充電電流為0.006C（即1.8 A）后自動驅動1PLC內時間繼電器再延時1 h后自動轉為27 V恒壓浮充電，另一條件是當均充時間（1PLC內設置） 達到8 h也自動轉為27 V恒壓浮充電，此時“浮充指示”指示燈1HL2發(fā)亮，“均充指示”指示燈1HL1熄滅。蓄電池處于浮充狀態(tài)。

當1SA處于“手動”狀態(tài)時，自動功能失效，充電啟動/停止必須由手動操作執(zhí)行。外接交流電有電時，經(jīng)整流模塊變換為DC24 V后供電模塊向負載供電，交流失電時，由蓄電池組向負載供電;而交流有電供電模塊發(fā)生故障時，轉為由充電模塊和蓄電池同時向負載供電，實現(xiàn)了不間斷供電。當蓄電池放電電壓過低/充電電壓過高、模塊充電電流過高/故障、直流低壓網(wǎng)絡絕緣低時，1PLC監(jiān)測到此信號對應的報警指示，同時綜合報警1HAU鳴音器工作，發(fā)出聲光報警信號，能在文本顯示器1TXT上顯示報警內容。按消音按鈕1SB5后報警聲消失，相應的報警指示燈閃光變平光，故障排除后，平光消失。單一制充電電路原理如圖2所示。

4.2 一充一放原理

將電源開關2QF置于“ON”處時，三相380 V交流電壓直接輸入至模塊2CHU。當2SA處于“手動”狀態(tài)時，自動充電功能失效。啟動2SB1“2GB1充電”按鈕時，即“2GB1充電/指示”指示燈HL1發(fā)亮，2KA1線圈得電工作，2CHU即時工作，延時2 s（2PLC內設置）2KM1線圈得電，即2GB1蓄電池組進入充電。當啟動2SB2“2GB2充電”按鈕時，即“2GB2充電/指示”指示燈HL2發(fā)亮，2KA2線圈得電工作，2CHU即時工作，2KM2線圈延時2 s（2PLC內設置）得電，即2GB2蓄電池組進入充電，按2SB3按鈕停止充電，線路處于放電狀態(tài)。上述電路設置2 s延時目的是實現(xiàn)不間斷放電作用（先并聯(lián)放電，后充電）。

當選擇開關2SA處于“自動”模式時，手動充電功能失效。當蓄電池低于23 V自動申請充電，兩組蓄電池輪流充電靠2PLC內時間繼電器轉換實現(xiàn)。充電過程與單一制充電過程相同。當2GB1蓄電池出現(xiàn)低壓（23 V），模塊將自動對該蓄電池組進行充電;同理，當2GB2蓄電池出現(xiàn)低壓時，模塊將自動對該蓄電池組進行充電。如果兩組蓄電池同時出現(xiàn)低壓時，強制對2GB1優(yōu)先進行充電，2GB1延時充電2 h后自動轉為2GB2充電，如果不出現(xiàn)另一組蓄電池低壓，則一直進行浮充電。以上時間均由2PLC設置。

當蓄電池放電電壓過低/充電電壓過高、模塊充電電流過高/故障、直流低壓網(wǎng)絡絕緣低時，2PLC監(jiān)測到此信號對應的報警指示，同時綜合報警HAU鳴音器工作，發(fā)出聲光報警信號，能在文本顯示器2TXT上顯示報警內容，同時綜合報警信號外送。按消音按鈕2SB4后報警聲消失，相應的報警指示燈閃光變平光，故障排除后，平光消失。充放電單元設有隔離二極管，目的是兩組蓄電池不會產(chǎn)生逆流。一充一放原理如圖3所示。

5 蓄電池的應用

5.1 蓄電池的作用

在以發(fā)電機組為主電源的船舶電力系統(tǒng)中，蓄電池組是以備用及應急電源的身份存在的，它起著主電失效應急電蓄能補給的作用;而在以蓄電池組為主電源的船舶電力系統(tǒng)中，它起著主導作用。蓄電池在船舶領域的主要用途為啟動、照明、通導、電力推動和應急等，在機車、通信、軌道交通、電力等諸多領域則作為啟動、牽引、備用等功能的電源。

