船用免維護(hù)蓄電池及其充放電板設(shè)計(jì)的改進(jìn)

常紅艷 張加勝 湯天航 梁國(guó)強(qiáng)

（黃海造船有限公司 山東264309）

引 言

大型客貨滾裝船低壓網(wǎng)絡(luò)負(fù)載供電電源為DC 24 V，如機(jī)艙輔機(jī)、駕駛設(shè)備、無(wú)線電設(shè)備、臨時(shí)應(yīng)急照明、應(yīng)急發(fā)電機(jī)起動(dòng)和主推進(jìn)系統(tǒng)等。目前船用DC 24 V電源主要來(lái)自蓄電池，凡有蓄電池的場(chǎng)合，就需配有充放電裝置或充電機(jī)，它們是蓄電池不可缺少的附帶設(shè)備。以往船上使用的是普通的鉛酸蓄電池，因其維護(hù)保養(yǎng)上存在諸多缺陷，現(xiàn)在船東使用了性能更為良好的閥控免維護(hù)鉛酸蓄電池，因此對(duì)此類蓄電池需進(jìn)行更合理的充放電設(shè)計(jì)和維護(hù)保養(yǎng)。

1 應(yīng)用原理

電池正常充電采用恒壓限流方式，充電完畢后投入運(yùn)行，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程要對(duì)鉛酸蓄電池提供浮充電。不同類型的鉛酸蓄電池具有不同的浮充電壓，其大小與電池本身的結(jié)構(gòu)、電解液的密度、環(huán)境溫度和自放電率有關(guān)。［1］

作為備用電源使用的電池，在補(bǔ)充充電結(jié)束后，即可投入運(yùn)行。電池在25℃基準(zhǔn)溫度下的浮充電壓為2.23～2.25 V，隨環(huán)境溫度的變化而適當(dāng)調(diào)整。超過(guò)基準(zhǔn)溫度（25℃）1℃，單體電池浮充電壓應(yīng)下降3 mV左右；反之亦然，否則會(huì)影響電池壽命。這是因?yàn)椋?/p>

（1）持續(xù)過(guò)高的浮充電壓會(huì)造成浮充電流過(guò)大而使電池過(guò)充，降低電池的使用壽命，并導(dǎo)致電解液中水的加速分解，進(jìn)而導(dǎo)致電解液過(guò)早干涸最終損壞電池；

（2）浮充電壓過(guò)低，浮充電流太小彌補(bǔ)不了電池自放電損失的容量，容易導(dǎo)致極板的硫酸鹽化，長(zhǎng)期如此，電池將失去使用價(jià)值而報(bào)廢。

電池浮充電壓與環(huán)境溫度曲線如圖1所示。

2 存在的問(wèn)題

船上機(jī)艙輔機(jī)、駕駛設(shè)備、無(wú)線電設(shè)備、臨時(shí)應(yīng)急照明、應(yīng)急發(fā)電機(jī)起動(dòng)用鉛酸蓄電池安裝于專用艙室，溫度可控制在25℃左右，環(huán)境溫度對(duì)浮充電壓的制約不明顯。而主推進(jìn)設(shè)備蓄電池安裝于機(jī)艙區(qū)域，雖對(duì)蓄電池外加電池箱保護(hù)，但是通常情況下，機(jī)艙溫度都會(huì)超過(guò)25℃。此時(shí)值班船員需要定期測(cè)量其溫度，并對(duì)浮充電壓作相應(yīng)調(diào)整。

此種設(shè)計(jì)，值班船員需頻繁檢測(cè)蓄電池溫度并排查故障，工作繁瑣且存在人為誤差，而且容易干擾船員作業(yè)，也不利于保護(hù)設(shè)備。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)及其優(yōu)點(diǎn)

以主推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)載為例，分析對(duì)其供電的蓄電池組充放電和維護(hù)保養(yǎng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)。蓄電池與系統(tǒng)的連接見圖2。

圖2 功能框圖

3.1 修改并增加溫度補(bǔ)償功能

充放電板通過(guò)蓄電池的溫度反饋調(diào)節(jié)充電電壓，防止蓄電池組過(guò)充。蓄電池箱內(nèi)增加1個(gè)PT100溫度傳感器，以便對(duì)蓄電池工作環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。充電電壓采樣線通過(guò)蓄電池溫度、電壓檢測(cè)箱直接從蓄電池端采樣，采集的溫度數(shù)值和單體電壓采用RS485接口，通過(guò)MODBOS協(xié)議進(jìn)行通訊送至充放電板與之前設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值相比較，充放電板自動(dòng)調(diào)整對(duì)蓄電池的充電電壓值。限流和恒壓階段的浮充電電壓溫度補(bǔ)償系數(shù)為每個(gè)單體-5 mV/℃，補(bǔ)償后最低浮充電電壓為單體不低于2.25 V，浮充電電壓溫度補(bǔ)償系數(shù)為每個(gè)單體-3m V/℃，補(bǔ)償后最低浮充電電壓?jiǎn)误w不低于2.22 V，保證了蓄電池在標(biāo)準(zhǔn)充電電壓范圍內(nèi)。

