殷宗學 劉玉濤 初建樹

（中遠海運重工有限公司設計研究院 大連116600）

引 言

蓄電池的選型一般是先確定蓄電池組的供電范圍和供電時間，得出所需的負載電流后，再按照船舶設計手冊上所給的公式來計算。通常供電時間會小于蓄電池標準放電時間，即放電電流大于標準放電率的電流，蓄電池容量會降低，這可用蓄電池容量系數(shù)K來表征［1］。不過，蓄電池容量系數(shù)K在資料樣本中通常不直接給出（或者廠商對這個系數(shù)也并不清楚），那么沿用設計手冊中的計算方法和容量系數(shù)K是否合理，其正確性也無法考證。此外，應發(fā)啟動及UPS等蓄電池一般都是制造廠商自帶，船廠往往不知該如何校核蓄電池儲備容量是否足夠。而這些也是經常困擾船舶電氣設計人員的問題。那究竟該如何精準計算蓄電池容量呢？下面就船上蓄電池選型中的計算方法等問題進行分析。

1 蓄電池類型及性能

船用蓄電池組主要有透氣型和閥控密封型酸性（鉛）蓄電池兩大類。酸性蓄電池是利用鉛、二氧化鉛和硫酸的化學反應來存儲和釋放電能的裝置［2］，船上常用于臨時應急電源和備用電源。根據船級社規(guī)定，一般蓄電池備用時間為30 min。透氣型鉛酸蓄電池是一種使用已久且價格便宜［1］的船用蓄電池，但需要經常配置、調整、測量和補充電解液（比重1.285的稀硫酸），還要求操作方法正確，以防止操作時漏液，因此清潔維護較麻煩。此外，其性能較差、使用壽命短、充電時會排出大量氫氣，還需要艙室機械通風并達到防爆要求。

目前，船上廣泛采用閥控密封型蓄電池，其優(yōu)點是不需要添加電解液，對接線樁頭、電線腐蝕少，抗過充電能力強，啟動電流大，電量存儲時間長［2］，基本上屬于免維護。所謂閥控，是指在內部的壓力大于一定數(shù)值時需開啟控制閥，以防止蓄電池爆炸或膨脹。因為正常放電時不會產生氫氣，只有環(huán)境溫度過高或充電電壓過高時才會排出氫氣。由此可見這種蓄電池幾乎不會釋放氫氣，因而不必強制達到防爆的要求。不間斷電源（UPS）基本都是使用閥控密封型蓄電池組，它既可與充電裝置及其配電回路集成在一個單元內，也可與其他普通電氣設備布置在同一艙室。

蓄電池的標稱容量，是指充滿電的蓄電池用一定的電流放電至規(guī)定放電終止電壓的放電量，通常采用安時（Ah）容量表示，如：

安時（Ah）容量= 放電電流（A）×放電率（h）

蓄電池的實際放電容量與溫度有關，一般標稱容量指環(huán)境溫度為20℃～25℃時的放電量。3～5年后，蓄電池放電時間會隨著內部老化而逐漸縮短，這屬于正?，F(xiàn)象，通?？稍诖熬S修期予以更換。

蓄電池放電率，是以放電時間表示的放電速率，即以相對于蓄電池容量的放電電流，持續(xù)放電至規(guī)定終止電壓所維持的時間。通常標準的放電率有10 h制或20 h制，特種船舶上使用的鋰電池組，其放電率是1 h制。那么，100 Ah·20 h蓄電池的意思就是額定容量100 Ah蓄電池以5 A的放電電流可以連續(xù)放電20 h；100 Ah·10 h蓄電池的意思就是額定容量100 Ah蓄電池以10 A的放電電流可以連續(xù)放電10 h。雖然上述兩種蓄電池容量都一樣，但它們在同一時間內的放電量是不一樣的。從圖1中的放電曲線可知，100 Ah·20 h的蓄電池在5 A時可以放電20 h，在10 A時只有9 h左右，20 A時只有4 h左右，在2 A時卻可以放60 h以上，說明蓄電池的放電電流與放電時間非線性關系。

放電終止電壓是指蓄電池放電時電壓下降至某一預定工作電壓值。例如，一組標稱電壓為12 V的蓄電池，一般由6塊2 V單體（cell）組成，每塊單體的終止電壓可定為1.6～1.8 V，如果再繼續(xù)放電就會造成蓄電池過度放電。在實際工程中，通常對蓄電池設置欠壓保護回路，防止最低電壓值達到9.6 V后再繼續(xù)放電，導致蓄電池因過放電而嚴重損壞，從而縮短使用壽命。另外，根據船級社規(guī)范要求以蓄電池組作為臨時應急電源，其容量應保證承載規(guī)定的供電負載而不必再充電，并要求蓄電池組在整個放電期間的電壓變化始終保持在其額定電壓的±12%范圍內［1］，這也就決定了船上蓄電池組的每塊單體放電終止電壓不能低于1.76 V的極限。