5.2 蓄電池的主要技術特性

蓄電池的主要性能指標包括開路電壓、工作電壓、容量、比能量、比功率、循環(huán)壽命等。

開路電壓是外電路沒有電流通過時，正、負兩電極之間的電位差。工作電壓又稱負荷電壓，是外電路有電流通過時，正、負兩電極之間的電位差。當有電流通過時，因電池內部存在極化而產(chǎn)生電壓降，故工作電壓總是低于開路電壓。電池容量有理論容量、實際容量、額定容量之分。理論容量是假設活性物質的化學能全部轉換為電能;再根據(jù)活性物質的質量按照法拉第定律計算求得的容量。實際容量是在一定放電條件下，電池實際放出的電量。額定容量是按國家或有關標準規(guī)定，在一定放電條件下，電流產(chǎn)品必須保證放出的最低限度的電量。比能量是在一定放電條件下，電池單位質量或單位體積所輸出的電能，也稱能量密度。比功率是在一定放電條件下，在單位時間內，電池單位質量或單位體積所輸出的電能，也稱功率密度。循環(huán)使用：蓄電池使用時充電和放電為一個循環(huán)，蓄電池容量或某種關鍵性參數(shù)隨著循環(huán)數(shù)增加而降低。循環(huán)壽命是蓄電池容量或某種關鍵性參數(shù)下降到規(guī)定值之時所耐受的總循環(huán)次數(shù)。

5.3 蓄電池的充放電方法

以下以鉛酸蓄電池進行舉例說明。

5.3.1 浮充電

浮充電是蓄電池和負載并連接于充電裝置的使用方式，浮充電壓基本保持恒定。

浮充方式的特點：以較小電流的充電方式，使蓄電池只經(jīng)過補充充電的電流，以補償內外因引起的蓄電池損耗。充電電路中一般設有限流器，有大電流負載時，蓄電池負擔部分負載，而其間出現(xiàn)外部電源中斷時，蓄電池則負擔全部負載;當大電流負載消失而負載較小時，充電裝置對蓄電池的放電部分進行補充充電。

理想的充電狀態(tài)是放電到合適程度時，斷開負載或只保留小部分負載在線路上，使蓄電池盡快充滿到接近飽和的狀態(tài)，蓄電池的壽命相對較長。

浮充方式的優(yōu)勢：外部電源接通時，充電裝置向負載供電，而失電時蓄電池向負載供電，沒有瞬時斷電的狀況，電壓波動小;蓄電池既分擔停電時的負載又分擔大電流，充電裝置既分擔蓄電池充電電流又分擔負載電流，它們可以聯(lián)合工作，因此可以減少它們的容量;正常情況下，充電裝置提供恒定的充電電壓，使蓄電池保持在充滿而不過充電的狀態(tài)。實際使用中，浮充電壓要根據(jù)蓄電池的特點和參數(shù)、環(huán)境溫度調整確定。

5.3.2 均充模式

處于浮充運行的蓄電池組出現(xiàn)電池間電壓偏差超過規(guī)定標準、單只電池容量明顯低于平均水平時，應進行均衡充電，一般采用恒壓限流方式進行充電。

均充模式的特點：相對浮充方式，均充模式充電較快、持續(xù)時間短、充電效率較高，可以較快地補充蓄電池放電后的電能;可以消除蓄電池組中個體電池的偏差。

蓄電池遇到下列情況時需要進行均衡充電：蓄電池安裝結束后，投入使用前需要進行一次均衡充電。蓄電池組進行過放電，放出容量超過5%的額定容量。蓄電池組全浮充運行6個月以上。均衡充電時，充電電壓的設備也要根據(jù)電池的特點和環(huán)境溫度來確定。

當蓄電池深度放電后充電時間需16～20 h，非深放電時充電時間可縮短，或在充電末期連續(xù)3 h時涓流充電且基本不變化時，應轉為浮充模式。

5.3.3 快充和大電流充電

蓄電池普遍采用小電流的恒定電壓或恒定電流等傳統(tǒng)的充電方法，這些充電方法充電時間較長，制約了蓄電池在實際中的應用。

鉛酸蓄電池充電過程中出氣率和溫升明顯的主要影響因素是極化現(xiàn)象。蓄電池充電時產(chǎn)生的極化現(xiàn)象有3種：電阻極化、濃差極化和電化學極化。

