海上測(cè)量設(shè)備電源自動(dòng)保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

（91550部隊(duì) 大連 116023）

1 引言

在海上試驗(yàn)中，無(wú)人值守測(cè)量船上加載諸多測(cè)量設(shè)備，其供電都是由蓄電池來(lái)完成。但是在冬季，環(huán)境溫度較低導(dǎo)致蓄電池低溫?fù)p耗十分嚴(yán)重，相關(guān)研究表明［1～10］，鋰電池在0℃放電容量為常溫下的80．2%，-10℃只有常溫下的66．4%，而-20℃時(shí)僅有44．1%；對(duì)于鉛酸蓄電池而言，在當(dāng)環(huán)境溫度降低到-20℃時(shí)，容量降低了約60%，而對(duì)于鉛酸蓄電池而言，也具有類似的特性。這就導(dǎo)致，在一些惡劣的條件下，測(cè)量設(shè)備供電不足，不能滿足試驗(yàn)需求。解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方式：1）增加蓄電池的數(shù)量或容量；2）對(duì)蓄電池進(jìn)行保溫。由于測(cè)量船上空間有限，增加蓄電池的數(shù)量或是改用大容量蓄電池，不滿足設(shè)備安裝條件，只能對(duì)蓄電池采取保溫措施。為此，本文設(shè)計(jì)一種電源自動(dòng)保溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)試驗(yàn)需求和外界環(huán)境進(jìn)行溫度設(shè)置，使測(cè)量設(shè)備電源的溫度保持恒定，進(jìn)而降低蓄電池的低溫?fù)p耗。

本文首先對(duì)蓄電池的低溫特性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上計(jì)算測(cè)量設(shè)備電源所需加熱模塊的功率，最后提出自動(dòng)保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

2 蓄電池低溫特性分析

對(duì)于不同種類、不同型號(hào)的蓄電池而言，其低溫特性也不盡相同。文獻(xiàn)［2］對(duì)磷酸鐵鋰電池的溫度特性進(jìn)行分析，其結(jié)論如圖1所示。文獻(xiàn)［3］對(duì)閥控密封鉛酸蓄電池的溫度特性進(jìn)行分析，其結(jié)論如表1所示。

圖1 電池容量隨環(huán)境溫度的變化

表1 環(huán)境溫度與放電容量的關(guān)系

對(duì)于測(cè)量船上最常用的鉛酸蓄電池而言，當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，電解液粘度增大，擴(kuò)散速度減慢，電阻增大，離子的運(yùn)動(dòng)受到較大的阻力，電化學(xué)反應(yīng)速度大為減慢，所以蓄電池的容量低。特別是在-50℃時(shí)電解液的粘度約為常溫時(shí)粘度的30倍，因而電阻隨溫度的降低而明顯地增加。蓄電池的容量與溫度的關(guān)系可用如下經(jīng)驗(yàn)公式表示：

式中：Ct1，Ct2分別為t1℃，t2℃時(shí)的容量；t1，t2分別為電解液的溫度；K為溫度修正系數(shù)，一般取0．006～0．008之間。

圖2 鉛酸蓄電池容量與溫度的關(guān)系圖

因此，在溫度允許的范圍內(nèi)，同一蓄電池溫度高，蓄電池所能放出的電量就大，其荷電狀態(tài)就大；反之，溫度低，蓄電池所能放出的電量就小，荷電狀態(tài)也就小。根據(jù)應(yīng)驗(yàn)公式可得到一個(gè)粗略的蓄電池容量與溫度的關(guān)系，如下圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度降低到-20℃時(shí)，電池容量降低至60%左右，當(dāng)環(huán)境溫度降低到-30℃時(shí)，電池容量降低至50%左右，當(dāng)環(huán)境溫度為5℃時(shí)，電池容量降低至20%左右。

