魚雷動力電池充放電自動操控技術(shù)及其應(yīng)用

李 偉, 孫云春, 鄧 鵬

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魚雷動力電池充放電自動操控技術(shù)及其應(yīng)用

李 偉1, 孫云春2, 鄧 鵬1

(1. 海軍潛艇學(xué)院 導(dǎo)彈兵器系, 山東 青島, 266042; 2. 海軍92132部隊(duì), 山東 青島, 266071)

基于對現(xiàn)有充放電自動操作、控制及檢測技術(shù)的研究, 提出了集自動化、智能化和數(shù)字化為一體的魚雷電池技術(shù)準(zhǔn)備自動操控系統(tǒng)的技術(shù)方案, 闡述了微控制器(MCU)主控部分、信號傳輸部分、功率驅(qū)動及執(zhí)行部分、人機(jī)操控界面、模塊化電源和總體結(jié)構(gòu)布局等各部分的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法, 通過對120塊動力電池串聯(lián)充電過程中參數(shù)異常(如電壓驟變或溫升過快)電池和容量已滿電池的斷電保護(hù)、自動切出和恢復(fù)充電, 實(shí)現(xiàn)魚雷動力電池充放電的全程自動控制, 以及現(xiàn)場無人值守的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。

魚雷電池; 充放電; 自動操控

0 引言

為了節(jié)約經(jīng)費(fèi), 實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用, 電動魚雷在日常訓(xùn)練時(shí)一般使用銀鋅二次電池組作為動力能源[1], 電池組的充放電過程是魚雷技術(shù)保障的重要環(huán)節(jié)之一。

銀鋅電池的充放電采用串聯(lián)恒流方式, 電流范圍30~60 A。每塊電池充滿后的電壓約2 V, 且要求所有單體電池的滿荷電壓相同(誤差范圍內(nèi)), 以保證整體電池組工作時(shí)的放電功率和效能。充電時(shí)正極板上的金屬銀被氧化成氧化銀, 負(fù)極板上的氧化鋅被還原成金屬鋅; 同時(shí), 電池正負(fù)極間的電壓逐漸升高。因此, 可通過測量電壓判斷電池充電的程度, 避免電池的過充和欠充。

1 現(xiàn)有操作存在的問題

在以往的保障陣地魚雷動力電池技術(shù)準(zhǔn)備中, 銀鋅動力電池組的充放電是一個(gè)比較復(fù)雜和繁瑣的過程, 操作人員要監(jiān)控每塊電池的狀態(tài), 發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理, 防止單體電池過充電、過放電等損害現(xiàn)象發(fā)生。

具體來講, 在電池充電過程中, 每間隔一段時(shí)間(1 h以內(nèi)), 需要用萬用表人工檢測每塊單體電池的電壓, 如有超過門限電壓的電池, 需要手動關(guān)掉充電機(jī), 人工把該電池從充電環(huán)節(jié)中拆出, 然后連接好剩余電池, 啟動充電機(jī)繼續(xù)充電。

魚雷一組銀鋅電池組最少包括120塊單體電池, 充電時(shí)對其逐一進(jìn)行定時(shí)電壓檢測, 一次巡回就需要測量120個(gè)電壓數(shù)據(jù), 對每塊電池的電壓數(shù)據(jù)要進(jìn)行登記和判斷。操作中120塊電池的取出需要逐一旋下固定螺帽和配套連接片, 啟動充電機(jī)80~120次。在電池技術(shù)準(zhǔn)備中, 操作員的工作量相當(dāng)大, 對操作員的責(zé)任心有很高要求。

經(jīng)測算, 每準(zhǔn)備1條魚雷的動力電池組, 連接單體電池、控制充電機(jī)通斷、串聯(lián)電路的切換和測量記錄等操作, 總共需要至少150 min。同時(shí), 長時(shí)間的重復(fù)勞動使操作人員的體力精力消耗很大, 極易疲勞, 造成注意力不集中, 產(chǎn)生誤操從而導(dǎo)致事故。

