浅谈船用充放电板和蓄电池的应用

王爱华

【摘 要】电源对船舶的重要性不言而喻，蓄电池作为船舶应急电源的一种，对保证船舶应急控制和船上人员的安全起着重要的作用。充放电板是专为低压网络负载提供电源和提供蓄电池能源的一种过渡设备，充放电板让蓄电池的电能时刻保持充盈，设备得以持续供电。

【关键词】充放电板;蓄电池;电源

船用充放电板是船用配电装置的一种，用于控制和监测充电发电机或充电整流器，也时刻监测着蓄电池的电能状况，出现异常和故障时发出警报，提醒人员及时检查和维修，让用电设备维持正常工作。

蓄电池作为可移动的独立电源，可为船舶提供多种用途。在船舶中，电池除了具有高效、清洁、安静、紧凑等特点之外，还可以降低声波、红外、磁场等航迹，并可在船舶各配电区域分散安装，以充分利用船舶内的空间。

在实际应用中，因充放电控制不合理而造成电池寿命终止的不在少数，为了延长蓄电池的使用寿命，对电池的充放电控制技术有了更高的要求。

1 概述

蓄电池组用于启动主辅机时，总容量应满足规范要求的启动次数;用于应急照明和临时应急电源时确定的容量，对负载的持续放电时间应满足规范要求，交流电停止供电时，自动接蓄电池充放电板并对规定的各项设备供电。

除浮充电外，蓄电池充放电板应能在10 h内将蓄电池充电到额定容量的80%。蓄电池充放电板的电源应设电源开关、保护装置和电源指示灯，用于进行短路过载保护及显示。应设有因充电装置的输入电压过低而导致蓄电池向充电装置倒流的回路，一般采用二极管模块，也可采用欠流继电器或其他保护方式。应设有测量每一充电回路的充电电流的电流表，如果需要测量放电电流时，则该电流的刻度应为双向的。应设有测量每一蓄电池组的充放电电压的电压表。供电给应急照明或临时应急照明及警铃等的蓄电池组，其充放电回路的设计应确保应急情况发生时即使在充电位置也能放电。应急照明或临时应急照明需要在主电网供电失效时自动接通，通常采用由电网电压控制接触器实现，接触器一般均装在充电板内。蓄电池充放电板应设有绝缘监测装置。蓄电池充放电板应从浮充方式转化为循环充电方式的功能。蓄电池充放电板应具有防止蓄电池过充、过放的保护环节和故障报警，并保证在任何情况下都可使蓄电池组转入应急放电，蓄电池自动充放电板应能转换为手动操作。

2 船用充放电板的作用

船用充放电板对船舶上安装的蓄电池组进行充电和和放电;控制和监视充电电源的工作情况;将蓄电池组的电能分配给船上的低压用电设备;当主电网、应急电网都失电的情况下，能自动接通蓄电池的放电回路直接向小应急设备供电。具有整流模块故障、充电模块故障、高低压报警、绝缘检测、蓄电池放电报警等功能。

3 船用充放电板的主要组成

主要包含主用和备用两路输入电源、功能回路、回路保护、状态显示及报警、直流负载。

接通交流输入电源，交流电经整流模块变换为DC24 V后，充电模块对外接蓄电池组进行充电，供电模块对船上DC24 V负载供电;也可以根据实际负荷情况，只设充电模块，这时充电模块也兼作供电模块提供DC24 V电源。

当交流失电或模块故障原因而停止工作时，自动转由蓄电池给负载供电，保证应急设备正常工作。由交流电转换为蓄电池放电的过程中，应能实现对负载的不间断供电。

对于重要设备和基于航行安全，可以设置UPS不间断电源，作为临时过渡电源。

3.1 充（供）电模块

充放电板的核心部分基本采用开关电源作为充供电模块，交换式（开关）电源是交—直流转换比较常用的一种方式，主体构成如图1所示。

交流电经过滤波和整流，变换成直流电压，再经过直流变换器变成所需的直流电压，通过控制电路稳定输出电压。交换式（开关）电源相比于简单的硅整流电源，具有重量轻、体积小、功率因数高、噪音低、效率高等特点。