綜上所述，雖然對(duì)于不同型號(hào)、種類的蓄電池而言，環(huán)境溫度對(duì)其容量的影響各不相同，但大體上，隨著環(huán)境溫度的降低，蓄電池容量急劇下降，當(dāng)環(huán)境溫度降低到-20℃時(shí)，電池容量?jī)H為標(biāo)稱容量的55%～60%左右，當(dāng)環(huán)境溫度降低到-30℃時(shí)，電池容量?jī)H為標(biāo)稱容量的45%～55%左右，因此，為更好地保障試驗(yàn)任務(wù)，有必要對(duì)測(cè)量設(shè)備電源采取必要的加熱措施。

3 加熱模塊功率計(jì)算

為了近可能減小低溫環(huán)境對(duì)蓄電池容量帶來(lái)的影響，本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)溫控加熱模塊對(duì)測(cè)量設(shè)備電池箱進(jìn)行加熱，使測(cè)量設(shè)備電池始終工作在較為適宜的溫度下。這就帶來(lái)一個(gè)疑問(wèn)，用于加熱所消耗的蓄電池電量是否會(huì)大于蓄電池低溫?fù)p耗，如果大于，則加熱沒(méi)有任何實(shí)際意義；如果小于，那么加熱所損耗的電量到底是多少。為此，本文對(duì)不同測(cè)量設(shè)備電源所需加熱模塊的功率進(jìn)行計(jì)算。

加熱模塊的最低功率應(yīng)大于電池箱向外界傳播熱量所造成的熱量損失。決定熱量損失的主要因素有：電池箱保溫材料的熱傳導(dǎo)率、電池箱的表面積、電池箱內(nèi)部與外界的溫度差以及保溫材料的厚度，具體計(jì)算公式如下

式中，Q為熱量，K為保溫材料的熱導(dǎo)率，A為電池箱的表面積，ΔT為電池箱內(nèi)部與外界的溫度差，d為保溫材料的厚度。因此，在電池箱體表面積一定時(shí)，所需加熱模塊的功率和保溫材料與內(nèi)外溫度差有關(guān)?？紤]到測(cè)量設(shè)備供電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)留有一定的余量，為此，本文計(jì)算時(shí)，假定環(huán)境溫度為-20℃，電池箱內(nèi)應(yīng)保持的恒定溫度為5℃，保溫材料厚度5cm。

不同保溫材料的熱導(dǎo)率各不相同，具體如表2所示；而根據(jù)式（2）所計(jì)算的，對(duì)于不同電池箱表面積及不同保溫材料，所需加熱模塊的最小功率如表3所示。

表2 不同材料的熱導(dǎo)率

表3 加熱模塊功率計(jì)算結(jié)果

為此，在實(shí)際使用中，可根據(jù)電池保溫箱的大小來(lái)選擇加熱模塊的功率，對(duì)于12V65AH 的鉛酸蓄電池而言，采用30w 的加熱模塊，工作2h 所消耗的電量為電池容量的7．6%。對(duì)于大多測(cè)量設(shè)備而言，供電電池箱的表面積都小于1m2，在利用聚氨酯發(fā)泡膠作為保溫材料時(shí)，采用12w 的加熱模塊即可滿足箱體保溫的要求，這時(shí)加熱模塊工作1h所消耗的電量?jī)H僅為電池容量的1．5%，而在-20℃與5℃時(shí)，電池容量分別為標(biāo)稱容量的60%和80%，因此，采用保溫系統(tǒng)后，可節(jié)省18．5%的電池容量。同時(shí)，本文并未考慮蓄電池自放熱的問(wèn)題，因此，加熱模塊的實(shí)際功率會(huì)更低，也更加節(jié)約電量。

4 自動(dòng)保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)保溫系統(tǒng)主要由單片機(jī)、溫度采集電路和加熱模塊電路三部分組成。單片機(jī)用于完成溫度設(shè)計(jì)及加熱模塊電源開關(guān)的控制；溫度采集電路用于完成電池箱環(huán)境溫度的采集；加熱模塊用于完成電池箱恒溫保持的工作。

