蓄电池在船舶上的应用和分析

李海涛

摘  要： 蓄电池作为船舶上的一种应急能源存储设备，是船舶和人员安全的重要保障，蓄电池选择或使用不当都会造成不可估量的损失。根据化学特性区分，当前船舶上常用的蓄电池主要有铅酸蓄电池和镍铬蓄电池两大类。根据用途区分，主要有起动蓄电池、储能蓄电池、牵引蓄电池等类型。文章以船舶上不同类型系统为对象，通过对它们各自性能的比较，结合实际选型错误的案例，分析总结出船用蓄电池的一般选型建议和使用注意事项。

关键词：  船用蓄电池;铅酸蓄电池;镍铬蓄电池;船用电池选型

中图分类号： U662.3   文献标识码：A

0  引言

蓄电池作为一种通过电化学反应储存能量的设备，应用非常普及，小到手机，大到航天飞船，到处都有它的身影。在船舶上也不例外，蓄电池在很多关键的船用设备上发挥着重要作用。与一般工业应用不同的是，船舶作为一个小型海上城镇，所用到的蓄电池数量较少但种类较多，可靠性的要求更高。陆地上，蓄电池一般有专业人员维护，船上因条件限制，蓄电池的选择和使用往往缺乏专业指导，轻则，影响了蓄电池性能发挥，导致蓄电池提前报废，重则，可能带来严重的运营事故。本文主要针对船舶常用蓄电池进行比较和分类，通过实例介绍其性能差异，总结归纳出船用蓄电池的一般选型建议和使用注意事项。

1  正文

1.1不同化学类型蓄电池的区别

蓄电池的种类繁多，基于可靠性和性价比的考量，目前船舶上应用最多的依然是铅酸蓄电池和镍铬蓄电池，尤其以铅酸蓄电池为多，占据了绝大多数的市场份额。本文主要以这两种电池作为主要探讨对象进行比较分析，对于锂电池等其他类型电池，虽然在船舶上已偶有出现，但由于容量和价格的限制，短期内还无法替代前述两种电池，暂不做讨论。

铅酸蓄电池由极板、铅、氧化铅和硫酸电解液组成。分为富液式和贫液式。富液式的强酸电解液，需要定期添加，对人容易造成伤害，而且要保证电池水平静置，远洋船舶不可避免的倾斜也会造成电解液的泄露，因此在船舶上已越来越少被使用。目前应用最为广泛的是阀控式铅酸免維护（Valve-Regulated Lead-Acid， VRLA）蓄电池。VRLA电解液不会泄露，充电过程中产生的气体可以通过泄气阀排出，保证电池单元内外气压平衡，其内部使用耐腐蚀的铅钙合金栅板，设计寿命在10到15年，不需要维护。随着技术工艺的改进，VRLA蓄电池派生出AGM电池和胶体电池两大类，通常如果没有特殊说明，VRLA电池特指AGM电池。和其镍铬蓄电池相比，铅酸蓄电池具有成本低廉、无记忆效应的优点，但能量重量比偏低，受温度影响较大。

镍基蓄电池是一种碱性蓄电池。主要有分镍铬（NiCd）蓄电池和镍氢（NiMH）蓄电池两大类，船舶上以镍铬蓄电池更为常见。它的正极活性物质为镍，负极活性物质为镉，是一种碱性蓄电池。它具有内阻小，放电电流大，能量密度较高，耐过充电性能好，维护简单，充放电循环次数较多的诸多优点。但其价格相对较高，存在记忆效应，经济性上不如铅酸蓄电池，而且，从环保角度考虑，镍碱蓄电池对环境的污染比铅酸蓄电池更严重。

由于铅酸蓄电池发展较早，技术更为成熟，初始采购成本更低，目前大多数商船还是使用VRLA电池。近年来，随着电池技术的发展和船东对备用能源稳定性的要求提高，免维护式镍铬蓄电池在一些复杂的海洋工程船舶上越来越多被使用，这主要得益于镍铬蓄电池出色的温度特性。随着温度升高，铅酸蓄电池的使用寿命衰减更快，当温度升高一倍到50℃，铅酸电池寿命仅为原来的1/10，而镍铬电池还大于1/2。对于常年在热带地区作业的船舶而言，即使电池的存储舱室有良好的通风条件，但维持低于30℃的电池间温度也非易事，此时，镍铬蓄电池无疑是最佳的选择。

