淺析船舶蓄電池的選型與布置

李寶健

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著國內(nèi)外造船行業(yè)的日趨成熟，電氣設(shè)備在船上得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并且發(fā)揮著越來越重要的作用。船舶蓄電池作為船舶工作電源的一種，是船舶電力系統(tǒng)保證設(shè)備供電和安全航行的基礎(chǔ)，在船舶運營過程中，船舶蓄電池為諸多設(shè)備的運行提供了后備電源，例如應(yīng)急發(fā)電機啟動、無線電系統(tǒng)、逃生照明、燈光信號、火災(zāi)報警等。因此，船舶蓄電池的合理選型和布置不僅關(guān)乎設(shè)計成本和效率，還可以保證船舶的航行安全。船舶蓄電池的選型對于船舶配電系統(tǒng)的設(shè)計方案有著直接影響，在選擇船舶蓄電池時，除了需要考慮相應(yīng)的船級社規(guī)范、船舶類型、需求容量以及船東要求，還要掌握必需的蓄電池特點與分類知識，以便能夠進行清晰合理的設(shè)計，讓相關(guān)人員得到最佳的選型。

1 船舶蓄電池的特點和分類

無論是陸上電力系統(tǒng)，還是船舶電力系統(tǒng)，蓄電池都是不間斷電源系統(tǒng)中的重要組成部分，其運行直接影響到整個不間斷電源系統(tǒng)的可靠程度，然而蓄電池卻也是整個不間斷電源系統(tǒng)中故障率較高一種器件。因此，在合理的設(shè)計和使用前提下，要提前了解蓄電池的特點與分類，船舶蓄電池主要分為鉛酸和鎳鎘2大類，鉛酸電池的價格相對便宜，但鉛酸電池對環(huán)境溫度的要求較高，一般應(yīng)用環(huán)境溫度為 20℃～27℃，高溫環(huán)境會嚴重降低電池壽命，相對環(huán)境溫度較高時可考慮鎳鎘電池。

1.1 鉛酸蓄電池

常用的鉛酸蓄電池主要分為3類：

1）排氣式蓄電池（FVLA）。這種蓄電池的電極是由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成，電解液是主要成分為硫酸及水溶液，其優(yōu)點是電壓比較穩(wěn)定、價格便宜，缺點是每公斤蓄電池存儲的電能低、使用壽命不長且日常維護次數(shù)過多。

2）干式蓄電池。它的全稱是干式荷電鉛酸蓄電池，主要特點是負極有較高的電儲存能力，在干燥狀態(tài)下，能在2年之內(nèi)保存電量，使用時，只需加入適量的電解液，待一段時間后方可使用。

3）閥控式免維護蓄電池（VRLA）。其基本特點是使用期間不用加酸加水進行維護；電池為密封結(jié)構(gòu)，不會漏酸，也不會排酸霧；電池蓋子上設(shè)有單向排氣閥（也叫安全閥），該閥的作用是當電池內(nèi)部氣體量超過一定值（通常用氣壓值表示），即當電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時，排氣閥自動打開，并排出氣體，而后自動關(guān)閥，防止空氣進入電池內(nèi)部[1]。

1.2 鎳鎘蓄電池

鎳鎘蓄電池是一種正極主要由鎳組成、負極主要由鎘制成的堿性蓄電池，其電解液是氫氧化鉀溶液。它的優(yōu)點是輕巧、防震、性能穩(wěn)定、使用壽命長，由于其優(yōu)點不俗，受到船東的廣泛認可，且在越來越多的船舶上得到應(yīng)用，但價格比鉛酸蓄電池昂貴。

1.3 鉛酸和鎳鎘蓄電池對比

2種蓄電池在不同特性下的對比，如表1所示。

2 船舶蓄電池容量計算

一般單個干電池（包括堿性電池）的額定電壓為1.5 V，鉛酸電池的額定電壓為2 V，鎳鎘電池為1.2 V，蓄電池容量的單位為Ah。鎳鎘電池的容量一般按照5小時率給出，鉛酸電池容量一般是按照10小時率給出。例如：172 Ah/10 h解讀為以17.2 A的放電電流連續(xù)放電10 h，電池電壓不低于額定值的要求；172 Ah/20 h，解讀為以8.6 A的放電電流連續(xù)放電20 h，電池電壓不低于額定值的要求。額定值則需要查看電池廠商的截止電壓數(shù)據(jù)。國家標準中規(guī)定了截止電壓，截止電壓在實際應(yīng)用中可以根據(jù)放電情況來調(diào)整，鉛酸電池一般備電30 min可以使用1.7 V或1.75 V，2 h以上一般會使用1.8 V；鎳鎘電池備電30 min可使用1.05 V，2 h以上可使用1.1 V或更高。

