基于鋰聚合物電池的航標(biāo)一體能源研究

(交通運(yùn)輸部東海航海保障中心福州航標(biāo)處 福建 福州 350000)

一、現(xiàn)狀、背景

目前航標(biāo)使用的能源組多為鉛酸蓄電池和太陽(yáng)能光板的組合。單個(gè)鉛酸蓄電池容量為80-100AH，重量約為35KG。此類能源組安裝時(shí)，太陽(yáng)能光板放置于光板平臺(tái)上，鉛酸蓄電池放置于特制的電池箱或電池屋內(nèi)，二者通過(guò)長(zhǎng)約2-3M的電纜線連接，布線設(shè)置不合理，同時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)龐大、不便于攜帶，能源裝置的使用壽命也較短，日常的維護(hù)和保養(yǎng)費(fèi)用很高。

具體來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的能源組有如下缺陷：

(1)主能源鉛酸蓄電池重量重，維護(hù)不易。作為主能源，航標(biāo)用蓄電池容量至少要達(dá)到160-200AH，因此需要至少2塊鉛酸蓄電池并聯(lián)。僅2塊鉛酸蓄電池的重量就達(dá)到70KG，給一線航標(biāo)工作者的日常維護(hù)帶來(lái)許多不便。

(2)布線繁瑣。目前航標(biāo)能源組蓄電池與光板距離多為2m左右，因此需要2-3m的電纜線連接，布線需要精心布置，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，此外，電纜線越長(zhǎng)電壓壓降越大，增加了能耗。

(3)由于航標(biāo)環(huán)境的特殊性(多為海上潮濕環(huán)境)，航標(biāo)用鉛酸蓄電池會(huì)發(fā)生爬堿(硫酸鉛硬化)現(xiàn)象，縮短蓄電池使用壽命。

(4)污染環(huán)境。鉛酸蓄電池中含有大量的鉛等重金屬，廢棄后若處置不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。

二、新型航標(biāo)能源組設(shè)計(jì)

(一)能源選擇

鋰電池按組成形式可分為鋰聚合物電池、鋰離子電池等。鋰離子電池的典型代表便有人們常見的18650型鋰電池和26650型鋰電池，鋰聚合物電池是更新一代電池，具有能量密度高、更小型化、超薄化、輕量化，以及高安全性和低成本等多種明顯優(yōu)勢(shì)，是一種新型電池。在形狀上，鋰聚合物電池具有超薄化特征，可以配合各種產(chǎn)品的需要，制作成任何形狀與容量的電池。該類電池可以達(dá)到的最小厚度0.5mm。 相對(duì)于鋰離子電池，鋰聚合物電池的特點(diǎn)如下：(1)無(wú)電池漏液?jiǎn)栴},其電池內(nèi)部不含液態(tài)電解液,使用膠態(tài)的固體。(2)可制成薄型電池：以3.6V400mAh的容量，其厚度可薄至0.5mm。(3)電池可設(shè)計(jì)成多種形狀。(4)電池可彎曲變形：高分子電池最大可彎曲90°左右。(5)可制成單顆高電壓：液態(tài)電解質(zhì)的電池僅能以數(shù)顆電池串聯(lián)得到高電壓,而高分子電池由于本身無(wú)液體，可在單顆內(nèi)做成多層組合來(lái)達(dá)到高電壓。(6)容量將比同樣大小的鋰離子電池高出一倍。基于鋰聚合物電池的上述特性，研究人員決定開展將鋰聚合物電池作為航標(biāo)主能源的嘗試試驗(yàn)。

根據(jù)福建中北部沿海歷年的氣象變化規(guī)律以及行業(yè)相關(guān)規(guī)范，用于福建中北部沿海地區(qū)的航標(biāo)電池應(yīng)滿足25天連續(xù)陰雨天氣的要求。結(jié)合航標(biāo)器材的耗電能耗，以配備有小型航標(biāo)燈器(射程4 n mile)、AIS航標(biāo)以及北斗遙測(cè)終端的航標(biāo)為例，其容量需求為46+48+49=143AH，根據(jù)鋰聚合物電池保留20%容量的特性，該航標(biāo)能源實(shí)際需求容量如下：

