航空電瓶充放電溫度監控系統方案設計

■ 王自知 王福留 于濤 張健偉 劉鵬/中國民用航空飛行校驗中心

1 設計背景

中國民用航空飛行校驗中心主要從事全國機場導航設備的飛行校驗工作，現有18架飛機、五種機型，飛機使用的電瓶由校驗中心自己勤務和維護。

目前，很多型號飛機的電瓶在充放電過程中都要求監控電瓶溫度，例如，鉛酸電瓶維護手冊（CMM 24-30-71，document NO.5-0171，7.N）中明確提出：當電瓶在進行電量測試時，如果電瓶溫度＞55℃（130°F），應中止電瓶的維護過程，待電瓶冷卻到55℃以下再繼續工作；SAFT鎳鎘電瓶充放電過程中電瓶溫度應在15℃～30℃之間（馬拉松電瓶充放電過程中電瓶溫度應在16℃～32℃之間）。

校驗中心現有的充電機沒有溫度監測系統，市面上現有的多數型號電瓶充電機沒有溫度監測功能，少數帶有溫度監控系統的充電機功能單一，也不能滿足需求。目前采取的是外接溫度計對充電過程溫度進行測量的方法，這種方法有許多弊端：1）航空電瓶的充放電操作一般需要一至兩天連續操作，導致維護人員勞動強度大，人工成本高；2）測溫誤差大，不能準確測量電瓶組件單元格內部的實際溫度，且測量結果受測量位置、外界環境溫度和濕度的影響較大；3）不能實時準確地記錄溫度變化曲線，也不能大量存儲測量數據，不利于航空電瓶維護的精細化管理及對電瓶性能的監控；4）一旦發生超溫情況，受人的反應時間所限，采取措施前已存在較大延時，容易對電瓶造成不可逆的損害，存在安全隱患。

因此，迫切需要一款可以對飛機電瓶充放電過程中的溫度進行實時監控的設備，以滿足電瓶維護工作的需要。

2 航空電瓶充放電溫度監控系統的組成和工作原理

根據需求設計的航空電瓶充放電溫度監控系統如圖1所示，包括信號采集及處理控制板、保護執行系統、人機交互系統、電源輸入和輸出接口。其中，信號采集及處理控制板分別與保護執行系統、人機交互系統電連接，電源輸入和輸出接口均與保護執行系統電連接；信號采集及處理控制板用于采集航空電瓶的內外溫度，并控制保護執行系統的通斷電；當航空電瓶溫度超過用戶預設的溫度時，保護執行系統可自動斷電；人機交互系統用于用戶與監控系統間的交互。

圖2所示為信號采集及處理控制板，包括微控制器、保護控制系統及接口、電瓶外溫度接口、電瓶內溫度系統及接口、顯示接口、輸入接口、輸出接口、存儲器和時鐘系統。其中，微控制器分別與上述部件電連接，用于接收上述部件的信號并進行控制；保護控制系統及接口包括光耦合器，輸出溫度保護控制信號以控制保護執行系統；電瓶外溫度接口是連接微控制器和電瓶外溫度檢測板的接口；電瓶內溫度系統及接口由儀表放大系統、模數轉換系統和恒流源系統組成；顯示接口用于微控制器與顯示裝置間的通信；輸入接口連接微控制器與輸入裝置，保證用戶能夠操作溫度監控系統；輸出接口用于輸出溫度監控系統的工作記錄；存儲器用于存儲工作記錄；時鐘系統提供時間。

保護執行系統的主要功能是，當電瓶溫度達到用戶預設的溫度時切斷交流供電。目前，常用的電子控制自動開關主要有繼電器、固態繼電器，繼電器的優點是物理觸點接觸，斷開清楚，缺點是接觸瞬間容易打火，觸點容易粘連；固態繼電器的優點是無觸點，不會發生打火的情況，外圍簡單，但由于是半導體器件，所以斷開不清楚。保護執行系統采用繼電器和固態繼電器串聯結構，互相配合，以達到雙重保護目的。具體的工作過程：接通時先接通繼電器，之后再接通固態繼電器，這樣可以保證在繼電器接通時線上沒有電流，不會打火，避免繼電器因打火而粘連；斷開的過程與接通相反，先斷開固態繼電器后再斷開繼電器。