2 國內(nèi)電池充放電技術(shù)分析比較

為解決上述存在問題, 依據(jù)魚雷電池自動操控的需求, 對國內(nèi)具有代表性的幾種電池充放電監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了研究和比較, 試圖從中總結(jié)出最為切實(shí)可行的方法。

2.1 基于MSP430的大容量鉛蓄電池充放電監(jiān)視系統(tǒng)

為了滿足實(shí)際使用中對蓄電池充放電狀態(tài)的適時(shí)監(jiān)視和測量, 該監(jiān)視系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為處理器[2], 整個(gè)測試設(shè)備體積小、成本低、工作可靠穩(wěn)定、使用方便。該監(jiān)視系統(tǒng)采用T1公司的低功耗混合信號處理器MSP430, 充分利用了單片機(jī)片內(nèi)集成的各個(gè)模塊, 極大地減少了外部器件的使用數(shù)量和系統(tǒng)功耗。能夠?qū)︻~定電流為100~1000A的蓄電池進(jìn)行充放電監(jiān)視, 通過外部接口選擇, 處理器自動調(diào)用下位的數(shù)據(jù)表進(jìn)行測試, 同時(shí)在液晶模塊上顯示被測蓄電池的狀態(tài)信息。

2.2 基于RS485總線的蓄電池充放電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要通過下位機(jī)(單片機(jī))將采集到的蓄電池電壓及電流信號經(jīng)處理后發(fā)送給上位機(jī)(PC機(jī)), 再經(jīng)可視化的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)充放電的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示和控制?？紤]到該系統(tǒng)要具有較強(qiáng)抗干擾能力, 傳輸距離長、工程布線簡單、適合擴(kuò)展、便于控制的特點(diǎn), 故采用RS 485總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸[3]。

2.3 基于PLC的智能型蓄電池充放電機(jī)

該設(shè)備實(shí)現(xiàn)恒流與恒壓相結(jié)合的充電控制過程[4]。在恒流放電時(shí), 采用有源逆變, 把電能回饋給電網(wǎng), 同時(shí), 對電池電壓進(jìn)行檢測, 如果電池電壓小于設(shè)定電壓, 將予以報(bào)警。

工作時(shí), 由電壓及電流傳感器測得充放電過程的電壓和電流信號, 信號濾波后, 被可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)周期采樣。按照設(shè)定的程序, 分段進(jìn)行充放電, 無需人工干預(yù)而自動完成。測量的電流、電壓信號, 是帶有紋波的直流, 經(jīng)過二型濾波器濾波, 進(jìn)入PLC作為比例積分微分(proportion integration differentiation, PID)模糊控制的輸入量。

2.4 基于MC68HC單片機(jī)的蓄電池充放電綜合控制設(shè)備

該綜合控制設(shè)備以MC68HC908SR12微控制器為控制核心, 采用現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)輔助控制設(shè)計(jì)。主要包括電源電路、恒流恒壓充電控制單元、平衡放電控制單元、中央控制單元、FPGA輔助控制單元、溫度檢測電路和人機(jī)接口電路等。該設(shè)備主要針對軍事應(yīng)用中一些不斷電設(shè)備耗能較大、普遍采用蓄電池串聯(lián)供電的情況而設(shè)計(jì)[5-6]。在設(shè)計(jì)過程中著重考慮蓄電池的平衡特性, 以提高串聯(lián)蓄電池組的供電效率, 延長其使用壽命。

綜上所述, 通過對電池充放電測量、控制領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行分析比較, 找出適用于串聯(lián)式充放電電路的軟硬件設(shè)計(jì)方法, 實(shí)現(xiàn)魚雷動力電池充放電操作過程的自動化, 包括參數(shù)測量、參數(shù)記錄管理、充電機(jī)控制和單體電池轉(zhuǎn)接等的自動化和智能化[7], 大幅度縮短人工操作時(shí)間, 大大降低勞動強(qiáng)度, 顯著提高工作效率, 以提高魚雷技術(shù)準(zhǔn)備的科學(xué)性和安全性。