這3種極化現(xiàn)象都是在停止充電后應即消失，通過給蓄電池放電，就可降低蓄電池的溫度上升速度。在采用大電流充電的過程中，設法做到選擇適當時間給蓄電池放電，即可消除極化現(xiàn)象，達到給蓄電池快速充電的目的。

在實際充放電系統(tǒng)設計中，我們可以設有快充或慢充及其轉換開關的組合充電方式（如圖4所示）。

5.3.4 恒壓充電

恒壓模式是指在充電過程中，充電電壓始終保持不變。

蓄電池放電到一定程度時，在充電初期以高恒壓方式快速充電，當蓄電池電壓達到一定值時，結束高恒壓充電模式，進而轉為均充模式。

恒壓模式的特點：充電的開始階段，充電電流大而蓄電池電壓低，對蓄電池會有損害;隨著充電進程的推進，蓄電池電壓上升到一定值，充電電流又變小，充電裝置得不到充分利用。

為補救恒壓充電的缺點，結合恒流充電方式限定充電電流，這就是蓄電池廠家提薦的恒壓限流法。

5.3.5 機帶充電機充電

船舶上的主機和發(fā)電機一般隨機配置有充電電機，當主機和發(fā)電機運行時機帶充電電機工作，給機組啟動蓄電池進行充電;但是，如果主機和發(fā)電機長期不運行時，就會存在啟動蓄電池因自放電或其他原因而造成電量耗盡。

為此，在實際應用中，會將啟動蓄電池接入充放電板中，并將主機和發(fā)電機的運行信號接入充放電板;這樣當主機和發(fā)電機組運行時，由機組給啟動蓄電池充電，而主機和發(fā)電機組停機時則由充放電板給啟動蓄電池充電;也可以在機組的啟動線路中加入轉換開關進行手動充電轉換。

5.3.6 負載供電

蓄電池向負載供電是一個放電過程。船舶主輔機的啟動電源一般采用蓄電池，因啟動電流較大，這時的蓄電池應保持在充滿的狀況;在船舶照明系統(tǒng)中，蓄電池起著應急照明的作用，應保持足夠的放電時間;而在通導、報警、信號等系統(tǒng)，蓄電池則是主電源或備用電源的存在，應保證供電正常。

蓄電池最好不要在過低溫度（-20 ℃之下）下工作;并盡量避免深度放電，這會影響它的使用壽命。

6 結語

船用充放電板、蓄電池雖然只是船舶電力系統(tǒng)中的小部分設備，但其性能的優(yōu)劣卻直接影響它們在系統(tǒng)中的應用和航行安全。本文結合在實船中的案例和設備的參考資料，介紹船舶產(chǎn)品中充放電板和蓄電池的功能、作用及注意事項等，這些內容只是一些微小“景觀”，還不足以囊括其他充放電控制技術和其他類型蓄電池的應用。

隨著船舶節(jié)能和新能源技術的開發(fā)，可再生能源作為船舶動力源被視為前景良好的能源技術之一;各種類型的船舶產(chǎn)品對設備的要求也越來越高，因此也讓我們接觸到不同類型的技術知識面，這些都間接地讓我們開闊了眼界，也讓我們有了新的學習方向。只有不斷地學習新知識、新工藝、新技術，才能逐步提升我們的工作水平和能力。

參 考 文 獻

[1]馬偉明.中國電氣工程大典第12卷·船舶電氣工程[M].北京：中國電力出版社，2015.

[2]黃建單.船舶設計實用手冊·電氣分冊[M].第3版.北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[3]葛耀中.繼電保護技術的新進展[J].繼電器，2016（1）.

[4]吳斌.繼電保護中的人工智能技術及其應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2017（5）.

[5]王子午，徐澤植.常用供配電設備選型手冊：預裝（組合、箱式）變電站、變壓器（修訂版）[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2016.