2 蓄電池容量計算方法

蓄電池容量計算方法及步驟如下：

（1）根據SOLAS及船級社規(guī)范的有關要求，確定蓄電池組的供電范圍和供電時間（0.5 h）；

（2）根據蓄電池組的供電范圍，列出負載名稱及其消耗功率等；

（3）根據公式計算出所需容量；

（4）根據計算結果選擇合適容量的蓄電池組。

通常蓄電池容量的計算公式為：

式中：Q為所需蓄電池容量，Ah；P為負載總功率，W；U為負載電壓，V；I為負載總電流，A；t為供電時間，h；K為蓄電池容量系數(shù)。

另外，需注意主流船級社要求蓄電池組在充電至80%的額定容量時仍能按供電所規(guī)定的時間持續(xù)向其負載供電［3］，即蓄電池組容量應至少留有20%的功率裕量，也即負載率不能高于80%，所以上述的容量計算公式應更改為：

式中：L是安全系數(shù)，其值為80%；Q、P、U、I、t、K的含義均同式（1）。

蓄電池容量系數(shù)K實質是因放電電流大于標準放電電流時，蓄電池容量會下降很快，維持不了供電所需時間，相當于降容使用，所以用容量系數(shù)K應折算至實際所需蓄電池容量。不同類型蓄電池的容量系數(shù)不同，透氣型蓄電池容量系數(shù)如表1所示，而對于閥控密封型蓄電池容量系數(shù)，廠家提供的更多是如表2所示的不同放電時間下持續(xù)放電電流表。實際選型時可直接根據負載工作電流，并考慮20%裕量后的最終電流值去查找并比較對應所需放電時間下的蓄電池放電電流的大小，如果最終所需電流小于且接近所選的蓄電池放電電流值，那么證明所選蓄電池容量是比較合適的。

表1 透氣型鉛酸蓄電池容量系數(shù)

表2 閥控密封型蓄電池持續(xù)放電電流（A）

如果采用式（2）來計算蓄電池容量，其蓄電池容量系數(shù)K可通過式（3）求得近似值：

式中：K為蓄電池容量系數(shù)；t為需求放電時間，h；Id為對應放電電流，A；c為標稱容量，Ah。

換算得到的容量系數(shù)見表3。由表3可知，對于常規(guī)0.5 h的放電時間，若選用閥控密封型蓄電池，其容量系數(shù)一般可取為50%。

表3 閥控密封型蓄電池容量系數(shù)

表4 蓄電池容量計算書

蓄電池容量計算書通常是以表格形式表述，參見表4。從表1、表2所列容量系數(shù)及表4所選的蓄電池容量可見，閥控密封型蓄電池的放電效率要高于普通透氣型蓄電池，這說明采用閥控密封型蓄電池可大大降低蓄電池組裝備容量。另外，由表2可知，60 Ah閥控密封型蓄電池在0.5 h放電時間下的放電電流為62 A， 明顯大于表4實例中工作電流57.3 A， 因此選用60 Ah的容量能滿足規(guī)范要求，且較為經濟適用。這也證明式（3）對蓄電池容量系數(shù)K估算的正確性。

3 其他蓄電池容量計算

除了作為臨時應急電源的通用蓄電池組外，船上還有無線電系統(tǒng)、應急發(fā)電機啟動蓄電池組及設備專用的不間斷電源系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的蓄電池供電負載及工作方式都與通用的不一樣，下面就各種蓄電池容量計算進行分析研究。