3 充放電自動操控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

魚雷電池充放電自動操控系統(tǒng)原理組成見圖1。

該系統(tǒng)以微控制器(micro control unit, MCU)為現(xiàn)場控制核心和數(shù)據(jù)處理中心, 配以電壓循環(huán)采集、溫度傳感器和電流互感模塊, 通過控制信號繼電器的對應(yīng)通斷, 自動采集(巡檢)正在串聯(lián)充電的電池組(≥120塊)的單體電壓、充電電流和電池(接線柱)溫度等技術(shù)參數(shù), 在液晶顯示器上循環(huán)顯示測量數(shù)據(jù), 并有120個(gè)充電狀態(tài)指示燈顯示所對應(yīng)的每塊電池的當(dāng)前狀態(tài)(正在充電還是停止充電)。一旦某塊電池的電壓達(dá)到預(yù)定門限(飽和電壓)時(shí), MCU經(jīng)綜合信號處理, 觸發(fā)聲光報(bào)警, 同時(shí)向充電機(jī)發(fā)出信號以暫停充電, 然后通過驅(qū)動板向電池電路切換裝置發(fā)出指令, 操控系統(tǒng)的磁保持繼電回路自動執(zhí)行將該電池從充電電路切出及充電回路的重新自動聯(lián)通。監(jiān)控中心確認(rèn)切換完成后發(fā)出取消充電機(jī)暫停信號并關(guān)閉光電報(bào)警, 繼續(xù)充電過程。該系統(tǒng)除具備現(xiàn)場控制功能外, MCU還可以作為下位機(jī), 通過網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程PC(上位機(jī))的數(shù)據(jù)傳輸與交換, 達(dá)到非現(xiàn)場的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控效果。所有數(shù)據(jù)可以及時(shí)輸出或打印, 便于技術(shù)管理和故障分析。

圖1 系統(tǒng)組成原理框圖

4 充放電自動操控系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

該自動操控系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要分為MCU主控部分、信號傳輸部分、功率驅(qū)動及執(zhí)行部分、人機(jī)操控界面、模塊化電源和總體結(jié)構(gòu)布局等六大部分。

4.1 MCU主控部分

系統(tǒng)對MCU的要求: 工作穩(wěn)定、可靠, 具有AD采樣功能(8位以上)及標(biāo)準(zhǔn)UART口以便與PC上位機(jī)通信, 有足夠的I/O口及編程資源保障。

本系統(tǒng)采用MC68HC908AB32(64)微控制器作為主控核心, 具有速度快、功能強(qiáng)、抗干擾、功耗低以及自帶閃存、監(jiān)控、鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)。MCU負(fù)責(zé)完成定時(shí)發(fā)出巡檢指令, 接收送來的電池電壓并根據(jù)工作方式作出判斷, 適時(shí)輸出充電機(jī)暫停及重啟指令和聲光報(bào)警及撤銷指令, 輸出充放電回路繼電器切換指令, 輸出單體電池離線顯示指令等任務(wù)。圖2為系統(tǒng)工作主流程。

圖2 系統(tǒng)工作主流程

由于需要控制的繼電器數(shù)量繁多, 設(shè)計(jì)上采用4套互相關(guān)聯(lián)的電路陣列組成聯(lián)合控制中心。每套電路中采用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電池端電壓采樣, 運(yùn)算控制采用數(shù)字信號處理器芯片, 輸出采用大規(guī)模邏輯芯片。

4.2 信號傳輸部分

控制信號的傳輸采用串行移位寄存器級聯(lián)方式, 其優(yōu)點(diǎn)是每塊驅(qū)動板沒有先后之分, 前后可互換, 電路簡捷。每塊板標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動控制接口為16路, 板間信號傳輸僅3條線, 配線簡單可靠。控制信號傳輸框圖如圖3所示。

