浅谈轻便化一体式航标能源组的研究

2016-08-05周健华北海航标处

珠江水运 2016年11期

◎ 周健华北海航标处

浅谈轻便化一体式航标能源组的研究

◎ 周健华北海航标处

摘要：太阳能电池组件+铅酸蓄电池组成的航标能源系统，存在体积大、质量重、转换率低、故障率高，使用寿命短、管理维护成本高等缺点。为此，航标管理人员希望研发一款质量轻、体积小、结构集成度高、安装方便的航标能源组，从而提升航标正常率、可靠性和稳定性，降低海上作业强度，增强安全系数。

关键词：航标电池安全

1.背景

随着光伏绿色产业发展，航标能源系统现已基本使用太阳能板给蓄电池充电，目前航标上使用的能源系统主要分为传统的太阳能电池搭配铅酸蓄电池和集成在灯器中的（一体化）太阳能板搭配铁锂电池，它们均存在一定的局限性。

1.1铅酸蓄电池的局限性

①太阳能电池板和航标灯的线必须都要引到航标底部的铅酸蓄电池上，造成导线过长。

②比容小，也就是说，在同样的容量下，电池重量和体积都大，且使用寿命较短；

③可用容量只有标称容量的70%，当蓄电池容量剩余30%时仍继续使用，就属于过放，严重时会大大缩短蓄电池寿命；

④电池中存在大量的铅及大量的酸，废弃后若处理不当，会对环境造成污染；

⑤由于蓄电池太重，工作人员在航标上的操作难度大，需要在航标上的操作时间长。增加工作人员的海上作业危险性。

1.2一体化灯器能源系统的局限性

一体化灯器将航标灯器、太阳能电池板、蓄电池（一般为铁锂电池）集成在一起，具有安装方便等特点，但由于蓄电池容量小，无法满足灯器在连续阴雨天气中使用，且航标上有装其他附属设施时，如AIS航标、雷达应答器等，还需另外再装一套能源系统。

2.轻便化航标能源组的结构

第一代航标能源组应根据现有的航标结构研发，方便现有航标的安装，利于后期推广使用。因航标灯器和太阳能电池板均在灯架顶部，为了减少线路损耗，研究人员把蓄电池的安装位置也调整至灯架顶部，并利用太阳能电池板底部空槽处安装蓄电池组，达到直接在现有灯架上安装使用的目的。

2.1电池的选型

研究人员对比了铅酸蓄电池、锂电池和超级电容器后，决定采用锂电池。常用的锂电池可以分为磷酸铁锂电池、三元锂电池和聚合物锂电池，研究人员对三中类型的蓄电池进行了逐一测试。太阳能电池板背部空间呈“片”状，研究人员最先考虑的是使用具有相同形状的聚合物锂电池，但在试验过程中发现，聚合物锂电池在温度过高时容易发生膨胀现象，故排除该方案。

转而选择圆柱体型的三元锂电池或磷酸铁锂电池。由于航标上使用的太阳能电池板架厚度为23mm，可用于安装蓄电池空间的厚度仅为20mm，所以研究人员选择了18650型锂电池，该型锂电是电子产品中比较常用的锂电池，是指电池的直径为18mm，长度为65mm。目前，18650型锂电制备工艺已经非常成熟。SONY、三星、三洋、松下、LG等各大厂家都有生产，选择性多，18650电池顶部都配有一个安全阀，安全性能高，广泛应用于笔记本电脑、摄像机、各种电动工具以及电动车都有采用这种电池。

18650型锂电有三元锂电和磷酸铁锂两种，从下表可知，三元锂电池容量一般为磷酸铁锂的两倍；在寿命和循环次数上，三元锂电池可保证完全充放电循环使用500次以上，终极的寿命目前还是未知的，在超出循环次数后电池组还是可以使用，只是电池组的容量会下降到原来的60%左右（容量仍比磷酸铁锂高）；在安全性能方面，磷酸铁锂电池比较突出，但研究人员认为，航标用电量底，电流小，环境温度在60摄氏度以下，三元锂电池的安全性能满足使用要求。最终，我们选择了18650型三元锂电池。

2.2能源配置

2.2.1蓄电池容量

表1、18650型三元锂电池和磷酸铁锂电池优势对比表

根据北部湾沿海历年天气变化规律，设计的一体化能源组应满足20天连续阴雨天气的要求。经计算，蓄电池容量需求为83AH。

由于三元锂电芯单体电压为3.7，容量为3.2Ah，我们将30个锂电芯（96AH，3.7V）进行串联，然后将3组串联后的锂电芯并联，得到（96Ah，11.1V）的电池组，升压后组成（88Ah，12V）的电池组，是满足容量需求的。

2.2.2太阳能板功率

考虑到锂电池的电压特性、线路损耗引起的压降以及防反充二级管压降，太阳能板电压选为U=18v.经计算，太阳能板配置应大于21.6W。

由于太能电池在发电与存储过程中存在着损耗，因此，我们采用了18V40W的太阳能板，可以有效满足航标灯的日常工作要求。

2.3轻便化能源组内部结构

轻便化能源组主要由90个18650型锂电池、18V40W太阳能板、电池保护板、太阳能充电控制器、升压模块、防水接头通过合理连接，密封组合而成。

图1、轻便化能源组结构图

其中，电池保护板保护电池的过充过放，提升锂电安全等级；升压模块将11.1v的电压升至12.36v，达到满足航标灯使用要求；太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，输出电流也小，这就需要用太阳能充电控制器将其转变为稳定的直流电压给蓄电池充电；防水接头可以让航标员在航标上实现电源组与灯器的快速连接，减少在航标上的操作时间，降低海上工作的危险性。

3.试验阶段

轻便化航标能源组于2015年6月研发成功，经过多次改进完善后，于2015 年8月在陆地投入试用。

在经过一个月的陆地测试后，我们选择了在铁山港13号、14号灯浮上安装能源组，由于该设计降低了电池的重量（整体重量仅为9.5Kg），减少了电源排线、接线等繁琐步骤，而防水接头的设计，进一步缩短了海上更换能源的时间，大大提升海上作业安全性。

至今，轻便化能源组投入海上试用已有九个月的时间，从图2可知，能源组的电压保持稳定，性能基本未下降。

4.取得成果

4.1降低海上航标作业劳动强度

轻便化能源组具有轻便，安装简单等优点，航标员在更换能源时只需将能源组插入太阳能板安装架，拧紧固定螺丝，与灯器防水接头对接即可，省去了排线，接线等步骤。

4.2提升海上作业安全性

12V80Ah的铅酸蓄电池的重量为25-30Kg，航标员在上标作业时往往需要两个手才能提动电池，如果遇到恶略海况，危险系数呈指数上升。而能源组重量仅为9.5Kg，单手可提动，安装时间不到原来的1/5，提升了海上作业的安全性。

4.3提高航标正常率

航标故障基本上可以分为航标设备故障和外力撞击故障，而航标设备故障绝大多数是蓄电池故障，其中接头松、连接线路老化等又占了蓄电池故障近一半。航标能源组的集成度高，有效杜绝线路老化、人工海上接线不稳等故障。

4.4节约成本

目前40W太阳能板（720元/块）搭配2块12V80Ah（920元/块）的价格为2560元（未包含接线电缆费用），而将轻便化能源组技术外包给专门的生产商后的采购价格为2700元，价格基本相近，结合锂电池和铅酸蓄电池的放电深度计算，两个方案电池容量相差不大。但是铅酸蓄电池的寿命为2年，而三元锂电池寿命为3-4年。