3.2 功能回路

主要包含主备两路输入电源转换回路、充放电回路、控制回路、监测回路等。

各回路的元器件应选用优质的产品，以确保当内部系统出现短路或过载等现象时，能起到较好的保护作用。

3.3 报警及监测单元

该单元一般由绝缘监测仪、电池状态及检测报警电路、PLC模块等组成。

（1）绝缘监测仪。绝缘监测仪对电网的绝缘状态进行在线监测，一旦绝缘电阻小于限定值，則发出声光报警，其应用对于及时发现故障隐患，快速准确地判断故障线路，提高电网的运行安全和供电可靠性具有重大意义。合理地选用绝缘监测仪对设备的保护非常重要。

（2）电池状态及检测报警电路。该部分电路的主要功能是接收来自充（供）电模块的信号，以指示充（供）电模块的工作状态;监测船上蓄电池组电压，具有供电高、低压监测报警功能。当蓄电池和汇流排电压高于或低于设定值时，电压监测报警器会发出报警，并可手动消音;消音后，报警灯光由闪光变为平光;需人工排除故障后，报警信号自动消除。

该部分电路也是从另一种途径延长蓄电池的使用寿命而配备的报警保护措施。

（3）PLC模块。PLC模块的功能主要为供电、充电与停止充电操作、报警消音操作、设备停止运行操作、蓄电池电压采样、蓄电池“自动/手动”充电功能转换、充电电流检测等程序处理工作。

4 船用充放电板的基本原理

以下列举出常规的充放电简易原理图及说明。

4.1 单一制充电电路原理

将电源开关1QF置于“ON”处时，三相380 V交流电压输入。

将1SA选择开关处于“自动”状态，手动功能失效，1KA1继电器工作，充电模块1CHU1工作，电路即自动进入充电状态。同时，按供电启动1SB1按钮，1KA2继电器工作，供电模块1CHU2工作。这时充电状态处于均充状态，“均充指示”指示灯1HL1发亮;供电模块整流成约26.5 V电压对负载供电，充电模块整流成约28 V电压对蓄电池组充电。此时，直流接触器1 KM得电断开，充电模块1CHU1不能对负载供电，因为充电模块输出28 V经1D1、1D2整流模块降压输出约25.9 V，比供电模块1CHU2输出的电压26.5 V低，所以充电模块和蓄电池不会对负载供电。当均充电压达到28 V，电流传感器1IR1检测到充电电流为0.006C（即1.8 A）后自动驱动1PLC内时间继电器再延时1 h后自动转为27 V恒压浮充电，另一条件是当均充时间（1PLC内设置） 达到8 h也自动转为27 V恒压浮充电，此时“浮充指示”指示灯1HL2发亮，“均充指示”指示灯1HL1熄灭。蓄电池处于浮充状态。

当1SA处于“手动”状态时，自动功能失效，充电启动/停止必须由手动操作执行。外接交流电有电时，经整流模块变换为DC24 V后供电模块向负载供电，交流失电时，由蓄电池组向负载供电;而交流有电供电模块发生故障时，转为由充电模块和蓄电池同时向负载供电，实现了不间断供电。当蓄电池放电电压过低/充电电压过高、模块充电电流过高/故障、直流低压网络绝缘低时，1PLC监测到此信号对应的报警指示，同时综合报警1HAU鸣音器工作，发出声光报警信号，能在文本显示器1TXT上显示报警内容。按消音按钮1SB5后报警声消失，相应的报警指示灯闪光变平光，故障排除后，平光消失。单一制充电电路原理如图2所示。

4.2 一充一放原理

将电源开关2QF置于“ON”处时，三相380 V交流电压直接输入至模块2CHU。当2SA处于“手动”状态时，自动充电功能失效。启动2SB1“2GB1充电”按钮时，即“2GB1充电/指示”指示灯HL1发亮，2KA1线圈得电工作，2CHU即时工作，延时2 s（2PLC内设置）2KM1线圈得电，即2GB1蓄电池组进入充电。当启动2SB2“2GB2充电”按钮时，即“2GB2充电/指示”指示灯HL2发亮，2KA2线圈得电工作，2CHU即时工作，2KM2线圈延时2 s（2PLC内设置）得电，即2GB2蓄电池组进入充电，按2SB3按钮停止充电，线路处于放电状态。上述电路设置2 s延时目的是实现不间断放电作用（先并联放电，后充电）。