143÷0.8=178.75AH。

(二)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，小型航標(biāo)燈器光伏供電多用2塊18V20W的太陽(yáng)能光板并聯(lián)實(shí)現(xiàn)40W的充電輸入。經(jīng)計(jì)算，這種太陽(yáng)能光板的配置能滿足航標(biāo)燈器及蓄電池的日常工作需要。為了利用現(xiàn)有器材更好地開展航標(biāo)一體能源研究，研究人員決定采用常見的18V20W的太陽(yáng)能光板來(lái)整合鋰聚合物電池模塊。

經(jīng)測(cè)量，該太陽(yáng)能光板背面有長(zhǎng)62CM、寬23-25.5CM(兩側(cè)約有2.5CM的遮擋)、厚2.1CM的凹槽空間。根據(jù)航標(biāo)能源178.75AH的容量需求及太陽(yáng)能光板背面的凹槽尺寸，研究人員定制了單片12V容量10AH、長(zhǎng)18.8CM、寬11CM、厚0.6CM的聚合物鋰電池，通過(guò)9片并聯(lián)實(shí)現(xiàn)12V90AH的鋰聚合物電池模塊，該模塊長(zhǎng)37CM、寬18.8CM、厚2.1CM(內(nèi)置充放電保護(hù)單元)。

圖1 12V90AH的鋰聚合物電池模塊

研究人員又設(shè)計(jì)并加工了能源組防水接頭和密封罩殼，放入罩殼內(nèi)的鋰聚合物電池很好地貼合置于20W太陽(yáng)能光板背面凹槽空間，經(jīng)防水、散熱和密封處理，實(shí)現(xiàn)了航標(biāo)一體能源組的設(shè)計(jì)。

圖2 太陽(yáng)能光板背面凹槽及嵌入鋰聚合物電池的太陽(yáng)能光板

三、試驗(yàn)和測(cè)試

(一)水密性測(cè)試

本文行文邏輯結(jié)構(gòu)如下：首先,按照國(guó)內(nèi)氣候政策建制歷程,分階段概括核心內(nèi)容和主要特征,從總體上評(píng)價(jià)中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的成效;其次,具體考察中國(guó)氣候治理的“內(nèi)政外交”,提煉國(guó)內(nèi)氣候治理行動(dòng)亮點(diǎn),剖析氣候外交中的角色變遷,從而客觀認(rèn)識(shí)中國(guó)在全球氣候治理體系中所做的努力和所處的方位;最后,總結(jié)上述氣候政策經(jīng)驗(yàn),為未來(lái)中國(guó)繼續(xù)推進(jìn)應(yīng)對(duì)氣候變化工作提出建議。

研究人員將航標(biāo)一體能源組放入擺管淋雨試驗(yàn)機(jī)模擬雨淋測(cè)試其密封性能，在2個(gè)測(cè)試周期(1個(gè)測(cè)試周期24H)后，測(cè)試的航標(biāo)一體能源組水密性良好，電壓、容量等參數(shù)保持不變。

(二)溫度測(cè)試

研究人員將航標(biāo)一體能源連接航標(biāo)SHD-1型燈器(燈質(zhì)設(shè)置為快閃)放入恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)福建中北部沿海地區(qū)氣溫參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，分別設(shè)置-5℃-52℃兩個(gè)溫度區(qū)間下航標(biāo)一體能源的狀態(tài)。經(jīng)測(cè)試，在52℃下航標(biāo)一體能源連續(xù)運(yùn)行12H后，航標(biāo)一體能源的鋰聚合物電池模塊無(wú)明顯鼓包、膨脹現(xiàn)象。