表1 鉛酸和鎳鎘蓄電池對比

蓄電池的容量是指充滿電的蓄電池用一定安培的電流放電至規(guī)定放電終止電壓時的放電量，蓄電池容量的表示通常采用如下2種方法：

1）安時容量＝放電電流×放電時間；

2）瓦時容量＝安時容量×平均放電電壓。

在實際設(shè)計中，通常采用第一種方法，在確定蓄電池組的容量時，必須考慮放電電流的大小和放電時間的長短，因此蓄電池放電率這一名詞被提出，它是指相對于蓄電池容量放電電流的大小，通常用放電至終止電壓時，可維持放電電流的時間來表示。用大于標準放電率的電流放電時，蓄電池容量會降低，這可用蓄電池容量系數(shù)K來表示[2]。某A系列蓄電池容量系數(shù)如表2所示。

表2 某A系列蓄電池的容量系數(shù)

常用蓄電池容量計算如式（1）

式中：K為蓄電池容量系數(shù)；Q為所需蓄電池容量，Ah；P為負載功率，W；U為負載電壓，V；I為負載電流，A；t為負載工作時間，h。

計算得出需求船舶蓄電池供電的負載總電流為110 A時，使用蓄電池的備電時間為0.5 h，適用10 h放電率。另由船東要求與船型確認選擇閥控式免維護鉛酸蓄電池，則可由表2查得容量系數(shù)為0.3，計算蓄電池容量Q＝183 Ah/10 h，按船舶蓄電池供應(yīng)商的常用規(guī)格，則可確定選型為200 Ah/10 h的蓄電池。

3 蓄電池布置要求

根據(jù)船舶入級的船級社不同，船舶蓄電池的布置要求也有差異。因此，在進行船舶蓄電池設(shè)計時，要提前查閱船級社規(guī)范中有關(guān)蓄電池的布置要求，除此之外，船東的具體要求需要引起基本設(shè)計人員的特殊注意，隨著船東對船舶性能效用要求的提高，船東對船舶設(shè)計的要求也呈現(xiàn)高于規(guī)范的趨勢，以下詳述了幾大船級社對于船舶蓄電池的具體布置要求。

1）DNV 規(guī)范關(guān)于蓄電池的布置要求[3]。排氣型（電解液）蓄電池的位置和通風(fēng)應(yīng)符合表3的要求，閥控型/干式蓄電池的位置和通風(fēng)應(yīng)符合表4的要求。

表3 排氣型（電解液）蓄電池的位置和通風(fēng)

2）ABS規(guī)范關(guān)于蓄電池的布置的要求如表5[4]。

3）CCS規(guī)范關(guān)于蓄電池的布置的要求如表 6所示[5]。

4 船舶蓄電池布置的注意事項

除了符合船級社規(guī)范的要求外，在實際設(shè)計與布置中，船舶蓄電池的布置仍有許多注意事項：

1）蓄電池組的位置應(yīng)使其環(huán)境溫度始終保持在蓄電池制造商規(guī)定的范圍內(nèi)，如溫度超過規(guī)定的范圍時，充電器應(yīng)具備溫度補償功能，并應(yīng)發(fā)出報警；

2）蓄電池組應(yīng)布置得易于接近，以便對其進行維修與更換；上方應(yīng)有足夠的空間用于維修和冷卻，如蓄電池組有遭受機械損傷或下落物體的危險時，應(yīng)有適當?shù)姆雷o措施；

3）用作應(yīng)急電源和臨時應(yīng)急電源的蓄電池組均應(yīng)安裝在最高一層連續(xù)甲板以上、易于從露天甲板到達之處，且不應(yīng)裝設(shè)在防撞艙壁之前；應(yīng)盡可能不與A類機器處所或裝有主電源連同其變換設(shè)備（如設(shè)有時）或主配電板所在處所的界面相毗鄰，且蓄電池組不應(yīng)安裝在起居處所，充電時不會產(chǎn)生有害氣體的氣密蓄電池除外；

表4 閥控型/干式蓄電池的位置和通風(fēng)

表5 ABS船級社蓄電池的位置

4）GMDSS系統(tǒng)的蓄電池箱應(yīng)布置在主集合站以上，發(fā)動機起動蓄電池的位置應(yīng)盡可能地靠近其所起動的發(fā)動機；

表6 CCS船級社蓄電池的位置

5）堿性蓄電池和鉛酸蓄電池不得放置在同一艙室內(nèi)；

6）安放蓄電池的專用艙室、箱、柜等，凡可能受到電解液或電解液逸出氣體引起腐蝕的表面，均應(yīng)有防腐蝕措施。

5 結(jié)論

船舶蓄電池的布置和設(shè)計對船舶航行的安全起著關(guān)鍵的作用，是船舶應(yīng)急狀態(tài)下的重要依靠。本文通過對蓄電池選型與布置的分析，結(jié)合各大船級社的布置要求，從特點、分類、容量計算等各個角度對船舶蓄電池進行解讀，在多數(shù)人更關(guān)注蓄電池維護和保養(yǎng)的背景下，呼吁加深對船舶蓄電池前期設(shè)計和布置的重視，從而有利于后期的維護和保養(yǎng)，對相關(guān)設(shè)計人員而言具有重要的借鑒意義。