一.船用电源概述

(一)船用电源分类与作用

船舶电源分为主电源、应急电源和备用电源。主电源主要由船舶副机(发电机)提供,应急电源主要由船舶应急发电机供电,两个电源可以自动或人工切换。主电源的任务是对船舶所有用电设备、设施提供电力;应急电源的任务是在船舶副机不能供电时,向船舶的相关应急设备供电,包括船舶导航通信设备、应急照明等。船舶GMDSS备用电源的任务是在船舶主电源、应急电源都不能正常工作的情况下,向GMDSS中的关键通信设备供电。

从船舶设计的角度讲,并不是每条船舶都配有应急发电机,有些船舶利用蓄电池组作为替代。1974年 SOLAS公约上明确界定了以蓄电池组作为发电机替代品的船舶为“船舶配备应急电源,但是不完全符合有关规定”的船舶。公约对于配有应急发电机的船舶和没有配备应急发电机的船舶GMDSS备用电源工作时间(电池容量)的要求是不同的,前者要求能够保证通信设备连续工作l h,而后者则要求保证连续工作6h。应急发电机一般装在水线以上的位置,保证机舱进水后仍能继续工作,但是供电能力较小,一般只能满足船舶重要处所的供电需求。主电源、应急电源的管理和日常维护由船舶电子电气员负责。

根据1974年SOLAS公约的要求,船舶GMDSS备用电源应该“独立于船舶电力系统和船舶动力推进系统”。就是说在船舶电力和动力推进系统都不能正常工作的情况下,该电源应该仍然正常工作,为船舶关键的通信设备提供必要的电力。船舶GMDSS备用电源的构成形式一般为蓄电池组,为直流电源。船舶GMDSS备用电源与船舶备用电源不应该是一套电源。

(二)船舶GMDSS设备的供电

船舶GMDSS设备供电示意图如图3-11-1所示。图中,船舶主发电机、备用发电机产生440 V或者380 V的交流电,电流送至船舶主配电板。主配电板首先对发电机送过来的电流进行降压,即利用降压变压器将440V或者380 V的交流电降至船舶辅机及照明,通信导航等设备正常工作所需要的电压,例如AC 220 V或者110 V。同理,应急发电机工作时所产生的440 V或者380V交流电也会送至应急配电板,并降压至220V或者110V。主配电板和应急配电板在切换开关的控制下实现转换。切换开关送出的220V或者110V交流电送至机舱、船员住舱以及驾驶台等处所。在驾驶台会送入助航分电箱、导航分电箱以及无线电通信设备分电箱等。助航分电箱、导航分电箱等与本节内容无关,因此图3-11-1中没有画出。无线电通信设备分电箱一般不是一个独立的分电箱,而是和GMDSS操作台一体,一般位于操作台的下部。无线电通信设备分电箱有一路AC 220 V/110V输出送至GMDSS备用电源,在这里交流电对备用电源的蓄电池组充电。GMDSS备用电源只有一路输出,送回到无线电通信设备分电箱。无线电通信设备分电箱还有若干路AC 220 V/110V输出,分别送到各个CMDSS通信

设备,包括VHF MF/HF 、 Inmarsat船舶地球站及各附属设备等。这样,船舶主电源和应急电源就可以在不同情况下分别对GMDSS设备供电了。此外,无线电通信设备分电箱还有若干路DC 24 V输出,分别送到GMDSS的关键通信设备,如VHF MF/HF等。

实际工作中,船舶电子电气员应当熟悉通信导航设备的供电情况,了解和掌握所使用设备电源的具体情况,掌握船舶配电箱的位置及每一设备供电开关所在的位置,最好进行清晰地标注,交接班时,更要了解清楚每一设备的供电开关的位置,便于在设备发生故障时,能准确判断电源供电情况,便于维护和保养。