当选择开关2SA处于“自动”模式时，手动充电功能失效。当蓄电池低于23 V自动申请充电，两组蓄电池轮流充电靠2PLC内时间继电器转换实现。充电过程与单一制充电过程相同。当2GB1蓄电池出现低压（23 V），模块将自动对该蓄电池组进行充电;同理，当2GB2蓄电池出现低压时，模块将自动对该蓄电池组进行充电。如果两组蓄電池同时出现低压时，强制对2GB1优先进行充电，2GB1延时充电2 h后自动转为2GB2充电，如果不出现另一组蓄电池低压，则一直进行浮充电。以上时间均由2PLC设置。

当蓄电池放电电压过低/充电电压过高、模块充电电流过高/故障、直流低压网络绝缘低时，2PLC监测到此信号对应的报警指示，同时综合报警HAU鸣音器工作，发出声光报警信号，能在文本显示器2TXT上显示报警内容，同时综合报警信号外送。按消音按钮2SB4后报警声消失，相应的报警指示灯闪光变平光，故障排除后，平光消失。充放电单元设有隔离二极管，目的是两组蓄电池不会产生逆流。一充一放原理如图3所示。

5 蓄电池的应用

5.1 蓄电池的作用

在以发电机组为主电源的船舶电力系统中，蓄电池组是以备用及应急电源的身份存在的，它起着主电失效应急电蓄能补给的作用;而在以蓄电池组为主电源的船舶电力系统中，它起着主导作用。蓄电池在船舶领域的主要用途为启动、照明、通导、电力推动和应急等，在机车、通信、轨道交通、电力等诸多领域则作为启动、牵引、备用等功能的电源。

5.2 蓄电池的主要技术特性

蓄电池的主要性能指标包括开路电压、工作电压、容量、比能量、比功率、循环寿命等。

开路电压是外电路没有电流通过时，正、负两电极之间的电位差。工作电压又称负荷电压，是外电路有电流通过时，正、负两电极之间的电位差。当有电流通过时，因电池内部存在极化而产生电压降，故工作电压总是低于开路电压。电池容量有理论容量、实际容量、额定容量之分。理论容量是假设活性物质的化学能全部转换为电能;再根据活性物质的质量按照法拉第定律计算求得的容量。实际容量是在一定放电条件下，电池实际放出的电量。额定容量是按国家或有关标准规定，在一定放电条件下，电流产品必须保证放出的最低限度的电量。比能量是在一定放电条件下，电池单位质量或单位体积所输出的电能，也称能量密度。比功率是在一定放电条件下，在单位时间内，电池单位质量或单位体积所输出的电能，也称功率密度。循环使用：蓄电池使用时充电和放电为一个循环，蓄电池容量或某种关键性参数随着循环数增加而降低。循环寿命是蓄电池容量或某种关键性参数下降到规定值之时所耐受的总循环次数。

5.3 蓄电池的充放电方法

以下以铅酸蓄电池进行举例说明。

5.3.1 浮充电

浮充电是蓄电池和负载并连接于充电装置的使用方式，浮充电压基本保持恒定。

浮充方式的特点：以较小电流的充电方式，使蓄电池只经过补充充电的电流，以补偿内外因引起的蓄电池损耗。充电电路中一般设有限流器，有大电流负载时，蓄电池负担部分负载，而其间出现外部电源中断时，蓄电池则负担全部负载;当大电流负载消失而负载较小时，充电装置对蓄电池的放电部分进行补充充电。

理想的充电状态是放电到合适程度时，断开负载或只保留小部分负载在线路上，使蓄电池尽快充满到接近饱和的状态，蓄电池的寿命相对较长。

浮充方式的优势：外部电源接通时，充电装置向负载供电，而失电时蓄电池向负载供电，没有瞬时断电的状况，电压波动小;蓄电池既分担停电时的负载又分担大电流，充电装置既分担蓄电池充电电流又分担负载电流，它们可以联合工作，因此可以减少它们的容量;正常情况下，充电装置提供恒定的充电电压，使蓄电池保持在充满而不过充电的状态。实际使用中，浮充电压要根据蓄电池的特点和参数、环境温度调整确定。