1.2蓄电池在船舶上的应用

根据船舶直流负载电流的特点，船舶上主要有起动型和固定型两大类蓄电池。对于一些载有移动式机械的船舶，牵引型蓄电池也会被用到。带有光伏能源系统的船舶，则需要储能型蓄电池，仅它在特殊船舶上存在，尚不具备代表性。

1.2.1  不同负载类型蓄电池的区别

起动型蓄电池作为船上柴油机起动的能源之一，几乎在每条船上都会存在。起动型蓄电池驱动柴油机的起动马达，需要具有短时多次超大电流放电的能力。为了保证直流起动马达所需电压，需要尽量减小直流电阻带来的损耗，那么起动型蓄电池要尽可能内阻小。从蓄电池到起动马达的电缆也会非常短以减少线路电阻。机舱往往环境较差，温度变化范围大，所以起动型蓄电池需要耐受更宽的环境温度。衡量铅酸起动型蓄电池的重要指标是冷起动电流CCA（Cold Cranking Ampere），在规定的某一低温状态下（通常规定在零下18℃或零下29℃），额度电压12V的蓄电池在电压降至7.2V前，持续30秒输出的电流值。对于镍铬蓄电池，尽管没有CCA的测试标准，但制造厂也给出了各自一定温度下短时放电能力供用户选择。实际应用中，需要根据起动马达的转矩所需的最小电流来确定起动蓄电池规格。

固定型蓄电池泛指作为关键电力设备后备能源的蓄电池，应用在核心系统上，以保证在失去正常和应急电力的情况下，维系船舶安全的核心设备继续工作。如船上的控制系统、通信系统的UPS蓄电池组。固定型蓄电池一般容量较大、放电时间较长但持续放电的电流不高。为了保证蓄电池的性能最佳，固定型蓄电池应该布置在在温度和通风条件良好的舱室内。电池的选型则应根据实际应用区别对待。比如，对于核心控制系统的备用电源电池，条件允许的前提下尽可能选择胶体电池或镍铬电池，提高系统的稳定性，对于船舶通信系统备用电池，快速充电更为重要，优先选用AMG电池或镍铬电池。

1.2.2  系统应用案例分析

某轮应急发电机在调试阶段发现配套铅酸起动蓄电池丢失，临时借用同品牌、同电压、同容量的GMDSS蓄电池使用。试机发现起动困难，起动过程中蓄电池有“白烟”冒出，断电后检查，发现蓄电池接线柱的局部有熔化迹象，如图2。

重點从电压和电流两方面分析故障产生的原因。查阅应急发电机制造厂资料，电起动系统所用电缆规格和长度均满足厂家推荐要求，说明起动马达端电压符合要求。根据相关参数估算最小冷起动电流为1200A，而临时借用的GMDSS蓄电池为固定式蓄电池，由于电池自身设计原因，不具备短时大电流放电能力，在起动过程中，蓄电池被强行超额大电流放电，导致电解液部分气化，产生“白烟”，这是造成起动困难的主要原因。另外，在施工过程中，拧接线柱紧固螺栓时没有参考电池制造厂推荐的力矩，力矩过大导致电池接线柱的铜芯和铅基松动，接触不良，电阻增大，在大电流放电的时候，铅合金部分熔化。于是，更换了1400CCA的起动型蓄电池，前述故障排除。

可见，错误地使用固定型蓄电池代替起动型蓄电池，不但无法达到正常起动的目的，还会损毁蓄电池。反之，如果用起动型蓄电池代替固定型蓄电池，虽然在性能上不会有太大差异，但起动型蓄电池较高的价格让这种替代得不偿失。

2  结  语

由于船舶上绝大多数时间都处于浮充电状态保证电池满电，因此镍铬电池的记忆效应的缺点不那么明显，因此，从性能和设计寿命上来看，镍铬蓄电池优于铅酸蓄电池。对于一艘船舶，起动型、固定型和牵引型蓄电池的性能有着明显区别，不能随意混用，在电池选型时候需要明确具体应用场合，根据负载实际特点有针对性选择。

总体来说，蓄电池选择应重点侧重这几条原则：一，实际工作的环境温度;二，蓄电池的类型，比如，酸性电池还是碱性电池，起动型蓄电池还是固定型蓄电池;三，基于实际工作条件的容量核算;四，与蓄电池匹配的充电设备。

参考文献：

[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