蓄電池在船舶上的應用和分析

李海濤

摘? 要： 蓄電池作為船舶上的一種應急能源存儲設備，是船舶和人員安全的重要保障，蓄電池選擇或使用不當都會造成不可估量的損失。根據化學特性區分，當前船舶上常用的蓄電池主要有鉛酸蓄電池和鎳鉻蓄電池兩大類。根據用途區分，主要有起動蓄電池、儲能蓄電池、牽引蓄電池等類型。文章以船舶上不同類型系統為對象，通過對它們各自性能的比較，結合實際選型錯誤的案例，分析總結出船用蓄電池的一般選型建議和使用注意事項。

關鍵詞：? 船用蓄電池;鉛酸蓄電池;鎳鉻蓄電池;船用電池選型

中圖分類號： U662.3? ?文獻標識碼：A

0? 引言

蓄電池作為一種通過電化學反應儲存能量的設備，應用非常普及，小到手機，大到航天飛船，到處都有它的身影。在船舶上也不例外，蓄電池在很多關鍵的船用設備上發揮著重要作用。與一般工業應用不同的是，船舶作為一個小型海上城鎮，所用到的蓄電池數量較少但種類較多，可靠性的要求更高。陸地上，蓄電池一般有專業人員維護，船上因條件限制，蓄電池的選擇和使用往往缺乏專業指導，輕則，影響了蓄電池性能發揮，導致蓄電池提前報廢，重則，可能帶來嚴重的運營事故。本文主要針對船舶常用蓄電池進行比較和分類，通過實例介紹其性能差異，總結歸納出船用蓄電池的一般選型建議和使用注意事項。

1? 正文

1.1不同化學類型蓄電池的區別

蓄電池的種類繁多，基于可靠性和性價比的考量，目前船舶上應用最多的依然是鉛酸蓄電池和鎳鉻蓄電池，尤其以鉛酸蓄電池為多，占據了絕大多數的市場份額。本文主要以這兩種電池作為主要探討對象進行比較分析，對于鋰電池等其他類型電池，雖然在船舶上已偶有出現，但由于容量和價格的限制，短期內還無法替代前述兩種電池，暫不做討論。

鉛酸蓄電池由極板、鉛、氧化鉛和硫酸電解液組成。分為富液式和貧液式。富液式的強酸電解液，需要定期添加，對人容易造成傷害，而且要保證電池水平靜置，遠洋船舶不可避免的傾斜也會造成電解液的泄露，因此在船舶上已越來越少被使用。目前應用最為廣泛的是閥控式鉛酸免維護（Valve-Regulated Lead-Acid， VRLA）蓄電池。VRLA電解液不會泄露，充電過程中產生的氣體可以通過泄氣閥排出，保證電池單元內外氣壓平衡，其內部使用耐腐蝕的鉛鈣合金柵板，設計壽命在10到15年，不需要維護。隨著技術工藝的改進，VRLA蓄電池派生出AGM電池和膠體電池兩大類，通常如果沒有特殊說明，VRLA電池特指AGM電池。和其鎳鉻蓄電池相比，鉛酸蓄電池具有成本低廉、無記憶效應的優點，但能量重量比偏低，受溫度影響較大。

鎳基蓄電池是一種堿性蓄電池。主要有分鎳鉻（NiCd）蓄電池和鎳氫（NiMH）蓄電池兩大類，船舶上以鎳鉻蓄電池更為常見。它的正極活性物質為鎳，負極活性物質為鎘，是一種堿性蓄電池。它具有內阻小，放電電流大，能量密度較高，耐過充電性能好，維護簡單，充放電循環次數較多的諸多優點。但其價格相對較高，存在記憶效應，經濟性上不如鉛酸蓄電池，而且，從環保角度考慮，鎳堿蓄電池對環境的污染比鉛酸蓄電池更嚴重。

由于鉛酸蓄電池發展較早，技術更為成熟，初始采購成本更低，目前大多數商船還是使用VRLA電池。近年來，隨著電池技術的發展和船東對備用能源穩定性的要求提高，免維護式鎳鉻蓄電池在一些復雜的海洋工程船舶上越來越多被使用，這主要得益于鎳鉻蓄電池出色的溫度特性。隨著溫度升高，鉛酸蓄電池的使用壽命衰減更快，當溫度升高一倍到50℃，鉛酸電池壽命僅為原來的1/10，而鎳鉻電池還大于1/2。對于常年在熱帶地區作業的船舶而言，即使電池的存儲艙室有良好的通風條件，但維持低于30℃的電池間溫度也非易事，此時，鎳鉻蓄電池無疑是最佳的選擇。

1.2蓄電池在船舶上的應用

根據船舶直流負載電流的特點，船舶上主要有起動型和固定型兩大類蓄電池。對于一些載有移動式機械的船舶，牽引型蓄電池也會被用到。帶有光伏能源系統的船舶，則需要儲能型蓄電池，僅它在特殊船舶上存在，尚不具備代表性。

