船舶蓄电池容量计算分析

殷宗学 刘玉涛 初建树

（中远海运重工有限公司设计研究院 大连116600）

引 言

蓄电池的选型一般是先确定蓄电池组的供电范围和供电时间，得出所需的负载电流后，再按照船舶设计手册上所给的公式来计算。通常供电时间会小于蓄电池标准放电时间，即放电电流大于标准放电率的电流，蓄电池容量会降低，这可用蓄电池容量系数K来表征［1］。不过，蓄电池容量系数K在资料样本中通常不直接给出（或者厂商对这个系数也并不清楚），那么沿用设计手册中的计算方法和容量系数K是否合理，其正确性也无法考证。此外，应发启动及UPS等蓄电池一般都是制造厂商自带，船厂往往不知该如何校核蓄电池储备容量是否足够。而这些也是经常困扰船舶电气设计人员的问题。那究竟该如何精准计算蓄电池容量呢？下面就船上蓄电池选型中的计算方法等问题进行分析。

1 蓄电池类型及性能

船用蓄电池组主要有透气型和阀控密封型酸性（铅）蓄电池两大类。酸性蓄电池是利用铅、二氧化铅和硫酸的化学反应来存储和释放电能的装置［2］，船上常用于临时应急电源和备用电源。根据船级社规定，一般蓄电池备用时间为30 min。透气型铅酸蓄电池是一种使用已久且价格便宜［1］的船用蓄电池，但需要经常配置、调整、测量和补充电解液（比重1.285的稀硫酸），还要求操作方法正确，以防止操作时漏液，因此清洁维护较麻烦。此外，其性能较差、使用寿命短、充电时会排出大量氢气，还需要舱室机械通风并达到防爆要求。

目前，船上广泛采用阀控密封型蓄电池，其优点是不需要添加电解液，对接线桩头、电线腐蚀少，抗过充电能力强，启动电流大，电量存储时间长［2］，基本上属于免维护。所谓阀控，是指在内部的压力大于一定数值时需开启控制阀，以防止蓄电池爆炸或膨胀。因为正常放电时不会产生氢气，只有环境温度过高或充电电压过高时才会排出氢气。由此可见这种蓄电池几乎不会释放氢气，因而不必强制达到防爆的要求。不间断电源（UPS）基本都是使用阀控密封型蓄电池组，它既可与充电装置及其配电回路集成在一个单元内，也可与其他普通电气设备布置在同一舱室。

蓄电池的标称容量，是指充满电的蓄电池用一定的电流放电至规定放电终止电压的放电量，通常采用安时（Ah）容量表示，如：

安时（Ah）容量= 放电电流（A）×放电率（h）

蓄电池的实际放电容量与温度有关，一般标称容量指环境温度为20℃～25℃时的放电量。3～5年后，蓄电池放电时间会随着内部老化而逐渐缩短，这属于正常现象，通常可在船舶维修期予以更换。

蓄电池放电率，是以放电时间表示的放电速率，即以相对于蓄电池容量的放电电流，持续放电至规定终止电压所维持的时间。通常标准的放电率有10 h制或20 h制，特种船舶上使用的锂电池组，其放电率是1 h制。那么，100 Ah·20 h蓄电池的意思就是额定容量100 Ah蓄电池以5 A的放电电流可以连续放电20 h；100 Ah·10 h蓄电池的意思就是额定容量100 Ah蓄电池以10 A的放电电流可以连续放电10 h。虽然上述两种蓄电池容量都一样，但它们在同一时间内的放电量是不一样的。从图1中的放电曲线可知，100 Ah·20 h的蓄电池在5 A时可以放电20 h，在10 A时只有9 h左右，20 A时只有4 h左右，在2 A时却可以放60 h以上，说明蓄电池的放电电流与放电时间非线性关系。

