你船上的铅酸电池能否至少使用五年甚至十年?事实上很少有电池能做到这一点。电池故障是船上电气系统中最常见的故障。这些电池故障表明电气系统设计或电池本身甚至两者都存在问题。
高质量电池价格昂贵。在许多巡航船只上,更换一个电池组可能要花费数千美元。大量资金正被花费在本可避免的故障上。
吸收与浮充
要给电池充电,必须将电池的电压提高到其充电前电压之上。充电时,电压差就是将电流推入电池的“压力”。
当一个电池从部分放电到深度放电,开始充电时,你会看到它的电压上升。某一时刻,电压会稳定下来,并在一个较长时间内保持恒定。这就是“吸收电压”。随后,在另一个时刻,几乎所有现代充电设备(除了带内置电压调节器的汽车式发电机)都会“判断”电池充电状态,并将电压调低到吸收电压以下,这就是“浮充电压”。
我们需要准确测量这两种电压值。
测量吸收电压和浮充电压应在电池接线柱上进行,否则读数可能不准确。若面板电压表未直接连接电池,需用精度较高的数字万用表(建议价格20美元以上)。
万用表是监测电池的重要工具。水手会检查电池端柱的电压,这是获取此信息最准确的方法。
测试前应先部分放电,再将万用表调至直流电压挡,红探针接正极,黑探针接负极。未充电时,12V电池电压应低于12.8V;充电开始后电压会上升,停止上升时即为吸收电压。若设备设有浮充模式,电压随后会稳定在浮充电压。
每个充电设备和电池组都应分别测试。虽然耗时,但这是确保电池健康的关键步骤。
不同类型的铅酸电池,比如常规电池(湿电池)、胶体电池和玻璃纤维隔板蓄电池(AGM),具有不同的推荐吸收电压和浮充电压。必须咨询电池制造商以确定合适的电压参数。若发现任一电压偏离超过0.1至0.2伏,都会影响电池寿命,必须立即采取措施校正电压。如果不能通过电压调节器调节校正,则需重新检查整个系统设计。
当船舶停靠码头并接驳岸电或处于停泊状态时,需特别注意电池充电器的浮充电压。即使浮充电压仅高出零点几伏(尤其是对密封式胶体电池和AGM电池而言),长期使用也会造成电池损毁。除电池损坏外,还存在因电池过热引发火灾的风险。欧洲主要船舶保险公司Pantaenius将此类情况列为船舶火灾理赔的主要原因之一。
需注意的是,汽车式内置调节交流发电机通常不具备自动切换至浮充电压的功能。大多数帆船发动机通常间歇性使用,通常不会出现问题。但对动力艇而言,若发动机长时间运转且交流发电机持续向已充满电的蓄电池组充电,尤其是当蓄电池组位于高温的机舱环境中时,可能会有安全隐患。
温度是导致电池出现问题的原因之一。铅酸电池的使用寿命以25°C环境温度为基准,温度每升高10°C,电池预期寿命大致减半。为了延长使用寿命,应将电池安装在船上最凉爽的位置。充满电的铅酸电池即使在零下40°C也不会冻结,但放电状态下可能冻结并胀裂。
如今,电池使用强度更高,放电端体现在通过直流-交流逆变器驱动空调系统及各类电力推进装置;充电端则采用新一代超高输出交流发电机。富液式铅酸蓄电池的化学能-电能转换效率仅约60%,剩余40%的充电能量在充放电过程中转化为热量(其中充电过程尤为显著)。胶体电池效率提升至75%,AGM电池达85%,产热量有所降低但仍不可忽视。锂离子电池虽实现95%的高效转换,但其热管理仍是多数安装场景需要重点解决的难题。
当铅酸蓄电池在充电过程中温度升高,其充电接受率,即在给定电压下可吸收的充电电流量,将随之提升。充电电流的增大引发温度进一步上升,即使电池已完全充满,仍会促使充电接受率继续攀升,由此形成恶性循环:满电状态的蓄电池迫使充电设备持续满负荷输出,热量呈指数级积聚,电池如同烧水壶般剧烈沸腾并释放氢气。这种现象被称为热失控。
热失控导致电池爆炸
铅酸蓄电池存在一个普遍认知误区:密封式蓄电池不会发生热失控且无氢气排放风险。事实上,无论何种类型的铅酸蓄电池,均可能进入热失控状态,且在充电终期均会产生氢气。富液式蓄电池始终将氢气直接排放至大气环境;密封式蓄电池虽配备弹簧加压排气阀(通常可容纳气体),但在特定工况下仍会发生氢气逸出。