二、GMDSS备用电源

目前船舶CMDSS备用电源一般由蓄电池组组成,当船舶出现紧急情况导致主电源和应急电源不能正常工作时,担负向船舶 GMDSS设备供电的任务。备用电源的输出电压一般为DC 24 V,所采用的蓄电池包括酸性蓄电池、碱性蓄电池和免维护蓄电池等三类。

1974年SOLAS公约规定,GMDSS备用电源必须向VHF设备供电,对于MF/HF设备和Inmarsat —C船舶地球站,既可以同时向两个设备供电,也可以只向其中一个设备供电。如果备用电源只向其中一个设备供电,在计算蓄电池容量时要按照消耗电流最大的设备计算。在这里,MF/HF设备需要的电流一般要比Inmarsat -C船舶地球站大。在这种情况下,在计算蓄电池容量时,把Inmarsat一C船舶地球站所要求的电流去掉即可。

三,酸性蓄电池

(一)酸性蓄电池的组成

铅酸蓄电池主要由容器、极板、隔离板和组件等组成,如图3-11-2所示。1.容器

铅酸蓄电池的容器(又称电池槽),是用来贮盛腐蚀性很强的电解液和支撑极板组的,因此必须耐酸、耐热、耐振,并且绝缘性能要好和有足够的机械强度。容器种类有玻璃、硬橡胶、塑料等几种。

2.极板

极板一般采用栅格式,铅锑合金制成,栅格中压入活性物质。为增加电池容量,在蓄电池内部装有许多块极板,分为正极板和负极板。正极板上涂有过氧化物,呈棕色;负极板上涂有银白色的海绵状铅。蓄电池的充放电是靠正、负极板上活性物质和电解液之间的电化学反应来实现的。

3.隔离板

隔离板是一种耐酸多微孔物,它的主要作用是将正极板和负极板隔离,防止正、负极板接触而造成电池内部短路。

4.组件

(1)连接条:由铅锑合金铸成。其主要用来连接相邻的两个正、负极柱。

(2)电池盖:使用硬橡胶盖或塑料盖。电池盖上有三个孔,中间一个孔叫注液孔,是通风排气和灌注电解液用的,这个孔上有螺纹,用于旋转注液盖。两旁的孔较小,供正、负极柱伸出使用。这两个孔上嵌有铅锑合金套,与板柱熔化在一起,使导电性好,封闭严密。

(二)酸性蓄电池的工作原理

蓄电池是化学电源的一种,它能把电能变成化学能储存起来,当需要时再把化学能转变为电能。

酸性蓄电池是由二氧化铅的正极板与绒状纯铅的负极板浸入电解液里所构成的。

放电过程中,正、负极板的活性物质变成硫酸铅。当正、负极板上的活性物质都变成硫酸铅以后,蓄电池就不能再放电了。此时需要对蓄电池充电,充电过程使蓄电池放电时变化了的活性物质还原成原来的二氧化铅和铅,重新将电能储存起来,这样,蓄电池又可以继续放电了。

放电过程中,电解液中硫酸分子不断减少,水分子相应增加,因此浓度逐渐下降。充电过程中,电解液中硫酸成分增加,水分减少,因此电解液的浓度逐渐增大,密度也就逐渐升高。所以在实际工作中,电解液密度的高低是判断蓄电池放电程度的依据。

酸性蓄电池每个单电池的电动势是2V,放电时,电压低于额定电压的90% ,即 1.8V就认为蓄电池放电完毕,不应再放电。充电时,每个单电池的端电压可以达到2.6 V左右。充电过程中,电池组可能会明显发热,电池组会出现水分散失的现象,同时可能会伴有少量氢气产生，会有气体集聚爆炸的风险。

(三)酸性蓄电池的日常维护与保养

(1)建立蓄电池充放电记录本,认真记录各组电池工作情况。

(2)电池在使用过程中,电池组极板及容器必须保持清洁,否则可能存在短路风险。(3)蓄电池的极柱,夹头和铁质提手等零件表面应经常用凡士林擦拭,保持一层凡士林油膜。

(4)定期检查电解液的密度和高度,保持电解液面高于极板上缘15~20 mm,当电解液面下降时,应及时加蒸馏水并充电。

(5)每月进行一次放电,时间不少于4 h ,放电后检查电解液的液面,如果电解液不足,加入蒸馏水然后充电12~24 h,观察液面有大量气泡冒出,充电后测量电解液,密度应当为1.27~1.30 g/cm',如果不在此范围内,需要重新调整电解液密度。