放电终止电压是指蓄电池放电时电压下降至某一预定工作电压值。例如，一组标称电压为12 V的蓄电池，一般由6块2 V单体（cell）组成，每块单体的终止电压可定为1.6～1.8 V，如果再继续放电就会造成蓄电池过度放电。在实际工程中，通常对蓄电池设置欠压保护回路，防止最低电压值达到9.6 V后再继续放电，导致蓄电池因过放电而严重损坏，从而缩短使用寿命。另外，根据船级社规范要求以蓄电池组作为临时应急电源，其容量应保证承载规定的供电负载而不必再充电，并要求蓄电池组在整个放电期间的电压变化始终保持在其额定电压的±12%范围内［1］，这也就决定了船上蓄电池组的每块单体放电终止电压不能低于1.76 V的极限。

2 蓄电池容量计算方法

蓄电池容量计算方法及步骤如下：

（1）根据SOLAS及船级社规范的有关要求，确定蓄电池组的供电范围和供电时间（0.5 h）；

（2）根据蓄电池组的供电范围，列出负载名称及其消耗功率等；

（3）根据公式计算出所需容量；

（4）根据计算结果选择合适容量的蓄电池组。

通常蓄电池容量的计算公式为：

式中：Q为所需蓄电池容量，Ah；P为负载总功率，W；U为负载电压，V；I为负载总电流，A；t为供电时间，h；K为蓄电池容量系数。

另外，需注意主流船级社要求蓄电池组在充电至80%的额定容量时仍能按供电所规定的时间持续向其负载供电［3］，即蓄电池组容量应至少留有20%的功率裕量，也即负载率不能高于80%，所以上述的容量计算公式应更改为：

式中：L是安全系数，其值为80%；Q、P、U、I、t、K的含义均同式（1）。

蓄电池容量系数K实质是因放电电流大于标准放电电流时，蓄电池容量会下降很快，维持不了供电所需时间，相当于降容使用，所以用容量系数K应折算至实际所需蓄电池容量。不同类型蓄电池的容量系数不同，透气型蓄电池容量系数如表1所示，而对于阀控密封型蓄电池容量系数，厂家提供的更多是如表2所示的不同放电时间下持续放电电流表。实际选型时可直接根据负载工作电流，并考虑20%裕量后的最终电流值去查找并比较对应所需放电时间下的蓄电池放电电流的大小，如果最终所需电流小于且接近所选的蓄电池放电电流值，那么证明所选蓄电池容量是比较合适的。

表1 透气型铅酸蓄电池容量系数

表2 阀控密封型蓄电池持续放电电流（A）

如果采用式（2）来计算蓄电池容量，其蓄电池容量系数K可通过式（3）求得近似值：

式中：K为蓄电池容量系数；t为需求放电时间，h；Id为对应放电电流，A；c为标称容量，Ah。

换算得到的容量系数见表3。由表3可知，对于常规0.5 h的放电时间，若选用阀控密封型蓄电池，其容量系数一般可取为50%。

表3 阀控密封型蓄电池容量系数

表4 蓄电池容量计算书

蓄电池容量计算书通常是以表格形式表述，参见表4。从表1、表2所列容量系数及表4所选的蓄电池容量可见，阀控密封型蓄电池的放电效率要高于普通透气型蓄电池，这说明采用阀控密封型蓄电池可大大降低蓄电池组装备容量。另外，由表2可知，60 Ah阀控密封型蓄电池在0.5 h放电时间下的放电电流为62 A， 明显大于表4实例中工作电流57.3 A， 因此选用60 Ah的容量能满足规范要求，且较为经济适用。这也证明式（3）对蓄电池容量系数K估算的正确性。

3 其他蓄电池容量计算

除了作为临时应急电源的通用蓄电池组外，船上还有无线电系统、应急发电机启动蓄电池组及设备专用的不间断电源系统，这些系统的蓄电池供电负载及工作方式都与通用的不一样，下面就各种蓄电池容量计算进行分析研究。