表2 兩塊測(cè)試一體能源在常溫至50℃和常溫至-10℃的參數(shù)對(duì)比

圖3 恒溫恒濕測(cè)試機(jī)監(jiān)測(cè)界面

經(jīng)測(cè)試，一體能源在-5℃-52℃溫度區(qū)間內(nèi)電壓變化不大，完全能滿足福建中北部沿海地區(qū)航標(biāo)燈器的供電需求

(三)充放電測(cè)試

自2017年5月起，研究人員將一塊航標(biāo)一體能源(含18V20W太陽(yáng)能光板2片并聯(lián)，12V90AH鋰聚合物電池2塊并聯(lián))置于常溫下做充放電測(cè)試，并于2017年6月1日起監(jiān)測(cè)電壓參數(shù)。

圖4 6-10月測(cè)試地區(qū)氣溫圖

圖5 6-10月測(cè)試航標(biāo)一體能源電壓曲線圖

如圖5所示，在6-10月測(cè)試周期內(nèi)，一體能源電壓基本保持穩(wěn)定。

同時(shí)，研究人員將另一塊一體能源接入SHD-1型航標(biāo)燈器，燈質(zhì)設(shè)置為常亮做連續(xù)放電試驗(yàn)(未嵌入太陽(yáng)能光板)。鋰聚合物電池初始電壓為12.06V，測(cè)試20天后，鋰聚合物電池電壓為10.3V，燈器仍處于正常發(fā)光狀態(tài)。由此可得，該一體能源的容量設(shè)計(jì)能滿足實(shí)際所需的連續(xù)陰雨25天使用。

(四)海上測(cè)試

2017年9月起，航標(biāo)一體能源在閩江口水域新豐2號(hào)燈浮、鹽琯燈樁安裝試驗(yàn)，截至目前電壓保持穩(wěn)定，航標(biāo)燈器發(fā)光狀態(tài)良好。

四、使用效果

相對(duì)于以鉛酸蓄電池為主能源的原航標(biāo)能源組，這種基于鋰聚合物電池的航標(biāo)一體能源具有明顯優(yōu)勢(shì)，這些在實(shí)際試驗(yàn)和應(yīng)用中也得到體現(xiàn)，具體而言具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)輕便、編攜、易安裝維護(hù)，提高作業(yè)安全性。航標(biāo)一體能源聚合物鋰電池模塊體積小，重量?jī)H為7.5KG(容量90AH)，且與太陽(yáng)能光板的貼合嵌入靈活，可單獨(dú)更換維護(hù)，方便航標(biāo)一線作業(yè)人員的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，提高海上作業(yè)的安全性。

(2)無(wú)需繁瑣布線，保障航標(biāo)效能發(fā)揮。航標(biāo)一體能源的鋰聚合物電池模塊貼合嵌入于太陽(yáng)能光板背面，因此無(wú)需原來(lái)2-3m的電纜連接和電池箱或電池屋等航標(biāo)器材，在減輕航標(biāo)作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)避免了因連接線路老化、電池箱進(jìn)水等引起的航標(biāo)故障，保障了航標(biāo)效能的發(fā)揮。

(3)節(jié)約成本。雖然相同容量鋰聚合物電池與鉛酸蓄電池價(jià)格相近，但經(jīng)改造后的該能源組節(jié)省了不銹鋼電池箱和專用電池屋，每座航標(biāo)成本約節(jié)省1500元，此外，同等容量的電池，鋰聚合物電池的使用壽命是鉛酸蓄電池的2-3倍。

五、結(jié)束語(yǔ)

基于鋰聚合物電池的航標(biāo)一體能源具有重量輕、安裝方便等特點(diǎn)，在節(jié)約成本的同時(shí)又提高了航標(biāo)海上作業(yè)效率，提升作業(yè)安全性，且各類參數(shù)滿足航標(biāo)工作需求，待進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化后在航海保障領(lǐng)域具有推廣意義。