基于锂聚合物电池的航标一体能源研究

(交通运输部东海航海保障中心福州航标处 福建 福州 350000)

一、现状、背景

目前航标使用的能源组多为铅酸蓄电池和太阳能光板的组合。单个铅酸蓄电池容量为80-100AH，重量约为35KG。此类能源组安装时，太阳能光板放置于光板平台上，铅酸蓄电池放置于特制的电池箱或电池屋内，二者通过长约2-3M的电缆线连接，布线设置不合理，同时整个结构庞大、不便于携带，能源装置的使用寿命也较短，日常的维护和保养费用很高。

具体来说，现有的能源组有如下缺陷：

(1)主能源铅酸蓄电池重量重，维护不易。作为主能源，航标用蓄电池容量至少要达到160-200AH，因此需要至少2块铅酸蓄电池并联。仅2块铅酸蓄电池的重量就达到70KG，给一线航标工作者的日常维护带来许多不便。

(2)布线繁琐。目前航标能源组蓄电池与光板距离多为2m左右，因此需要2-3m的电缆线连接，布线需要精心布置，费时费力，此外，电缆线越长电压压降越大，增加了能耗。

(3)由于航标环境的特殊性(多为海上潮湿环境)，航标用铅酸蓄电池会发生爬碱(硫酸铅硬化)现象，缩短蓄电池使用寿命。

(4)污染环境。铅酸蓄电池中含有大量的铅等重金属，废弃后若处置不当会对环境造成严重的污染。

二、新型航标能源组设计

(一)能源选择

锂电池按组成形式可分为锂聚合物电池、锂离子电池等。锂离子电池的典型代表便有人们常见的18650型锂电池和26650型锂电池，锂聚合物电池是更新一代电池，具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。该类电池可以达到的最小厚度0.5mm。 相对于锂离子电池，锂聚合物电池的特点如下：(1)无电池漏液问题,其电池内部不含液态电解液,使用胶态的固体。(2)可制成薄型电池：以3.6V400mAh的容量，其厚度可薄至0.5mm。(3)电池可设计成多种形状。(4)电池可弯曲变形：高分子电池最大可弯曲90°左右。(5)可制成单颗高电压：液态电解质的电池仅能以数颗电池串联得到高电压,而高分子电池由于本身无液体，可在单颗内做成多层组合来达到高电压。(6)容量将比同样大小的锂离子电池高出一倍。基于锂聚合物电池的上述特性，研究人员决定开展将锂聚合物电池作为航标主能源的尝试试验。

根据福建中北部沿海历年的气象变化规律以及行业相关规范，用于福建中北部沿海地区的航标电池应满足25天连续阴雨天气的要求。结合航标器材的耗电能耗，以配备有小型航标灯器(射程4 n mile)、AIS航标以及北斗遥测终端的航标为例，其容量需求为46+48+49=143AH，根据锂聚合物电池保留20%容量的特性，该航标能源实际需求容量如下：

143÷0.8=178.75AH。

(二)结构设计

目前，小型航标灯器光伏供电多用2块18V20W的太阳能光板并联实现40W的充电输入。经计算，这种太阳能光板的配置能满足航标灯器及蓄电池的日常工作需要。为了利用现有器材更好地开展航标一体能源研究，研究人员决定采用常见的18V20W的太阳能光板来整合锂聚合物电池模块。

经测量，该太阳能光板背面有长62CM、宽23-25.5CM(两侧约有2.5CM的遮挡)、厚2.1CM的凹槽空间。根据航标能源178.75AH的容量需求及太阳能光板背面的凹槽尺寸，研究人员定制了单片12V容量10AH、长18.8CM、宽11CM、厚0.6CM的聚合物锂电池，通过9片并联实现12V90AH的锂聚合物电池模块，该模块长37CM、宽18.8CM、厚2.1CM(内置充放电保护单元)。

图1 12V90AH的锂聚合物电池模块

研究人员又设计并加工了能源组防水接头和密封罩壳，放入罩壳内的锂聚合物电池很好地贴合置于20W太阳能光板背面凹槽空间，经防水、散热和密封处理，实现了航标一体能源组的设计。

