船用免维护蓄电池及其充放电板设计的改进

常红艳 张加胜 汤天航 梁国强

（黄海造船有限公司 山东264309）

引 言

大型客货滚装船低压网络负载供电电源为DC 24 V，如机舱辅机、驾驶设备、无线电设备、临时应急照明、应急发电机起动和主推进系统等。目前船用DC 24 V电源主要来自蓄电池，凡有蓄电池的场合，就需配有充放电装置或充电机，它们是蓄电池不可缺少的附带设备。以往船上使用的是普通的铅酸蓄电池，因其维护保养上存在诸多缺陷，现在船东使用了性能更为良好的阀控免维护铅酸蓄电池，因此对此类蓄电池需进行更合理的充放电设计和维护保养。

1 应用原理

电池正常充电采用恒压限流方式，充电完毕后投入运行，整个运行过程要对铅酸蓄电池提供浮充电。不同类型的铅酸蓄电池具有不同的浮充电压，其大小与电池本身的结构、电解液的密度、环境温度和自放电率有关。［1］

作为备用电源使用的电池，在补充充电结束后，即可投入运行。电池在25℃基准温度下的浮充电压为2.23～2.25 V，随环境温度的变化而适当调整。超过基准温度（25℃）1℃，单体电池浮充电压应下降3 mV左右；反之亦然，否则会影响电池寿命。这是因为：

（1）持续过高的浮充电压会造成浮充电流过大而使电池过充，降低电池的使用寿命，并导致电解液中水的加速分解，进而导致电解液过早干涸最终损坏电池；

（2）浮充电压过低，浮充电流太小弥补不了电池自放电损失的容量，容易导致极板的硫酸盐化，长期如此，电池将失去使用价值而报废。

电池浮充电压与环境温度曲线如图1所示。

2 存在的问题

船上机舱辅机、驾驶设备、无线电设备、临时应急照明、应急发电机起动用铅酸蓄电池安装于专用舱室，温度可控制在25℃左右，环境温度对浮充电压的制约不明显。而主推进设备蓄电池安装于机舱区域，虽对蓄电池外加电池箱保护，但是通常情况下，机舱温度都会超过25℃。此时值班船员需要定期测量其温度，并对浮充电压作相应调整。

此种设计，值班船员需频繁检测蓄电池温度并排查故障，工作繁琐且存在人为误差，而且容易干扰船员作业，也不利于保护设备。

3 改进设计及其优点

以主推进系统负载为例，分析对其供电的蓄电池组充放电和维护保养的设计改进。蓄电池与系统的连接见图2。

图2 功能框图

3.1 修改并增加温度补偿功能

充放电板通过蓄电池的温度反馈调节充电电压，防止蓄电池组过充。蓄电池箱内增加1个PT100温度传感器，以便对蓄电池工作环境温度进行实时监测。充电电压采样线通过蓄电池温度、电压检测箱直接从蓄电池端采样，采集的温度数值和单体电压采用RS485接口，通过MODBOS协议进行通讯送至充放电板与之前设定的标准值相比较，充放电板自动调整对蓄电池的充电电压值。限流和恒压阶段的浮充电电压温度补偿系数为每个单体-5 mV/℃，补偿后最低浮充电电压为单体不低于2.25 V，浮充电电压温度补偿系数为每个单体-3m V/℃，补偿后最低浮充电电压单体不低于2.22 V，保证了蓄电池在标准充电电压范围内。

3.2 增加智能放电箱

智能放电箱主要用于阀控式密封铅酸蓄电池组日常维护和保养的深度放电，主要由PLC模块、文本显示器和放电负载组成。PLC模块采用了性价比高、安装简单、维护方便、通用性强的可编程控制器，放电负载采用新一代PTC材料，它具有组装灵活、发热低、可靠性高、安全性好的特点，是一种非常好的船用智能型蓄电池保养设备。［2］

当需要对蓄电池组维护放电时，放电电流经文本设定后（设定范围在0.1C～0.3C，C为蓄电池组容量，Ah），电路经电流传感器信号采样反馈至PLC控制器，控制负载，保持蓄电池组恒流放电。装置在放电过程中对放电电流、电压、时间等参数进行累计计算。当蓄电池电压低于文本设定值时，自动停止放电，发出声光报警提示，30 s无应答自动消音并转入充电。通常放电电压设为21.5 V（20～23 V可调）左右时，自动停止放电。

3.3 充放电板、充放电模块的修改

此充放电板采用单一制充电方式，充放电板单元主要由断路器、熔断器、指示灯、按钮、电压表、电流表、直流接触器等组成。其核心部分采用PWM高频开关电源作为充供电模块，具有质量轻、抗干扰强，恒压限流精度高、输出纹波系数小、噪声低及使用寿命长等优点，适合各类蓄电池组的长期浮充；还可对蓄电池和本身实时在线监测，再通过网络将信息传送至有值班船员的电脑上，实行远程监控。［3］

电路采用三相380 V交流电压直接输入，经整流滤波成500 V左右的直流电压，送到高电压变换器，高电压变换器的低压输出再经整流滤波成直流输出。此直流输出电压经采样放大至脉宽控制电路，从而改变高电压变换器的脉冲占空比，使输出电压保持稳定。其控制回路和报警单元的核心由PLC构成，它组装灵活、操作简单、可靠性强、安全性高、稳定性好。正常情况下由供电模块对负载供电，如果供电模块出现故障，PLC监测到该现象并发出声光报警信号。充电模块由于电压过高不宜对负载进行直接供电，但却要保证供电模块正常工作时对负载的单独供电，因而通过二极管模块产生压降以使充电模块电压满足负载要求后自动与蓄电池并联给负载供电。如充电模块再次出现故障时，PLC将立刻发出声光报警信号，负载由蓄电池放电。在转换过程中，始终不间断供电。［4］

各项功能参数设定参见表1。

表1 功能参数设定表

当“自动/手动/放电”转换开关置于“自动”模式时，电池组均充电流≤0.15C，均充电压为27.5±0.5 V，充电电流降至0.006C维持1 h不变或均充时间到达8 h后，蓄电池组自动转为26.5±0.5 V恒压浮充。当充电模块故障、充电电流大于0.15C+2 A、蓄电池放电电压低于21.5±0.5 V、充电模块电压高于29±0.5 V、配电回路绝缘低时，文本显示器均发出声光报警信号。

4 结 论

当前，船舶修造及航运业在整个航运形势低迷的大环境下举步维艰，无论是船东还是船厂，均对船舶的修造成本更密切关注。船用充、放电板及蓄电池组在满足规范要求的前提下，均已成为船舶必配设备。

本方法基于温度补偿的闭环控制原理，配备智能放电箱及现代化电子元器件，充放电板装置实现充放电模块的自动控制，并可对免维护蓄电池工作状况实现在线监控，使自动充放电板的功能进一步的优化和完善。

目前此项设计主要用于拖船与医院船。船舶营运阶段，蓄电池在使用过程中未发现异常。若将此项方便实用的改进设计应用于大型客滚船，将大大减少值班船员的工作量，并能更好体现高效的绿色运营理念。