浅谈锂电池在浮标能源系统上的使用
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摘 要：近年来，航标上使用锂电池作为能源系统的储存单元正在得到应用，并有逐渐取代传统铅酸电池的趋势。广州航标处近年认真对锂电池进行应用性研究，在航标上进行推广，特别在岸标上得到广泛应用，也逐渐尝试在浮标上应用，所以在采购锂电池方面也在逐年增加，本文以阳江海域浮标维护管理上应用锂电池过程中进行试验和应用，提出锂电池在浮标能源系统上使用过程中一些意见。
关键词：航标 浮标 能源系统 锂电池
1.前言
锂电池在广州航标处的使用已经有6年了，刚开始主要在岸标上得到推广，浮标上使用一度被否定而放弃，原因是岸标存放环境和条件比较好，浮标由于受海水侵蚀容易使锂电池发生故障，广州航标处曾经在不同海域的浮标上试用锂电池，都发生过电池着火、电池进水等等故障，分析原因主要是锂电池内部进水或被海水腐蚀造成锂电池短路而故障。从2017年开始阳江航标管理站分别在阳江港M1号灯浮、阳江港M2号灯浮上使用锂电池并进行长期跟踪试验，得到锂电池在浮标上应用是可行的。本文主要是针对锂电池在浮标上使用如何有效保护的进行探讨，延长锂电池在浮标上的使用寿命。
2.广州航标处应用锂电池情况
广州航标处应该是2013年开始在航标上应用锂电池，应用范围控制在个别航标管理站管辖水域的岸标和浮标上，属于试验性质，经反馈岸标使用比较正常，浮标使用问题比较多，主要原因是浮标经常摇摆，锂电池比较轻，并且锂电池内部不密封，容易进水发生故障。因此，之后几年广州航标处锂电池主要是岸标上使用比较多，浮标还是延用铅酸电池比较多。
3.阳江航标管理站应用锂电池的情况
阳江航标管理站也是在2013年使用锂电池，当时主要用于替换部分岸标的2V500Ah铅酸电池组，分别在黄茅头灯桩、下川角咀灯桩、下鸡罩山灯桩使用锂电池，一直至今，这几座灯桩的锂电池运行状态都非常稳定。至2019年，阳江航标管理站已经在辖区所有岸标上推广使用锂电池作为能源储存单元，所有岸标上应使用的锂电池的运行状态也是非常稳定的。而在浮标上应用锂电池，阳江航标管理站也作了尝试，曾经在阳西电厂16号灯浮上使用，但也出现锂电池因受潮短路而发生故障现象。
从几个航标站应用锂电池的情况可以看出，岸标因锂电池存放在室内使用，不会受风雨、海水等外来因素的影响，所以使用一直非常稳定，浮标因受风雨、海水等外来因素的影响，容易发生故障。
4.锂电池在浮标上试验情况
2017年4月18日，阳江航标管理站分别在阳江港M1、M2号灯浮试验锂电池。主要做法是在阳江港M1号灯浮使用12V10Ah锂电池，在阳江港M2号灯浮使用14.6V20Ah锂电池。M1号灯浮的锂电池使用锂离子18650电芯，充电终止电压12.6V，放电终止电压8.4V;M2号灯浮的锂电池使用聚合物锂电，充电终止电压为16.8V，放电终止电压为12.8V。以上两个锂电池分别安装在旭创LED灯器里，旭创LED灯器使用密封圈外围专利暗室设计，具特别防水能力，效果可比IP67等级。2座灯浮标都是使用2块20W太阳能硅板进行充电。从2019年9月1日的数据分析，阳江港M1号灯浮工作电流是0.48A，工作电压是11.388～12.012V，充电时间3小时就能够充满;阳江港M2号灯浮工作电流是0.152A，工作电压是16.146～16.38V，充电时间也大概在3小时内充满。从数据分析得，阳江港M1号灯浮在不充电情况下可续航4天，阳江港M2号灯浮可续使用8天，经过2年多的监测，此2座灯器的锂电池因容量比较小，基本每天都能够充满电，所以就算续航能力比较弱，也保证灯器能源的供给。
至2019年10月25日2座试验性的灯器一直正常运行，2块锂电池都没有出现过充过放现象，灯器发光正常。近日因广州航标处推广北斗灯器而被替换下来，一共在海上测试了2年半，已经比铅酸电池的寿命长，一般铅酸电池寿命是一定的，充电次数通常为300～500次，可使用2年左右，而锂电池正常循环充放电次数大约在500～800次，质量好的超过1000次，大概可以使用3～8年，而现时在岸标上使用的锂电池已经超过5年了。由此可以判断，在浮标上使用锂电池只要固定并密封性好，确保锂电池不受外来外因影响而损坏是值得推广的。