(6)为了消除极板硫化现象,应按时进行过充电和定期进行全容量放电。(7)蓄电池间应保持通风良好,并且严禁烟火。

( 8)经常不带负荷的蓄电池,每月应进行一次充电和放电。(9)当发现电池容量明显不足时,应申请更换电池。

四、碱性蓄电池

(一)碱性蓄电池的结构和工作原理

碱性蓄电池由于极板的活性物质材料的不同,分为铁镍碱性蓄电池、镉镍碱性蓄电池、银锌碱性蓄电池等系列。船舶上主要使用的是镉镍碱性蓄电池。

镉镍碱性蓄电池的结构如图3-11-3所示。电池的正极由氧化镍粉和石墨粉组成,其中石墨主要用来增强导电性,不参与化学反应;镉镍碱性蓄电池的负极由氧化镉粉和氧化铁粉组成,掺入氧化铁粉的目的是使氧化镉粉具有较强的扩散性,防止结块,并增加极板的容量。为了排灌电解液,在蓄电池外盖上有一个注液口,注液口拧一密闭式的气塞,该气塞能使蓄电池内部气体排出而防止外部气体进入,并能保证蓄电池在短时翻转时不流出电解液。

镉镍碱性蓄电池极板的活性物质在充电后,正极板为羟基氧化镍(NiOOH) ,负极板为金属镉(Cd ) ,而当放电终止时,正极板转化为氢氧化亚镍[Ni( OH),],负极板转化为氢氧化镉[ Cd( OH),]。电解液多选用氢氧化钾(KOH)溶液,氢氧化钾溶液并不直接参与反应,只起导电作用。蓄电池充电时将电能转化为化学能储存起来,放电时将化学能转化成电能输出,两个电极发生的化学反应是可逆的。

(二)碱性蓄电池的使用和维护

( 1)在每次充电前检查每只蓄电池,必要时补加蒸馏水,使液面保持一定的高度,每使用10~15次充放电循环应进行检查并调整电解液的浓度。

(2)在使用过程中,蓄电池中的电解液容易吸收空气中的二氧化碳,致使电解液中碳酸盐的含量增加,当电解液中碳酸盐的含量超过50 g/kg时,蓄电池的容量显著降低,一般经过1年左右或使用50~100次充放电循环,应更换一次电解液。更换电解液应在放电的情况下进行,摇动蓄电池将内部粉尘洗出,必要时加蒸馏水洗1~2次,并及时注入新电解液。在调整完碱性蓄电池电解液的密度和液面高度后,应当再注入不含游离酸的凡士林油(液体),以防止空气中的CO,与电解液发生反应。

(3)蓄电池在使用和保存过程中,气塞上的橡胶套管的弹性会逐渐老化失效,致使蓄电池内部气体不易排出,因此,应定期打开气塞放气或更换新气塞套管。

(4)在任何情况下,都禁止明火靠近充电的蓄电池。蓄电池在使用和保存过程中,不能使用金属器具将正负极板或负极与外壳同时接触,防止短路。

(5)蓄电池的外部与槽箱应保持清洁和干燥。将镀镍部分擦净之后,必须涂以凡士林油，以防生锈。

(6)发现蓄电池外部有生锈痕迹时,应用布蘸石蜡擦拭,切不可用金属工具或砂纸打磨。( 7)经常检查橡胶垫,如发现损坏,应立即更换。

( 8)每次充放电前,应检查各极柱连接是否松动。

(9)当用固体氢氧化钾或氢氧化钠配制电解液时,为了及时预防碎片或溶液溅到眼睛、皮肤和衣服上造成伤害,可在蓄电池室内准备含3%硼酸的溶液,以备清洗之用。

( 10)为了随时准备放电使用而保存的蓄电池,经充电后拧紧气塞,最好保存在25℃以下。

五、免维护蓄电池简介

免维护蓄电池采用20 世纪90年代最新设计的全密封结构及现代化生产工艺,具有高性能、长寿命、无污染﹑免维护、安全可靠的卓越性能。

免维护蓄电池由于自身结构上的优势,电解液的消耗量非常小,在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐振、耐高温,体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种:第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护(添加补充液);另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死,用户无法加补充液,目前使用后者的居多。