人機交互系統包括三個接口：顯示裝置、輸入裝置和輸出裝置。顯示裝置能直觀顯示溫度曲線及相關數據，采用7寸彩色液晶顯示器。輸入裝置供維護人員對設備進行操作，可以是3×5矩陣式鍵盤、觸控屏、手寫板等。輸出裝置用于將數據導出或上傳到電腦，可以是USB設備，操作者可將監控儀存儲的數據下載到U盤中再上傳電腦；還可以是通過TYPEC接口或者WIFI、藍牙、NFC等近距離無線通信接口以及有線通信接口與溫度監控系統連接的設備。

根據現有電瓶的結構形式，設計了兩種電瓶溫度監控模式。

1）檢測電瓶外部溫度時，信號采集及處理控制板需連接電瓶外溫度檢測板，以接收電瓶外溫度信號。電瓶外溫度檢測板采用集成式數字溫度傳感器，輸出的數字信號具有體積小、抗干擾能力強、精度高的特點。電瓶外溫度檢測板由4個集成數字式溫度傳感器18B20組成，傳感器采用單總線結構，測量結果以9～12位數字方式串行傳送，不需要任何外圍設備，溫度測量范圍為-55℃～+125℃，支持多點組網功能。溫度傳感器分布在溫度檢測板的4個角。電瓶外溫度檢測板與溫度監控儀通過電瓶外溫度檢測線連接，溫度數字信號由電瓶外溫度檢測線傳輸至溫度監控系統，由監控系統中的信號采集處理及控制板進行處理，顯示并判斷是否超過保護溫度等。

2）檢測電瓶內溫度時，信號采集及處理控制板需連接電瓶內溫度電阻。電瓶內溫度電阻是指航空電瓶自帶的溫度電阻，其溫度與電阻的對應值可參考CMM手冊。信號采集及處理控制板產生一個恒定電流，此電流通過電瓶內溫度檢測線加載到電瓶內溫度電阻上，產生一個隨溫度變化的電壓值，此電壓值再由電瓶內溫度檢測線傳至信號采集及處理控制板，信號采集及處理控制板對其進行處理后顯示并判斷是否存在超溫情況。

3 系統實現

如圖3所示，整個系統包括220V電源、飛機電瓶充放電溫度監控儀、飛機電瓶充放電機以及航空電瓶。220V電源為溫度監控儀供電；溫度監控儀一方面為充放電機供電，一方面控制充放電機的通斷；充放電機在為電瓶充電的同時與溫度監控儀連接，可監測電瓶外溫度信號及電瓶內溫度信號，當監測到電瓶超溫時可發出報警聲，并立即切斷溫度監控儀與充放電機之間的供電電路，提高了電瓶充電的安全性和可靠性。

4 結論

本文設計的航空電瓶充放電溫度監控系統能夠精確測量電瓶內外部的充放電溫度，兼容性強，穩定性高，且測溫連續、記錄實時。目前，按照上述方案生產的航空電瓶充放電監控儀已經投入使用，其突出優點如下：

1）每套設備有兩種溫度測量方式，可直接進行人工轉換。

2）電瓶發生超溫時，超溫警報組件輸出音頻和燈光形式的報警信號，警告效果好。

3）可通過溫度設置組件設置手冊要求的警告溫度。

4）溫度監控器通過控制雙斷路器來控制電瓶充電機的供電，防止因斷路器故障導致無法切斷電瓶充電機供電的情況，安全裕度高。

圖1 航空電瓶充放電溫度監控系統的原理圖

圖2 信號采集及處理控制板的原理圖

圖3 航空電瓶充放電系統連接示意圖

5）可顯示、存儲充放電數據及溫度變化曲線。

6）可提取存儲的工作記錄，提供查找模式及快速翻頁功能，存儲數據可下載以供存儲和分析。

7）設備兼容性、擴展性好，適用于絕大多數航空電瓶的充放電工作。