3.2 增加智能放電箱

智能放電箱主要用于閥控式密封鉛酸蓄電池組日常維護(hù)和保養(yǎng)的深度放電，主要由PLC模塊、文本顯示器和放電負(fù)載組成。PLC模塊采用了性價(jià)比高、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、通用性強(qiáng)的可編程控制器，放電負(fù)載采用新一代PTC材料，它具有組裝靈活、發(fā)熱低、可靠性高、安全性好的特點(diǎn)，是一種非常好的船用智能型蓄電池保養(yǎng)設(shè)備。［2］

當(dāng)需要對(duì)蓄電池組維護(hù)放電時(shí)，放電電流經(jīng)文本設(shè)定后（設(shè)定范圍在0.1C～0.3C，C為蓄電池組容量，Ah），電路經(jīng)電流傳感器信號(hào)采樣反饋至PLC控制器，控制負(fù)載，保持蓄電池組恒流放電。裝置在放電過(guò)程中對(duì)放電電流、電壓、時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行累計(jì)計(jì)算。當(dāng)蓄電池電壓低于文本設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停止放電，發(fā)出聲光報(bào)警提示，30 s無(wú)應(yīng)答自動(dòng)消音并轉(zhuǎn)入充電。通常放電電壓設(shè)為21.5 V（20～23 V可調(diào)）左右時(shí)，自動(dòng)停止放電。

3.3 充放電板、充放電模塊的修改

此充放電板采用單一制充電方式，充放電板單元主要由斷路器、熔斷器、指示燈、按鈕、電壓表、電流表、直流接觸器等組成。其核心部分采用PWM高頻開關(guān)電源作為充供電模塊，具有質(zhì)量輕、抗干擾強(qiáng)，恒壓限流精度高、輸出紋波系數(shù)小、噪聲低及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合各類蓄電池組的長(zhǎng)期浮充；還可對(duì)蓄電池和本身實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至有值班船員的電腦上，實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。［3］

電路采用三相380 V交流電壓直接輸入，經(jīng)整流濾波成500 V左右的直流電壓，送到高電壓變換器，高電壓變換器的低壓輸出再經(jīng)整流濾波成直流輸出。此直流輸出電壓經(jīng)采樣放大至脈寬控制電路，從而改變高電壓變換器的脈沖占空比，使輸出電壓保持穩(wěn)定。其控制回路和報(bào)警單元的核心由PLC構(gòu)成，它組裝靈活、操作簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、安全性高、穩(wěn)定性好。正常情況下由供電模塊對(duì)負(fù)載供電，如果供電模塊出現(xiàn)故障，PLC監(jiān)測(cè)到該現(xiàn)象并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。充電模塊由于電壓過(guò)高不宜對(duì)負(fù)載進(jìn)行直接供電，但卻要保證供電模塊正常工作時(shí)對(duì)負(fù)載的單獨(dú)供電，因而通過(guò)二極管模塊產(chǎn)生壓降以使充電模塊電壓滿足負(fù)載要求后自動(dòng)與蓄電池并聯(lián)給負(fù)載供電。如充電模塊再次出現(xiàn)故障時(shí)，PLC將立刻發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，負(fù)載由蓄電池放電。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，始終不間斷供電。［4］

各項(xiàng)功能參數(shù)設(shè)定參見表1。

表1 功能參數(shù)設(shè)定表

當(dāng)“自動(dòng)/手動(dòng)/放電”轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“自動(dòng)”模式時(shí)，電池組均充電流≤0.15C，均充電壓為27.5±0.5 V，充電電流降至0.006C維持1 h不變或均充時(shí)間到達(dá)8 h后，蓄電池組自動(dòng)轉(zhuǎn)為26.5±0.5 V恒壓浮充。當(dāng)充電模塊故障、充電電流大于0.15C+2 A、蓄電池放電電壓低于21.5±0.5 V、充電模塊電壓高于29±0.5 V、配電回路絕緣低時(shí)，文本顯示器均發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

4 結(jié) 論

當(dāng)前，船舶修造及航運(yùn)業(yè)在整個(gè)航運(yùn)形勢(shì)低迷的大環(huán)境下舉步維艱，無(wú)論是船東還是船廠，均對(duì)船舶的修造成本更密切關(guān)注。船用充、放電板及蓄電池組在滿足規(guī)范要求的前提下，均已成為船舶必配設(shè)備。

本方法基于溫度補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制原理，配備智能放電箱及現(xiàn)代化電子元器件，充放電板裝置實(shí)現(xiàn)充放電模塊的自動(dòng)控制，并可對(duì)免維護(hù)蓄電池工作狀況實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，使自動(dòng)充放電板的功能進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。

目前此項(xiàng)設(shè)計(jì)主要用于拖船與醫(yī)院船。船舶營(yíng)運(yùn)階段，蓄電池在使用過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)異常。若將此項(xiàng)方便實(shí)用的改進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)用于大型客滾船，將大大減少值班船員的工作量，并能更好體現(xiàn)高效的綠色運(yùn)營(yíng)理念。