1.2.1? 不同負載類型蓄電池的區別

起動型蓄電池作為船上柴油機起動的能源之一，幾乎在每條船上都會存在。起動型蓄電池驅動柴油機的起動馬達，需要具有短時多次超大電流放電的能力。為了保證直流起動馬達所需電壓，需要盡量減小直流電阻帶來的損耗，那么起動型蓄電池要盡可能內阻小。從蓄電池到起動馬達的電纜也會非常短以減少線路電阻。機艙往往環境較差，溫度變化范圍大，所以起動型蓄電池需要耐受更寬的環境溫度。衡量鉛酸起動型蓄電池的重要指標是冷起動電流CCA（Cold Cranking Ampere），在規定的某一低溫狀態下（通常規定在零下18℃或零下29℃），額度電壓12V的蓄電池在電壓降至7.2V前，持續30秒輸出的電流值。對于鎳鉻蓄電池，盡管沒有CCA的測試標準，但制造廠也給出了各自一定溫度下短時放電能力供用戶選擇。實際應用中，需要根據起動馬達的轉矩所需的最小電流來確定起動蓄電池規格。

固定型蓄電池泛指作為關鍵電力設備后備能源的蓄電池，應用在核心系統上，以保證在失去正常和應急電力的情況下，維系船舶安全的核心設備繼續工作。如船上的控制系統、通信系統的UPS蓄電池組。固定型蓄電池一般容量較大、放電時間較長但持續放電的電流不高。為了保證蓄電池的性能最佳，固定型蓄電池應該布置在在溫度和通風條件良好的艙室內。電池的選型則應根據實際應用區別對待。比如，對于核心控制系統的備用電源電池，條件允許的前提下盡可能選擇膠體電池或鎳鉻電池，提高系統的穩定性，對于船舶通信系統備用電池，快速充電更為重要，優先選用AMG電池或鎳鉻電池。

1.2.2? 系統應用案例分析

某輪應急發電機在調試階段發現配套鉛酸起動蓄電池丟失，臨時借用同品牌、同電壓、同容量的GMDSS蓄電池使用。試機發現起動困難，起動過程中蓄電池有“白煙”冒出，斷電后檢查，發現蓄電池接線柱的局部有熔化跡象，如圖2。

重點從電壓和電流兩方面分析故障產生的原因。查閱應急發電機制造廠資料，電起動系統所用電纜規格和長度均滿足廠家推薦要求，說明起動馬達端電壓符合要求。根據相關參數估算最小冷起動電流為1200A，而臨時借用的GMDSS蓄電池為固定式蓄電池，由于電池自身設計原因，不具備短時大電流放電能力，在起動過程中，蓄電池被強行超額大電流放電，導致電解液部分氣化，產生“白煙”，這是造成起動困難的主要原因。另外，在施工過程中，擰接線柱緊固螺栓時沒有參考電池制造廠推薦的力矩，力矩過大導致電池接線柱的銅芯和鉛基松動，接觸不良，電阻增大，在大電流放電的時候，鉛合金部分熔化。于是，更換了1400CCA的起動型蓄電池，前述故障排除。

可見，錯誤地使用固定型蓄電池代替起動型蓄電池，不但無法達到正常起動的目的，還會損毀蓄電池。反之，如果用起動型蓄電池代替固定型蓄電池，雖然在性能上不會有太大差異，但起動型蓄電池較高的價格讓這種替代得不償失。

2? 結? 語

由于船舶上絕大多數時間都處于浮充電狀態保證電池滿電，因此鎳鉻電池的記憶效應的缺點不那么明顯，因此，從性能和設計壽命上來看，鎳鉻蓄電池優于鉛酸蓄電池。對于一艘船舶，起動型、固定型和牽引型蓄電池的性能有著明顯區別，不能隨意混用，在電池選型時候需要明確具體應用場合，根據負載實際特點有針對性選擇。

總體來說，蓄電池選擇應重點側重這幾條原則：一，實際工作的環境溫度;二，蓄電池的類型，比如，酸性電池還是堿性電池，起動型蓄電池還是固定型蓄電池;三，基于實際工作條件的容量核算;四，與蓄電池匹配的充電設備。

參考文獻：

[1]? Syed Murtaza Ali Shah Bukhari， Junaid Maqsood， Mirza Qutab Baig， Suhail Ashraf， Tamim Ahmed Khan. Comparison of Characteristics - Lead Acid， Nickel Based， Lead Crystal and Lithium Based Batteries， UKSIM-AMSS International Conference on Modelling and Simulation， 2015 17th

[2] Technical bulletin 41-7327， C&D technologies， VRLA Batteries and Their Application， http：//www.cdtechno.com/resource/support_doc.html

[3]? IEC， Secondary Cells And Batteries Containing Alkaline Or Other Non-Acid Electrolytes - Vented Nickel-Cadmium Prismatic Rechargeable Single Cells，? IEC 60623 Ed. 5.0 b：2017

[4]? IEC， Lead-acid starter batteries - Part 1： General requirements and methods of test. IEC 60095-1：2018

[5]? IEC， Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes - Vented nickel-cadmium prismatic rechargeable single cells， IEC 60623：2017