5.3.2 均充模式

处于浮充运行的蓄电池组出现电池间电压偏差超过规定标准、单只电池容量明显低于平均水平时，应进行均衡充电，一般采用恒压限流方式进行充电。

均充模式的特点：相对浮充方式，均充模式充电较快、持续时间短、充电效率较高，可以较快地补充蓄电池放电后的电能;可以消除蓄电池组中个体电池的偏差。

蓄电池遇到下列情况时需要进行均衡充电：蓄电池安装结束后，投入使用前需要进行一次均衡充电。蓄电池组进行过放电，放出容量超过5%的额定容量。蓄电池组全浮充运行6个月以上。均衡充电时，充电电压的设备也要根据电池的特点和环境温度来确定。

当蓄电池深度放电后充电时间需16～20 h，非深放电时充电时间可缩短，或在充电末期连续3 h时涓流充电且基本不变化时，应转为浮充模式。

5.3.3 快充和大电流充电

蓄电池普遍采用小电流的恒定电压或恒定电流等传统的充电方法，这些充电方法充电时间较长，制约了蓄电池在实际中的应用。

铅酸蓄电池充电过程中出气率和温升明显的主要影响因素是极化现象。蓄电池充电时产生的极化现象有3种：电阻极化、浓差极化和电化学极化。

这3种极化现象都是在停止充电后应即消失，通过给蓄电池放电，就可降低蓄电池的温度上升速度。在采用大电流充电的过程中，设法做到选择适当时间给蓄电池放电，即可消除极化现象，达到给蓄电池快速充电的目的。

在实际充放电系统设计中，我们可以设有快充或慢充及其转换开关的组合充电方式（如图4所示）。

5.3.4 恒压充电

恒压模式是指在充电过程中，充电电压始终保持不变。

蓄电池放电到一定程度时，在充电初期以高恒压方式快速充电，当蓄电池电压达到一定值时，结束高恒压充电模式，进而转为均充模式。

恒压模式的特点：充电的开始阶段，充电电流大而蓄电池电压低，对蓄电池会有损害;随着充电进程的推进，蓄电池电压上升到一定值，充电电流又变小，充电装置得不到充分利用。

为补救恒压充电的缺点，结合恒流充电方式限定充电电流，这就是蓄电池厂家提荐的恒压限流法。

5.3.5 机带充电机充电

船舶上的主机和发电机一般随机配置有充电电机，当主机和发电机运行时机带充电电机工作，给机组启动蓄电池进行充电;但是，如果主机和发电机长期不运行时，就会存在启动蓄电池因自放电或其他原因而造成电量耗尽。

为此，在实际应用中，会将启动蓄电池接入充放电板中，并将主机和发电机的运行信号接入充放电板;这样当主机和发电机组运行时，由机组给启动蓄电池充电，而主机和发电机组停机时则由充放电板给启动蓄电池充电;也可以在机组的启动线路中加入转换开关进行手动充电转换。

5.3.6 负载供电

蓄电池向负载供电是一个放电过程。船舶主辅机的启动电源一般采用蓄电池，因启动电流较大，这时的蓄电池应保持在充满的状况;在船舶照明系统中，蓄电池起着应急照明的作用，应保持足够的放电时间;而在通导、报警、信号等系统，蓄电池则是主电源或备用电源的存在，应保证供电正常。

蓄电池最好不要在过低温度（-20 ℃之下）下工作;并尽量避免深度放电，这会影响它的使用寿命。

6 结语

船用充放电板、蓄电池虽然只是船舶电力系统中的小部分设备，但其性能的优劣却直接影响它们在系统中的应用和航行安全。本文结合在实船中的案例和设备的参考资料，介绍船舶产品中充放电板和蓄电池的功能、作用及注意事项等，这些内容只是一些微小“景观”，还不足以囊括其他充放电控制技术和其他类型蓄电池的应用。

随着船舶节能和新能源技术的开发，可再生能源作为船舶动力源被视为前景良好的能源技术之一;各种类型的船舶产品对设备的要求也越来越高，因此也让我们接触到不同类型的技术知识面，这些都间接地让我们开阔了眼界，也让我们有了新的学习方向。只有不断地学习新知识、新工艺、新技术，才能逐步提升我们的工作水平和能力。

参 考 文 献

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