大多数免维护蓄电池在盖上设有一个孔形液体(温度补偿型)密度计,它会根据电解液密度的变化而改变颜色,可以指示蓄电池的存放电状态和电解液液位的高度。如图3-11-4所示,当密度计的指示眼显示绿色时,表明充电已足,蓄电池正常;当指示眼绿点很少或为黑色时,表明蓄电池需要充电;当指示眼显示淡黄色时,表明蓄电池内部有故障,需要修理或进行更换。

免维护蓄电池也可以进行补充充电,充电方式与普通蓄电池的充电方法基本一样。充电时每单格电压应限制为2.3~2.4 V。注意,使用常规充电方法充电会消耗较多的水,充电时充电电流应稍小些(5A 以下)。不能进行快速充电,否则,蓄电池可能会发生爆炸,导致伤人。当免维护蓄电池的密度计显示为淡黄色或红色时,说明该蓄电池已接近报废,即使再充电,使用寿命也不长。此时的充电只能作为救急的权宜之计,不建议船上采用。有条件时,对免维护蓄电池可用具有电流-电压特性的充电设备进行充电。该设备既可以保证充足电,又可以避免过充电而消耗较多的水。一般这类免维护电池从出厂到使用可以存放10个月,其电压与电容可以基本保持不变。

镍氢电池是一种性能良好的蓄电池,分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。其正极活性物质为Ni(OH),(称NiO电极),负极活性物质为金属氢化物,也称储氢合金(电极称储氢电极)，电解液为6 mol/L氢氧化钾溶液。镍氢电池质量轻、体积小,循环寿命长,可达数千次之多,可靠性强,具有较好的过放电,过充电保护,无记忆效应。镍镉电池是一种直流供电电池,每个单元电池大约是1.2V,采用金属容器全密封的方式,不会出现电解液泄漏现象,故无须补充电解液,可重复500次以上的充放电,经济耐用。其内部抵制力小,可快速充电,又可为负载提供大电流,而且放电时电压变化很小,是一种非常理想的直流供电电池。镍镉电池在充放电过程中如果处理不当,会出现严重的记忆效应,使得服务寿命大大缩短,可在10次左右的充电以后进行一次放电,以达到防止记忆效应的目的。

锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池,大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。

锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料,使用非水电解质溶液的电池。锂金属电池也称一次锂电池,可以连续放电,也可以间歇放电。一旦电能耗尽便不能再用。

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料,使用非水电解质溶液的电池。锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池能量密度大,平均输出电压高,单体电池的工作电压高达3.7~3.8 V,自放电小,没有记忆效应,输出功率大,循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至可达1 000次以上。

GMDSS设备中,EPIRB和SART一般使用一次锂电池,手持双向VHF电话一般使用可充电锂离子电池,如图3-11-6所示。

船员普遍使用的手机、笔记本计算机等也使用可充电锂离子电池。由于锂的化学性质非常活泼,很容易燃烧,因此,在使用以上设备的时候要特别注意安全。不要将使用锂电池的设备靠近热源,尽量不要对电池过充电,不要让电池短路。此外,有些船员习惯将手机放在被子上或者枕头下面充电也是相当危险的。当电池充放电时,电池内部持续升温,活化过程中所产生的气体膨胀,使电池内压加大。当压力达到一定程度时,如果外壳有伤痕,就会破裂,引起漏液、起火,甚至爆炸,极其危险。