魚雷動力電池充放電自動操控技術及其應用

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及其應用

李 偉1, 孫云春2, 鄧 鵬1

(1. 海軍潛艇學院 導彈兵器系, 山東 青島, 266042; 2. 海軍92132部隊, 山東 青島, 266071)

基于對現有充放電自動操作、控制及檢測技術的研究, 提出了集自動化、智能化和數字化為一體的魚雷電池技術準備自動操控系統的技術方案, 闡述了微控制器(MCU)主控部分、信號傳輸部分、功率驅動及執行部分、人機操控界面、模塊化電源和總體結構布局等各部分的設計及實現方法, 通過對120塊動力電池串聯充電過程中參數異常(如電壓驟變或溫升過快)電池和容量已滿電池的斷電保護、自動切出和恢復充電, 實現魚雷動力電池充放電的全程自動控制, 以及現場無人值守的遠程在線監控。

魚雷電池; 充放電; 自動操控

0 引言

為了節約經費, 實現重復利用, 電動魚雷在日常訓練時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保障的重要環節之一。

銀鋅電池的充放電采用串聯恒流方式, 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), 以保證整體電池組工作時的放電功率和效能。充電時正極板上的金屬銀被氧化成氧化銀, 負極板上的氧化鋅被還原成金屬鋅; 同時, 電池正負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 現有操作存在的問題

在以往的保障陣地魚雷動力電池技術準備中, 銀鋅動力電池組的充放電是一個比較復雜和繁瑣的過程, 操作人員要監控每塊電池的狀態, 發現異常及時處理, 防止單體電池過充電、過放電等損害現象發生。

具體來講, 在電池充電過程中, 每間隔一段時間(1 h以內), 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, 需要手動關掉充電機, 人工把該電池從充電環節中拆出, 然后連接好剩余電池, 啟動充電機繼續充電。

魚雷一組銀鋅電池組最少包括120塊單體電池, 充電時對其逐一進行定時電壓檢測, 一次巡回就需要測量120個電壓數據, 對每塊電池的電壓數據要進行登記和判斷。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80~120次。在電池技術準備中, 操作員的工作量相當大, 對操作員的責任心有很高要求。

經測算, 每準備1條魚雷的動力電池組, 連接單體電池、控制充電機通斷、串聯電路的切換和測量記錄等操作, 總共需要至少150 min。同時, 長時間的重復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, 產生誤操從而導致事故。

2 國內電池充放電技術分析比較

為解決上述存在問題, 依據魚雷電池自動操控的需求, 對國內具有代表性的幾種電池充放電監控技術進行了研究和比較, 試圖從中總結出最為切實可行的方法。

2.1 基于MSP430的大容量鉛蓄電池充放電監視系統

為了滿足實際使用中對蓄電池充放電狀態的適時監視和測量, 該監視系統采用MSP430單片機作為處理器[2], 整個測試設備體積小、成本低、工作可靠穩定、使用方便。該監視系統采用T1公司的低功耗混合信號處理器MSP430, 充分利用了單片機片內集成的各個模塊, 極大地減少了外部器件的使用數量和系統功耗。能夠對額定電流為100~1000A的蓄電池進行充放電監視, 通過外部接口選擇, 處理器自動調用下位的數據表進行測試, 同時在液晶模塊上顯示被測蓄電池的狀態信息。

2.2 基于RS485總線的蓄電池充放電遠程控制系統

該系統主要通過下位機(單片機)將采集到的蓄電池電壓及電流信號經處理后發送給上位機(PC機), 再經可視化的人機界面實現充放電的實時狀態顯示和控制?？紤]到該系統要具有較強抗干擾能力, 傳輸距離長、工程布線簡單、適合擴展、便于控制的特點, 故采用RS 485總線實現遠距離數據傳輸[3]。

2.3 基于PLC的智能型蓄電池充放電機

該設備實現恒流與恒壓相結合的充電控制過程[4]。在恒流放電時, 采用有源逆變, 把電能回饋給電網, 同時, 對電池電壓進行檢測, 如果電池電壓小于設定電壓, 將予以報警。

工作時, 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。按照設定的程序, 分段進行充放電, 無需人工干預而自動完成。測量的電流、電壓信號, 是帶有紋波的直流, 經過二型濾波器濾波, 進入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單片機的蓄電池充放電綜合控制設備

該綜合控制設備以MC68HC908SR12微控制器為控制核心, 采用現場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)輔助控制設計。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接口電路等。該設備主要針對軍事應用中一些不斷電設備耗能較大、普遍采用蓄電池串聯供電的情況而設計[5-6]。在設計過程中著重考慮蓄電池的平衡特性, 以提高串聯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、控制領域的現有技術進行分析比較, 找出適用于串聯式充放電電路的軟硬件設計方法, 實現魚雷動力電池充放電操作過程的自動化, 包括參數測量、參數記錄管理、充電機控制和單體電池轉接等的自動化和智能化[7], 大幅度縮短人工操作時間, 大大降低勞動強度, 顯著提高工作效率, 以提高魚雷技術準備的科學性和安全性。