4．1 單片機(jī)的選擇

本文選用ATMEL 公司的8 位系列單片機(jī)Atmega64作為自動(dòng)保溫系統(tǒng)的控制中樞，用于完成保溫溫度的設(shè)定及加熱模塊電源開關(guān)的控制等工作。Atmega64 單片機(jī)是ATMEL 公司的8 位系列單片機(jī)中最高配置的一款單片機(jī)，應(yīng)用極其廣泛主要特性如下：

· 高性能、低功耗的AVR 8 位微處理器；先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，133條指令大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成；32x8通用工作寄存器＋外設(shè)控制寄存器全靜態(tài)工作，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，64K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash；具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)，通過(guò)片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的讀-修改-寫操作，4K 字節(jié)的EEPROM。

· 外設(shè)特點(diǎn)

兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器；兩路8位PWM；6路分辨率可編程（2～16位）的PWM；輸出比較調(diào)制器；8路10位ADC；兩個(gè)可編程的串行USART；可工作于主機(jī)／從機(jī)模式的SPI串行接口；具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。

· 工作電壓：2．7V～5．5V Atmega64L；4．5V～5．5V Atmega64。

· 速度等級(jí)：0MHz～8MHz Atmega64L；0MHz～16MHz Atmega64。

4．2 溫度采集電路的設(shè)計(jì)

溫度采集電路如圖3所示。

圖3 溫度采集電路設(shè)計(jì)

圖中J2是溫度傳感器輸入接口，經(jīng)R27耦合后送入U(xiǎn)9的第二個(gè)集成運(yùn)算放大器U9B，U9B設(shè)計(jì)成同相比率放大電路，放大倍數(shù)為2，溫度傳感器使用LM35，其輸出電壓與攝氏溫度成比例，溫度每變化1℃，電壓輸出變化10mV。圖中J2采用0V～＋5V 供電，因此0℃輸出電壓為0mV，25℃輸出電壓為250mV，100℃輸出電壓為1V，由于參考電壓是2．56V，因此放大兩倍使得100℃輸出電壓為2V 接近2．56V，測(cè)量溫度的量程略以大于100℃。溫度傳感器輸出電壓經(jīng)2倍放大后，由電阻R2耦合送入單片機(jī)的ADC2進(jìn)行A／D 變換，并由TEMP腳送入單片機(jī)，以完成環(huán)境溫度的采集。

4．3 加熱模塊電路設(shè)計(jì)

加熱模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 加熱模塊電路設(shè)計(jì)

圖4中的Q3、R32、R35、D3和JDQ3構(gòu)成加熱電路，當(dāng)單片機(jī)測(cè)得的電池溫度小于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制PC3輸出低電平，驅(qū)動(dòng)光耦使得電器標(biāo)號(hào)JDQ3與12V 電壓相連，NPN 三極管Q3導(dǎo)通，繼電器3 吸合，輸入電壓VIN2通過(guò)端子J4 輸出到加熱體上，加熱體工作加溫；當(dāng)單片機(jī)測(cè)得的電池溫度大于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制PC3 輸出高電平，使得電器標(biāo)號(hào)JDQ3與12V 電壓斷開，NPN 三極管Q3 截止，繼電器3 放開，加熱體停止加溫。加熱體加熱狀態(tài)通過(guò)R45、VR2 和C29 反饋到單片機(jī)的PD5 進(jìn)行探測(cè)，加熱體工作時(shí)，調(diào)節(jié)VR2使得對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的電器標(biāo)號(hào)THOT 電壓為4．5V左右。

5 結(jié)語(yǔ)

為解決無(wú)人測(cè)量船的測(cè)量設(shè)備供電蓄電池容量低溫衰減嚴(yán)重的問(wèn)題，本文在分析蓄電池低溫特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種利用單片機(jī)控制的電池箱自動(dòng)保溫系統(tǒng)，并分析不同電池箱采用不同保溫材料所需的加熱模塊的功率。實(shí)際使用結(jié)果表明，自動(dòng)保溫系統(tǒng)可有效延長(zhǎng)無(wú)人測(cè)量船上多型測(cè)量設(shè)備使用時(shí)間，平均延長(zhǎng)30%左右，為試驗(yàn)任務(wù)的完成做出較大貢獻(xiàn)。

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