5.关于在浮标上应用锂电池的几点建议
（1）存放锂电池的地方应是密封性强的电池箱或锂电池外壳水密性足够强。一块12V左右的锂电池是由几块3.7或3.2V的锂电池串并联组成的，里面有充放电保护板和线路，因此如果受水侵入就会引起短路而出现着火或爆炸现象。解决此问题主要从两方面着手，一是要求锂电池厂家生产锂电池时使用的外壳防护要达到IP67等级，这样才满足对锂电池的保护;二是要航标处对电池箱在密封性方面进行改进，以起到保护锂电池，不让水侵入，同时做好锂电池的固定，保证锂电池不随浮标摇摆而磨擦使锂电池外壳受损，影响锂电池寿命。
（2）锂电池材料的选择。从在阳江港M1、M2号灯浮试用的2种材料来看，所有材料的锂电池都是可以应用于航标上的，从现时市面上一般常见有锂离子电池、聚合物锂电池和磷酸铁锂电池等，但从安全性看锂离子电池活性强，短路后常发生着火现象，而聚合物和磷酸铁锂电池则不存在着火现象，所以在选择锂电池材料时建议选取聚合物或磷酸铁锂电池作为储存单元比较合适。
（3）锂电池电压的选择。对一般电压范围在9～24V的航标灯，锂电池电压应选择12.8V以上的电池组才能满足航标灯的电压要求，一块3.2V三元锂电池最低放电压限制在2.5V，一块3.7V铁锂电池最低放电压限制在2.8V，12.8V的锂电池组最低放电电压为10V，刚好满足对航标灯浮需求，所以航标灯选用的锂电池组建议采用四串的电池组组成锂电池比较合适。
（4）延长锂电池寿命的方法。在网上看到关于锂离子电池充放电循环的实验表，循环寿命的数据列出如下：循环寿命（10%DOD）：>1000次;循环寿命（100%DOD）：>200次。可见，充电次数和放电深度有关，10%DOD时循环寿命要比100%DOD的要长很多。而从广州航标处岸标上使用的锂电池实际情况也得到相似的验证，黄茅头灯桩上使用2块并联的12V100Ah锂电池、3块80W太阳能硅板充电，灯器使用的是ML-300LED灯器，放电电流为1.6A，灯质为闪3白9秒（0.3+1+0.3+1+0.3+6.1），灯器每日平均工作时间（H）为13小时，则灯器每日耗电量（S）=L/（L+D）×H×f×w÷v=0.9/9×13×1×1.6×12÷12=2.08Ah，该灯桩的灯器每日的消耗都小于锂电池容量的10%放电深度，而现在该灯桩的2块锂电池从2013年5月份至今使用了5年多了，充电次数超过1800次。由此可以验证，要让锂电池寿命延长，每日的耗电量尽量小于电池放电深度的10%，所以太阳能硅板要尽量充足，保证锂电池每日充电需求。
（5）锂电池维护保养。广州航标处2017年共采购12V锂电池100块、一体化灯器50盏（使用锂电池）;2018年共采购12V锂电池110块、一体化灯器90盏（使用锂电池）;2019年共采购12V锂电池50块、一体化灯器238盏（使用锂电池）。可以看出，广州航标处在使用锂电池方面是逐年上升，并且更趋向采购一体化灯器，以更好地保护锂电池。锂电池一般放置一段时间后则进入休眠状态，容量低于正常值，所以在使用前一定要进行充电激活，由于锂电池本身没有记忆效应，所以只要经过3-5次正常的充放电循环就可激活电池，恢复正常容量。对于库存比较久的锂电池，建议每3个月进行一次充放电操作，放电深度不要超过10%为宜。
6.结束语
锂电池一般比铅酸电池具有寿命长、消耗慢、重量轻、体积相对较小等优点。随着科技的进步，对锂电池的研究也越来越深入，锂电池的寿命将越来越长，而且锂电池的生产成本也越来越低，替代铅酸电池在航标上的使用也将是未来的趋势。本文总结了阳江航标管理站在锂电池使用中的一些经验，希望值此对日后为航标灯配置合适锂电池为所帮助，对改进航标电池箱有所启发，建议以后浮标上安装一体化灯器为主，它集成了太阳能硅板、灯器、锂电池于一体，起到了有效保护锂电池的作用，簡化航标工现场安装，而且维护保养也比较简单，直接拿到有阳光的地方“晒一晒”就可以了。
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