海上測量設備電源自動保溫系統設計與實現＊

（91550部隊 大連 116023）

1 引言

在海上試驗中，無人值守測量船上加載諸多測量設備，其供電都是由蓄電池來完成。但是在冬季，環境溫度較低導致蓄電池低溫損耗十分嚴重，相關研究表明［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℃時僅有44．1%；對于鉛酸蓄電池而言，在當環境溫度降低到-20℃時，容量降低了約60%，而對于鉛酸蓄電池而言，也具有類似的特性。這就導致，在一些惡劣的條件下，測量設備供電不足，不能滿足試驗需求。解決這個問題有兩種方式：1）增加蓄電池的數量或容量；2）對蓄電池進行保溫。由于測量船上空間有限，增加蓄電池的數量或是改用大容量蓄電池，不滿足設備安裝條件，只能對蓄電池采取保溫措施。為此，本文設計一種電源自動保溫系統，該系統可根據試驗需求和外界環境進行溫度設置，使測量設備電源的溫度保持恒定，進而降低蓄電池的低溫損耗。

本文首先對蓄電池的低溫特性進行分析，在此基礎上計算測量設備電源所需加熱模塊的功率，最后提出自動保溫系統的設計方案。

2 蓄電池低溫特性分析

對于不同種類、不同型號的蓄電池而言，其低溫特性也不盡相同。文獻［2］對磷酸鐵鋰電池的溫度特性進行分析，其結論如圖1所示。文獻［3］對閥控密封鉛酸蓄電池的溫度特性進行分析，其結論如表1所示。

圖1 電池容量隨環境溫度的變化

表1 環境溫度與放電容量的關系

對于測量船上最常用的鉛酸蓄電池而言，當環境溫度降低時，電解液粘度增大，擴散速度減慢，電阻增大，離子的運動受到較大的阻力，電化學反應速度大為減慢，所以蓄電池的容量低。特別是在-50℃時電解液的粘度約為常溫時粘度的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系可用如下經驗公式表示：

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

圖2 鉛酸蓄電池容量與溫度的關系圖

因此，在溫度允許的范圍內，同一蓄電池溫度高，蓄電池所能放出的電量就大，其荷電狀態就大；反之，溫度低，蓄電池所能放出的電量就小，荷電狀態也就小。根據應驗公式可得到一個粗略的蓄電池容量與溫度的關系，如下圖2所示。

從圖2可以看出，當環境溫度降低到-20℃時，電池容量降低至60%左右，當環境溫度降低到-30℃時，電池容量降低至50%左右，當環境溫度為5℃時，電池容量降低至20%左右。

綜上所述，雖然對于不同型號、種類的蓄電池而言，環境溫度對其容量的影響各不相同，但大體上，隨著環境溫度的降低，蓄電池容量急劇下降，當環境溫度降低到-20℃時，電池容量僅為標稱容量的55%～60%左右，當環境溫度降低到-30℃時，電池容量僅為標稱容量的45%～55%左右，因此，為更好地保障試驗任務，有必要對測量設備電源采取必要的加熱措施。

3 加熱模塊功率計算

為了近可能減小低溫環境對蓄電池容量帶來的影響，本文設計了自動溫控加熱模塊對測量設備電池箱進行加熱，使測量設備電池始終工作在較為適宜的溫度下。這就帶來一個疑問，用于加熱所消耗的蓄電池電量是否會大于蓄電池低溫損耗，如果大于，則加熱沒有任何實際意義；如果小于，那么加熱所損耗的電量到底是多少。為此，本文對不同測量設備電源所需加熱模塊的功率進行計算。

加熱模塊的最低功率應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率、電池箱的表面積、電池箱內部與外界的溫度差以及保溫材料的厚度，具體計算公式如下

式中，Q為熱量，K為保溫材料的熱導率，A為電池箱的表面積，ΔT為電池箱內部與外界的溫度差，d為保溫材料的厚度。因此，在電池箱體表面積一定時，所需加熱模塊的功率和保溫材料與內外溫度差有關。考慮到測量設備供電系統在設計時會留有一定的余量，為此，本文計算時，假定環境溫度為-20℃，電池箱內應保持的恒定溫度為5℃，保溫材料厚度5cm。