圖3 控制信號傳輸框圖

4.3 功率驅(qū)動及繼電執(zhí)行部分

主要包括16塊繼電器I/O板, 每塊板上面布置有16個(gè)功率繼電器, 可以監(jiān)控8塊電池的技術(shù)狀態(tài)。這樣120塊電池需要15塊I/O板。設(shè)計(jì)控制總線位為10位。

由移位寄存器輸出的控制信號經(jīng)過光耦隔離后, 再由驅(qū)動電路直接驅(qū)動大功率電力繼電器, 執(zhí)行電池的投切控制。這部分的設(shè)計(jì)要求運(yùn)行動作可靠﹑安全, 能夠較好地應(yīng)對電路運(yùn)行的突發(fā)事件。因此, 大功率電力繼電器作為切換開關(guān)是理想的選擇。本電路設(shè)計(jì)中采用帶載切換能力60 A、動作時(shí)間≤10 ms、最大切換功率15 kWA的磁保持繼電器實(shí)現(xiàn)互鎖控制。驅(qū)動單元電路如圖4所示。磁保持繼電器是近幾年發(fā)展起來的一種高可靠性自動開關(guān)繼電器。其優(yōu)勢在于: 繼電器的常閉或常開狀態(tài)完全是依賴永久磁鋼的作用, 狀態(tài)轉(zhuǎn)換是靠一定寬度的脈沖電信號觸發(fā)而完成, 一般干擾無法使其誤動。

圖4 驅(qū)動單元電路框圖

4.4 人機(jī)操控界面和上位機(jī)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場人機(jī)操控界面(下位機(jī))部分完成液晶顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)、按鍵設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及120個(gè)指示燈顯示蓄電池是否離線等功能。

上位機(jī)采用加固式筆記本電腦, 除了具備現(xiàn)場人機(jī)液晶界面的功能外, 還具備數(shù)據(jù)存儲、分析和遠(yuǎn)程在線監(jiān)控功能。上位機(jī)頁面設(shè)計(jì)見圖5。上位機(jī)與下位機(jī)的通信采用“數(shù)據(jù)終端設(shè)備(data terminal equipment,DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(data communications equipment,DCE)之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”RS-232-C[8-9], 這是目前工業(yè)控制局域通信中最常用的串行通信接口。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控界面

上位機(jī)軟件開發(fā)采用由Borland公司推出的全新Delphi可視化編程環(huán)境, 是方便快捷的Microsoft Windows應(yīng)用程序開發(fā)工具。采用面向?qū)ο蟪绦蛘Z言(object-oriented language, OOL)、快速編譯器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

4.5 總體結(jié)構(gòu)及引線設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)總體呈長方柜體結(jié)構(gòu), 底部裝有滾輪易于移動。側(cè)面采用模塊設(shè)計(jì)的收放線結(jié)構(gòu), 將120路接線分成6個(gè)相對獨(dú)立的門式開啟輸出通道組合, 當(dāng)240根電線同時(shí)引出后可避免纏繞混亂, 方便接插和梳理。 操控系統(tǒng)(機(jī)柜)的外形設(shè)計(jì)和內(nèi)部電路布局結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 自動操控系統(tǒng)外形及內(nèi)部電路布局結(jié)構(gòu)

4.6 供電電源部分

自動操控系統(tǒng)內(nèi)部供電全部采用直流低壓供電方案, 電源分5VDC和24VDC兩路, 5VDC用于主控部分供電, 24VDC用于驅(qū)動部分供電, 且3個(gè)開關(guān)電源分別獨(dú)立供電。由于機(jī)柜內(nèi)無強(qiáng)交流電參與工作, 有效切斷了強(qiáng)電干擾的耦合途徑, 同時(shí), 切換開關(guān)采用低壓直流繼電器, 取消了大量的柜內(nèi)強(qiáng)電圍繞布線, 進(jìn)一步優(yōu)化了整機(jī)工作的電磁兼容性, 顯著提高了可靠性。