3.1 無線電蓄電池容量計算

無線電系統(tǒng)蓄電池組主要是給法規(guī)所要求的無線電設備在應急情況下供電。通常計算要求如下：

（1）總消耗電流=發(fā)射所消耗電流×1/2+接收消耗電流+其他設備消耗電流。其他設備消耗電流為由蓄電池供電的GPS、應急照明燈、NAVTEX和終端設備等。

（2）蓄電池供電時間考慮為 1 h。

無線電系統(tǒng)蓄電池組容量的計算公式為：

式中：ITx為發(fā)射消耗總電流，A；IRx為接收消耗總電流，A；IS為其他設備消耗總電流［4］，A；Q、t、K的含義均同式（1）；L的含義同式（2）。

同理，其計算表格也可參考表4，列出各外通設備及其接收消耗電流和發(fā)射消耗電流，其他設備消耗電流，再根據式（4）直接計算出所需的蓄電池容量。

3.2 應發(fā)啟動蓄電池容量計算

應發(fā)啟動蓄電池主要用于應發(fā)直流啟動電機的供電，平時還用于供電給應發(fā)柴油機的監(jiān)控系統(tǒng)。根據船舶規(guī)范的有關規(guī)定，應急發(fā)電機組應具備在環(huán)境溫度為0℃時直接啟動，并可以連續(xù)啟動3次的能力，這就要求啟動蓄電池組能瞬間放電達到成功啟動應發(fā)所需的電量，具有低溫瞬時、大電流放電的特點。因此啟動蓄電池的容量計算還需考慮溫度修正系數(shù)T，計算公式如下：

式中：ISt為啟動電機啟動電流，A；T為溫度修正系數(shù)；Q、t、K的含義均同式（1）；L的含義同式（2）。

溫度修正系數(shù)可由廠商直接提供或通過蓄電池放電量（%）與溫度的曲線圖查取。一般來說在0℃時，蓄電池容量降低到標稱容量的80%左右，如果廠商不能提供，溫度修正系數(shù)可直接取為1.25。由于每次啟動時間僅持續(xù)5～10 s，這么短時間的放電電流無法直接通過放電曲線或放電電流表獲得，此時，蓄電池容量系數(shù)則應由廠商特別提供。

另外，由于放電時間很短，幾乎達到蓄電池最大放電電流的極限（約為5倍于標稱容量的電流值），可比較此最大放電電流是否大于啟動電機的啟動電流（約為直流電機額定電流的3～5倍），用于簡便快速地校核所選的蓄電池容量是否滿足要求。需注意的是，在實際項目中發(fā)生過雖然按照所分析的原則選取了蓄電池容量，但由于啟動蓄電池布置遠離發(fā)電機或其電纜截面選擇過小而致使線路阻抗加大，從而使回路壓降增大并導致發(fā)電機啟動失敗的情況。不過，這并不能說明蓄電池容量選型有問題，而是因放電電流比較大，回路上的阻抗稍微變大就會造成非常大的壓降，所以應結合實際情況具體分析、調整安裝位置或相應加大蓄電池電纜的截面。

3.3 UPS蓄電池容量計算

交流UPS自帶蓄電池的容量應按照UPS標稱輸出功率來計算，計算公式為：

式中：S為UPS標稱輸出功率，VA；Uf為蓄電池組放電終止電壓，V；η為逆變器的效率；cosφ為負載功率因數(shù)；Q，t，K的含義均同式（1）。

式（6）中與前述容量計算公式的不同點在于蓄電池組放電終止電壓，其選擇的依據主要考慮UPS的逆變器最低電壓的要求［5］。若低于最低電壓限值，逆變器便自動關斷，UPS也徹底停機，所以蓄電池的輸入直流電壓一定要確保高于此最低電壓。例如在輸出電壓為AC 220 V的UPS電源中，其峰值電壓為311 V， 再考慮導通壓降，逆變器的最低電壓不能低于315 V，這也就決定了單體蓄電池的放電終止電壓值。知道了需求總容量和總放電終止電壓，則很容易確定對應某規(guī)格下蓄電池組的單體數(shù)量和連接方式。另外，還需注意的是，如果所供電設備中有電機類負載且功率較大，為避免電機啟動時因沖擊電流較大導致UPS過載，建議用此電機負載10倍的額定功率代入UPS額定容量中計算。

4 結 語

本文主要分析了普通船上蓄電池幾種常用場合下容量的計算方法，便于指導或校核蓄電池容量的選型。隨著船舶節(jié)能新技術的發(fā)展，利用蓄電池來存儲日常作業(yè)期間被浪費的能源，以及蓄電池對電網進行削峰填谷的功效非常顯著。因此，今后建造裝備高質量的直流母排電網或混合動力系統(tǒng)的船舶將會越來越普及，同時，對高容量、高性能的鋰電池和太陽能電池的應用也將日益增多。誠望與業(yè)內同仁一起深入研究新型蓄電池特性和用途，精準選配容量足夠、組聯(lián)合理的蓄電池系統(tǒng)，促進電站的配置更加安全可靠、經濟環(huán)保，從而進一步提高船舶的先進性。