热失控过程产生的热量足以熔毁蓄电池壳体,极端情况下,无论电池内部或外部产生的电火花,都将引致氢气爆燃事故。
为防止热失控,电池充电时若温度升高,应降低充电电压。电池需配备温度感应功能。尽管许多充电器和调节器支持温度感应,但传感器常被错误地安装在电池顶部,铅酸电池顶部有隔热空气层,无法准确感温。正确做法是将传感器贴在电池两侧。
高负载电池应安装在通风良好的位置,通过支撑垫、间隔物和顶部通风口帮助散热。商业船常用风扇,娱乐船较少,所有的风扇加装防止氢气燃烧的保险装置。
通风也有助于排出释放的氢气。氢气极轻,只需向上的排气通道就能安全逸出。因此所有铅酸电池安装空间必须具备向上的通风出口。
富液式电池在使用过程中会持续排放氢气和伴随的氧气,这会导致电解液中的水分流失。若不及时补充水分,电池极板终将因干燥而失效——维护不足正是这类电池寿命终结的主要原因。需特别注意的是,切勿使用自来水进行加液,因其可能含有损害电池寿命的杂质。务必选用蒸馏水,或采用水制造机(如反渗透净水设备)生产的纯水进行补充。
铅酸蓄电池的及时补水直接关系到其健康状态与使用寿命。采用便于日常维护的安装布局,是蓄电池系统部署时的重要考量。
对于大多数远洋巡航船来说,电池使用强度较大,理想情况下应每月补充一次电量。如果一个月的使用后电池无需补充电量,说明电池充电不正常。充电吸收电压过低,电池会因一种叫作硫酸盐化的情况而过早损坏。这也是导致船用电池损坏的一个主要原因。
电池维护工作常常被忽视的一个原因是,电池通常安装在难以俯视电池查看电解液液位以及添加蒸馏水的位置。一种带有阀门的加水系统可以替代电池的单格通气帽,从而让这项工作变得简单。这种加水系统通常配备一个小型泵,类似于舷外发动机的挤压式燃油泵,依次向每个单格加水。当某个单格加到所需液位时,阀门会关闭,然后加下一个单格。当所有单格都加满后,挤压球会变硬,表明加水工作已完成。
不论何种类型的电池都必须牢固固定。各类造船标准规定,在任何角度的倾斜(包括倾覆)情况下,电池在任何方向上的移动不得超过 1 英寸。然而,实际中太多电池的安装都达不到这一要求,而且 1 英寸的移动范围也过于宽松。如果两个或多个电池串联(负极柱连接正极柱)或并联(正极柱连接正极柱,负极柱连接负极柱),那么电池柱之间要么有相对较重且不易弯曲的导线,要么有坚固的铜带。在这两种情况下,尤其是使用铜带时,电池的任何移动,包括因振动产生的移动,都会对电池柱周围的密封件造成压力。一旦密封件失效,电池也会提前损坏。
电池并联时,几乎总是连接错误,这会导致电池间能量流动不均衡,并缩短所有电池的使用寿命。正确安装时,必须在电池旁设置正负极接线柱或汇流排,然后确保从每个电池正极到正极接线柱或汇流排的连接导线与其他正极连接导线的尺寸和长度相同。对于系统的负极部分,虽然这些导线可以与正极导线长度不同,但所有负极连接导线的尺寸和长度必须相同。
错误的电池并联连接方式肯定会导致所有电池过早损坏。
船载设备的正负极电源分别从电池的正负极柱或汇流排引出。这样接线,对于相同类型、相同使用年限和相同尺寸的电池来说,它们的放电周期会相似,从而优化其使用寿命。
请注意,这些并联的电池必须处于相似的环境条件下,以确保电池温度保持平衡。您不能将电池分散放置在船上然后直接并联起来。不过,我们可以通过各种电压敏感型开关装置在不同位置并联电池以用于充电,但大多数此类装置过去都是“傻瓜型”的——在电压上升时并联,在电压下降时断开,这可能会对并联的电池造成损害。现在我们有一系列“智能”电池并联装置,尤其是电池对电池充电器,能够确保所有并联的电池都获得优化使用寿命的充电制度。
只要充电和浮充电压正确、热量控制得当、并联操作恰当,并且做好必要的维护工作,我们就能接近电池十年使用寿命的预期目标。也就是说,只要我们刚刚安装的两个接线柱或母线之外的整个电气装置都符合标准。