图2 太阳能光板背面凹槽及嵌入锂聚合物电池的太阳能光板

三、试验和测试

(一)水密性测试

本文行文逻辑结构如下：首先,按照国内气候政策建制历程,分阶段概括核心内容和主要特征,从总体上评价中国应对气候变化的成效;其次,具体考察中国气候治理的“内政外交”,提炼国内气候治理行动亮点,剖析气候外交中的角色变迁,从而客观认识中国在全球气候治理体系中所做的努力和所处的方位;最后,总结上述气候政策经验,为未来中国继续推进应对气候变化工作提出建议。

研究人员将航标一体能源组放入摆管淋雨试验机模拟雨淋测试其密封性能，在2个测试周期(1个测试周期24H)后，测试的航标一体能源组水密性良好，电压、容量等参数保持不变。

(二)温度测试

研究人员将航标一体能源连接航标SHD-1型灯器(灯质设置为快闪)放入恒温恒湿试验机，根据福建中北部沿海地区气温参数进行测试，分别设置-5℃-52℃两个温度区间下航标一体能源的状态。经测试，在52℃下航标一体能源连续运行12H后，航标一体能源的锂聚合物电池模块无明显鼓包、膨胀现象。

表2 两块测试一体能源在常温至50℃和常温至-10℃的参数对比

图3 恒温恒湿测试机监测界面

经测试，一体能源在-5℃-52℃温度区间内电压变化不大，完全能满足福建中北部沿海地区航标灯器的供电需求

(三)充放电测试

自2017年5月起，研究人员将一块航标一体能源(含18V20W太阳能光板2片并联，12V90AH锂聚合物电池2块并联)置于常温下做充放电测试，并于2017年6月1日起监测电压参数。

图4 6-10月测试地区气温图

图5 6-10月测试航标一体能源电压曲线图

如图5所示，在6-10月测试周期内，一体能源电压基本保持稳定。

同时，研究人员将另一块一体能源接入SHD-1型航标灯器，灯质设置为常亮做连续放电试验(未嵌入太阳能光板)。锂聚合物电池初始电压为12.06V，测试20天后，锂聚合物电池电压为10.3V，灯器仍处于正常发光状态。由此可得，该一体能源的容量设计能满足实际所需的连续阴雨25天使用。

(四)海上测试

2017年9月起，航标一体能源在闽江口水域新丰2号灯浮、盐琯灯桩安装试验，截至目前电压保持稳定，航标灯器发光状态良好。

四、使用效果

相对于以铅酸蓄电池为主能源的原航标能源组，这种基于锂聚合物电池的航标一体能源具有明显优势，这些在实际试验和应用中也得到体现，具体而言具有以下几点优势：

(1)轻便、编携、易安装维护，提高作业安全性。航标一体能源聚合物锂电池模块体积小，重量仅为7.5KG(容量90AH)，且与太阳能光板的贴合嵌入灵活，可单独更换维护，方便航标一线作业人员的现场维护，提高海上作业的安全性。

(2)无需繁琐布线，保障航标效能发挥。航标一体能源的锂聚合物电池模块贴合嵌入于太阳能光板背面，因此无需原来2-3m的电缆连接和电池箱或电池屋等航标器材，在减轻航标作业人员劳动强度的同时避免了因连接线路老化、电池箱进水等引起的航标故障，保障了航标效能的发挥。

(3)节约成本。虽然相同容量锂聚合物电池与铅酸蓄电池价格相近，但经改造后的该能源组节省了不锈钢电池箱和专用电池屋，每座航标成本约节省1500元，此外，同等容量的电池，锂聚合物电池的使用寿命是铅酸蓄电池的2-3倍。

五、结束语

基于锂聚合物电池的航标一体能源具有重量轻、安装方便等特点，在节约成本的同时又提高了航标海上作业效率，提升作业安全性，且各类参数满足航标工作需求，待进一步改进优化后在航海保障领域具有推广意义。