3.1 无线电蓄电池容量计算

无线电系统蓄电池组主要是给法规所要求的无线电设备在应急情况下供电。通常计算要求如下：

（1）总消耗电流=发射所消耗电流×1/2+接收消耗电流+其他设备消耗电流。其他设备消耗电流为由蓄电池供电的GPS、应急照明灯、NAVTEX和终端设备等。

（2）蓄电池供电时间考虑为 1 h。

无线电系统蓄电池组容量的计算公式为：

式中：ITx为发射消耗总电流，A；IRx为接收消耗总电流，A；IS为其他设备消耗总电流［4］，A；Q、t、K的含义均同式（1）；L的含义同式（2）。

同理，其计算表格也可参考表4，列出各外通设备及其接收消耗电流和发射消耗电流，其他设备消耗电流，再根据式（4）直接计算出所需的蓄电池容量。

3.2 应发启动蓄电池容量计算

应发启动蓄电池主要用于应发直流启动电机的供电，平时还用于供电给应发柴油机的监控系统。根据船舶规范的有关规定，应急发电机组应具备在环境温度为0℃时直接启动，并可以连续启动3次的能力，这就要求启动蓄电池组能瞬间放电达到成功启动应发所需的电量，具有低温瞬时、大电流放电的特点。因此启动蓄电池的容量计算还需考虑温度修正系数T，计算公式如下：

式中：ISt为启动电机启动电流，A；T为温度修正系数；Q、t、K的含义均同式（1）；L的含义同式（2）。

温度修正系数可由厂商直接提供或通过蓄电池放电量（%）与温度的曲线图查取。一般来说在0℃时，蓄电池容量降低到标称容量的80%左右，如果厂商不能提供，温度修正系数可直接取为1.25。由于每次启动时间仅持续5～10 s，这么短时间的放电电流无法直接通过放电曲线或放电电流表获得，此时，蓄电池容量系数则应由厂商特别提供。

另外，由于放电时间很短，几乎达到蓄电池最大放电电流的极限（约为5倍于标称容量的电流值），可比较此最大放电电流是否大于启动电机的启动电流（约为直流电机额定电流的3～5倍），用于简便快速地校核所选的蓄电池容量是否满足要求。需注意的是，在实际项目中发生过虽然按照所分析的原则选取了蓄电池容量，但由于启动蓄电池布置远离发电机或其电缆截面选择过小而致使线路阻抗加大，从而使回路压降增大并导致发电机启动失败的情况。不过，这并不能说明蓄电池容量选型有问题，而是因放电电流比较大，回路上的阻抗稍微变大就会造成非常大的压降，所以应结合实际情况具体分析、调整安装位置或相应加大蓄电池电缆的截面。

3.3 UPS蓄电池容量计算

交流UPS自带蓄电池的容量应按照UPS标称输出功率来计算，计算公式为：

式中：S为UPS标称输出功率，VA；Uf为蓄电池组放电终止电压，V；η为逆变器的效率；cosφ为负载功率因数；Q，t，K的含义均同式（1）。

式（6）中与前述容量计算公式的不同点在于蓄电池组放电终止电压，其选择的依据主要考虑UPS的逆变器最低电压的要求［5］。若低于最低电压限值，逆变器便自动关断，UPS也彻底停机，所以蓄电池的输入直流电压一定要确保高于此最低电压。例如在输出电压为AC 220 V的UPS电源中，其峰值电压为311 V， 再考虑导通压降，逆变器的最低电压不能低于315 V，这也就决定了单体蓄电池的放电终止电压值。知道了需求总容量和总放电终止电压，则很容易确定对应某规格下蓄电池组的单体数量和连接方式。另外，还需注意的是，如果所供电设备中有电机类负载且功率较大，为避免电机启动时因冲击电流较大导致UPS过载，建议用此电机负载10倍的额定功率代入UPS额定容量中计算。

4 结 语

本文主要分析了普通船上蓄电池几种常用场合下容量的计算方法，便于指导或校核蓄电池容量的选型。随着船舶节能新技术的发展，利用蓄电池来存储日常作业期间被浪费的能源，以及蓄电池对电网进行削峰填谷的功效非常显著。因此，今后建造装备高质量的直流母排电网或混合动力系统的船舶将会越来越普及，同时，对高容量、高性能的锂电池和太阳能电池的应用也将日益增多。诚望与业内同仁一起深入研究新型蓄电池特性和用途，精准选配容量足够、组联合理的蓄电池系统，促进电站的配置更加安全可靠、经济环保，从而进一步提高船舶的先进性。