5 結(jié)論

本文提出的集自動化、智能化和數(shù)字化為一體的魚雷電池技術(shù)準(zhǔn)備自動操控系統(tǒng)技術(shù)設(shè)想, 在以下方面進(jìn)行了探索, 并通過工程研發(fā), 驗(yàn)證了可行性。

1) 全流程防異常單步自檢

在整個(gè)充電過程中, 每次繼電器的狀態(tài)切換前都由監(jiān)控中心發(fā)出指令, 對所有繼電器及電池狀態(tài)進(jìn)行自檢, 確認(rèn)全部電路正常后再啟動切換, 保證無電火花沖擊的空載切換。一旦發(fā)現(xiàn)電路異常即自動切斷充電機(jī)電源, 并顯示故障位置, 保證電池切換時(shí)的絕對安全。

2) 全電路單元級短路保護(hù)

為了實(shí)現(xiàn)多達(dá)120塊電池切換單元電路的觸點(diǎn)安全保護(hù), 避免異常情況下電池短路時(shí)瞬間電流劇增對電路的沖擊和破壞, 在每個(gè)單元電池的回路中加裝RC吸收保護(hù), 以應(yīng)對突發(fā)事件(帶載切換), 同時(shí)每塊電池回路加裝單極快熔保險(xiǎn)器(40 A), 實(shí)現(xiàn)一對一安全監(jiān)控。

3) 防短路可互鎖磁保持控制

使反復(fù)性頻繁繼電切換具有良好的斷電延續(xù)性和防短路互鎖性, 安全可靠。而且與使用交流接觸器相比, 該繼電器具有耗電少(約1 W)、干擾低、動作迅速和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

4) 信號與驅(qū)動全隔離

將信號控制與驅(qū)動電源完全隔離, 消除了交變電磁場干擾, 繼電器吸合線圈加續(xù)流保護(hù), 避免誤動作, 抗干擾能力強(qiáng)。

另外, 本系統(tǒng)保留了現(xiàn)有魚雷充電機(jī)的設(shè)備體系, 從節(jié)約研制成本和保證部隊(duì)操作延續(xù)性等方面考慮, 沒有對充電機(jī)本身進(jìn)行改進(jìn), 而是針對技術(shù)準(zhǔn)備中工作量最大的人工操作部分進(jìn)行全面改進(jìn)和提高, 經(jīng)部隊(duì)多年使用效果良好。

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Automatic Manipulation Technique of Charge and Discharge for Torpedo Power Battery

LI Wei1, SUN Yun-chun2, DENG Peng1

(1. Department of Missile and Weaponry Engineering, Navy Submarine Academy, Qingdao 266042, China; 2.92132thUnit, The People′s Liberation Army of China, Qingdao 266012, China)

Based on the analysis on existing automatic operation, control and detection technique of charge and discharge of torpedo power battery, a scheme of novel automatic manipulation system for charge and discharge of torpedo power battery is presented. The designs and implementation methods of the master control part, the signal transmission part, the power drive and execution part, the man-machine control interface, and the modularized power supply, as well as the overall structure and layout of the micro control unit (MCU), are explained. The charging process of 120 batteries in series shows that the system can realize the functions of overall automatic control, unmanned online remote monitoring of torpedo power battery charge and discharge with power-off protection, and automatic charge cut-off or recovery in the cases of abnormal parameters (such as sudden change of voltage or over-fast rise of temperature) and full capacity.

torpedo battery; charge and discharge; automatic manipulation

TJ631.2; TJ630.32

A

1673-1948(2013)04-0282-05

2013-03-23;

2013-05-17.

李 偉(1967-), 男, 副教授, 博士, 研究方向?yàn)闈撚梦淦髯鲬?zhàn)使用及保障.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)