不同保溫材料的熱導率各不相同，具體如表2所示；而根據式（2）所計算的，對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 不同材料的熱導率

表3 加熱模塊功率計算結果

為此，在實際使用中，可根據電池保溫箱的大小來選擇加熱模塊的功率，對于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%。對于大多測量設備而言，供電電池箱的表面積都小于1m2，在利用聚氨酯發泡膠作為保溫材料時，采用12w 的加熱模塊即可滿足箱體保溫的要求，這時加熱模塊工作1h所消耗的電量僅僅為電池容量的1．5%，而在-20℃與5℃時，電池容量分別為標稱容量的60%和80%，因此，采用保溫系統后，可節省18．5%的電池容量。同時，本文并未考慮蓄電池自放熱的問題，因此，加熱模塊的實際功率會更低，也更加節約電量。

4 自動保溫系統的設計

自動保溫系統主要由單片機、溫度采集電路和加熱模塊電路三部分組成。單片機用于完成溫度設計及加熱模塊電源開關的控制；溫度采集電路用于完成電池箱環境溫度的采集；加熱模塊用于完成電池箱恒溫保持的工作。

4．1 單片機的選擇

本文選用ATMEL 公司的8 位系列單片機Atmega64作為自動保溫系統的控制中樞，用于完成保溫溫度的設定及加熱模塊電源開關的控制等工作。Atmega64 單片機是ATMEL 公司的8 位系列單片機中最高配置的一款單片機，應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；先進的RISC結構，133條指令大多數可以在一個時鐘周期內完成；32x8通用工作寄存器＋外設控制寄存器全靜態工作，工作于16MHz時性能高達16MIPS只需兩個時鐘周期的硬件乘法器非易失性的程序和數據存儲器，64K 字節的系統內可編程Flash；具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區，通過片內的啟動程序實現系統內編程，真正的讀-修改-寫操作，4K 字節的EEPROM。

· 外設特點

兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8位定時器／計數器；兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器／計數器；具有獨立預分頻器的實時時鐘計數器；兩路8位PWM；6路分辨率可編程（2～16位）的PWM；輸出比較調制器；8路10位ADC；兩個可編程的串行USART；可工作于主機／從機模式的SPI串行接口；具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器。

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

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

4．2 溫度采集電路的設計

溫度采集電路如圖3所示。

圖3 溫度采集電路設計

圖中J2是溫度傳感器輸入接口，經R27耦合后送入U9的第二個集成運算放大器U9B，U9B設計成同相比率放大電路，放大倍數為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，測量溫度的量程略以大于100℃。溫度傳感器輸出電壓經2倍放大后，由電阻R2耦合送入單片機的ADC2進行A／D 變換，并由TEMP腳送入單片機，以完成環境溫度的采集。

4．3 加熱模塊電路設計

加熱模塊電路設計如圖4所示。

圖4 加熱模塊電路設計

圖4中的Q3、R32、R35、D3和JDQ3構成加熱電路，當單片機測得的電池溫度小于設定值時，單片機控制PC3輸出低電平，驅動光耦使得電器標號JDQ3與12V 電壓相連，NPN 三極管Q3導通，繼電器3 吸合，輸入電壓VIN2通過端子J4 輸出到加熱體上，加熱體工作加溫；當單片機測得的電池溫度大于設定值時，單片機控制PC3 輸出高電平，使得電器標號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。加熱體加熱狀態通過R45、VR2 和C29 反饋到單片機的PD5 進行探測，加熱體工作時，調節VR2使得對應電壓等級的電器標號THOT 電壓為4．5V左右。

5 結語

為解決無人測量船的測量設備供電蓄電池容量低溫衰減嚴重的問題，本文在分析蓄電池低溫特性的基礎上，設計一種利用單片機控制的電池箱自動保溫系統，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。實際使用結果表明，自動保溫系統可有效延長無人測量船上多型測量設備使用時間，平均延長30%左右，為試驗任務的完成做出較大貢獻。

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