3 充放電自動操控系統總體設計

魚雷電池充放電自動操控系統原理組成見圖1。

該系統以微控制器(micro control unit, MCU)為現場控制核心和數據處理中心, 配以電壓循環采集、溫度傳感器和電流互感模塊, 通過控制信號繼電器的對應通斷, 自動采集(巡檢)正在串聯充電的電池組(≥120塊)的單體電壓、充電電流和電池(接線柱)溫度等技術參數, 在液晶顯示器上循環顯示測量數據, 并有120個充電狀態指示燈顯示所對應的每塊電池的當前狀態(正在充電還是停止充電)。一旦某塊電池的電壓達到預定門限(飽和電壓)時, MCU經綜合信號處理, 觸發聲光報警, 同時向充電機發出信號以暫停充電, 然后通過驅動板向電池電路切換裝置發出指令, 操控系統的磁保持繼電回路自動執行將該電池從充電電路切出及充電回路的重新自動聯通。監控中心確認切換完成后發出取消充電機暫停信號并關閉光電報警, 繼續充電過程。該系統除具備現場控制功能外, MCU還可以作為下位機, 通過網路實現與遠程PC(上位機)的數據傳輸與交換, 達到非現場的在線實時監控效果。所有數據可以及時輸出或打印, 便于技術管理和故障分析。

圖1 系統組成原理框圖

4 充放電自動操控系統技術實現

該自動操控系統的技術實現主要分為MCU主控部分、信號傳輸部分、功率驅動及執行部分、人機操控界面、模塊化電源和總體結構布局等六大部分。

4.1 MCU主控部分

系統對MCU的要求: 工作穩定、可靠, 具有AD采樣功能(8位以上)及標準UART口以便與PC上位機通信, 有足夠的I/O口及編程資源保障。

本系統采用MC68HC908AB32(64)微控制器作為主控核心, 具有速度快、功能強、抗干擾、功耗低以及自帶閃存、監控、鎖相環等優點。MCU負責完成定時發出巡檢指令, 接收送來的電池電壓并根據工作方式作出判斷, 適時輸出充電機暫停及重啟指令和聲光報警及撤銷指令, 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。圖2為系統工作主流程。

圖2 系統工作主流程

由于需要控制的繼電器數量繁多, 設計上采用4套互相關聯的電路陣列組成聯合控制中心。每套電路中采用12位模數轉換芯片進行電池端電壓采樣, 運算控制采用數字信號處理器芯片, 輸出采用大規模邏輯芯片。

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方式, 其優點是每塊驅動板沒有先后之分, 前后可互換, 電路簡捷。每塊板標準驅動控制接口為16路, 板間信號傳輸僅3條線, 配線簡單可靠?？刂菩盘杺鬏斂驁D如圖3所示。

圖3 控制信號傳輸框圖

4.3 功率驅動及繼電執行部分

主要包括16塊繼電器I/O板, 每塊板上面布置有16個功率繼電器, 可以監控8塊電池的技術狀態。這樣120塊電池需要15塊I/O板。設計控制總線位為10位。

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

圖4 驅動單元電路框圖

4.4 人機操控界面和上位機設計

現場人機操控界面(下位機)部分完成液晶顯示運行數據、按鍵設定系統運行數據以及120個指示燈顯示蓄電池是否離線等功能。

上位機采用加固式筆記本電腦, 除了具備現場人機液晶界面的功能外, 還具備數據存儲、分析和遠程在線監控功能。上位機頁面設計見圖5。上位機與下位機的通信采用“數據終端設備(data terminal equipment,DTE)和數據通信設備(data communications equipment,DCE)之間串行二進制數據交換接口技術標準”RS-232-C[8-9], 這是目前工業控制局域通信中最常用的串行通信接口。

圖5 上位機監控界面

上位機軟件開發采用由Borland公司推出的全新Delphi可視化編程環境, 是方便快捷的Microsoft Windows應用程序開發工具。采用面向對象程序語言(object-oriented language, OOL)、快速編譯器和先進的數據庫技術。

4.5 總體結構及引線設計

整個系統總體呈長方柜體結構, 底部裝有滾輪易于移動。側面采用模塊設計的收放線結構, 將120路接線分成6個相對獨立的門式開啟輸出通道組合, 當240根電線同時引出后可避免纏繞混亂, 方便接插和梳理。 操控系統(機柜)的外形設計和內部電路布局結構見圖6。

圖6 自動操控系統外形及內部電路布局結構

4.6 供電電源部分

自動操控系統內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用于驅動部分供電, 且3個開關電源分別獨立供電。由于機柜內無強交流電參與工作, 有效切斷了強電干擾的耦合途徑, 同時, 切換開關采用低壓直流繼電器, 取消了大量的柜內強電圍繞布線, 進一步優化了整機工作的電磁兼容性, 顯著提高了可靠性。

5 結論

本文提出的集自動化、智能化和數字化為一體的魚雷電池技術準備自動操控系統技術設想, 在以下方面進行了探索, 并通過工程研發, 驗證了可行性。

1) 全流程防異常單步自檢

在整個充電過程中, 每次繼電器的狀態切換前都由監控中心發出指令, 對所有繼電器及電池狀態進行自檢, 確認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。一旦發現電路異常即自動切斷充電機電源, 并顯示故障位置, 保證電池切換時的絕對安全。

2) 全電路單元級短路保護

為了實現多達120塊電池切換單元電路的觸點安全保護, 避免異常情況下電池短路時瞬間電流劇增對電路的沖擊和破壞, 在每個單元電池的回路中加裝RC吸收保護, 以應對突發事件(帶載切換), 同時每塊電池回路加裝單極快熔保險器(40 A), 實現一對一安全監控。

3) 防短路可互鎖磁保持控制

使反復性頻繁繼電切換具有良好的斷電延續性和防短路互鎖性, 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點。

4) 信號與驅動全隔離

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

另外, 本系統保留了現有魚雷充電機的設備體系, 從節約研制成本和保證部隊操作延續性等方面考慮, 沒有對充電機本身進行改進, 而是針對技術準備中工作量最大的人工操作部分進行全面改進和提高, 經部隊多年使用效果良好。

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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, 研究方向為潛用武器作戰使用及保障.

(責任編輯: 陳 曦)