航空電瓶充放電溫度監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

■ 王自知 王福留 于濤 張健偉 劉鵬/中國民用航空飛行校驗(yàn)中心

1 設(shè)計(jì)背景

中國民用航空飛行校驗(yàn)中心主要從事全國機(jī)場導(dǎo)航設(shè)備的飛行校驗(yàn)工作，現(xiàn)有18架飛機(jī)、五種機(jī)型，飛機(jī)使用的電瓶由校驗(yàn)中心自己勤務(wù)和維護(hù)。

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

校驗(yàn)中心現(xiàn)有的充電機(jī)沒有溫度監(jiān)測系統(tǒng)，市面上現(xiàn)有的多數(shù)型號(hào)電瓶充電機(jī)沒有溫度監(jiān)測功能，少數(shù)帶有溫度監(jiān)控系統(tǒng)的充電機(jī)功能單一，也不能滿足需求。目前采取的是外接溫度計(jì)對(duì)充電過程溫度進(jìn)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(xù)操作，導(dǎo)致維護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工成本高；2）測溫誤差大，不能準(zhǔn)確測量電瓶組件單元格內(nèi)部的實(shí)際溫度，且測量結(jié)果受測量位置、外界環(huán)境溫度和濕度的影響較大；3）不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地記錄溫度變化曲線，也不能大量存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)，不利于航空電瓶維護(hù)的精細(xì)化管理及對(duì)電瓶性能的監(jiān)控；4）一旦發(fā)生超溫情況，受人的反應(yīng)時(shí)間所限，采取措施前已存在較大延時(shí)，容易對(duì)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(duì)飛機(jī)電瓶充放電過程中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)備，以滿足電瓶維護(hù)工作的需要。

2 航空電瓶充放電溫度監(jiān)控系統(tǒng)的組成和工作原理

根據(jù)需求設(shè)計(jì)的航空電瓶充放電溫度監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，包括信號(hào)采集及處理控制板、保護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、電源輸入和輸出接口。其中，信號(hào)采集及處理控制板分別與保護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)電連接，電源輸入和輸出接口均與保護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)電連接；信號(hào)采集及處理控制板用于采集航空電瓶的內(nèi)外溫度，并控制保護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)的通斷電；當(dāng)航空電瓶溫度超過用戶預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，保護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)可自動(dòng)斷電；人機(jī)交互系統(tǒng)用于用戶與監(jiān)控系統(tǒng)間的交互。

圖2所示為信號(hào)采集及處理控制板，包括微控制器、保護(hù)控制系統(tǒng)及接口、電瓶外溫度接口、電瓶內(nèi)溫度系統(tǒng)及接口、顯示接口、輸入接口、輸出接口、存儲(chǔ)器和時(shí)鐘系統(tǒng)。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(hào)并進(jìn)行控制；保護(hù)控制系統(tǒng)及接口包括光耦合器，輸出溫度保護(hù)控制信號(hào)以控制保護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)；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(nèi)溫度系統(tǒng)及接口由儀表放大系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和恒流源系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)；輸出接口用于輸出溫度監(jiān)控系統(tǒng)的工作記錄；存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)工作記錄；時(shí)鐘系統(tǒng)提供時(shí)間。

保護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)的主要功能是，當(dāng)電瓶溫度達(dá)到用戶預(yù)設(shè)的溫度時(shí)切斷交流供電。目前，常用的電子控制自動(dòng)開關(guān)主要有繼電器、固態(tài)繼電器，繼電器的優(yōu)點(diǎn)是物理觸點(diǎn)接觸，斷開清楚，缺點(diǎn)是接觸瞬間容易打火，觸點(diǎn)容易粘連；固態(tài)繼電器的優(yōu)點(diǎn)是無觸點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生打火的情況，外圍簡單，但由于是半導(dǎo)體器件，所以斷開不清楚。保護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)采用繼電器和固態(tài)繼電器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，互相配合，以達(dá)到雙重保護(hù)目的。具體的工作過程：接通時(shí)先接通繼電器，之后再接通固態(tài)繼電器，這樣可以保證在繼電器接通時(shí)線上沒有電流，不會(huì)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(tài)繼電器后再斷開繼電器。

人機(jī)交互系統(tǒng)包括三個(gè)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(guān)數(shù)據(jù)，采用7寸彩色液晶顯示器。輸入裝置供維護(hù)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)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(shù)據(jù)導(dǎo)出或上傳到電腦，可以是USB設(shè)備，操作者可將監(jiān)控儀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)下載到U盤中再上傳電腦；還可以是通過TYPEC接口或者WIFI、藍(lán)牙、NFC等近距離無線通信接口以及有線通信接口與溫度監(jiān)控系統(tǒng)連接的設(shè)備。

根據(jù)現(xiàn)有電瓶的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了兩種電瓶溫度監(jiān)控模式。

1）檢測電瓶外部溫度時(shí)，信號(hào)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(hào)。電瓶外溫度檢測板采用集成式數(shù)字溫度傳感器，輸出的數(shù)字信號(hào)具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)。電瓶外溫度檢測板由4個(gè)集成數(shù)字式溫度傳感器18B20組成，傳感器采用單總線結(jié)構(gòu)，測量結(jié)果以9～12位數(shù)字方式串行傳送，不需要任何外圍設(shè)備，溫度測量范圍為-55℃～+125℃，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能。溫度傳感器分布在溫度檢測板的4個(gè)角。電瓶外溫度檢測板與溫度監(jiān)控儀通過電瓶外溫度檢測線連接，溫度數(shù)字信號(hào)由電瓶外溫度檢測線傳輸至溫度監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)中的信號(hào)采集處理及控制板進(jìn)行處理，顯示并判斷是否超過保護(hù)溫度等。

2）檢測電瓶內(nèi)溫度時(shí)，信號(hào)采集及處理控制板需連接電瓶內(nèi)溫度電阻。電瓶內(nèi)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(duì)應(yīng)值可參考CMM手冊。信號(hào)采集及處理控制板產(chǎn)生一個(gè)恒定電流，此電流通過電瓶內(nèi)溫度檢測線加載到電瓶內(nèi)溫度電阻上，產(chǎn)生一個(gè)隨溫度變化的電壓值，此電壓值再由電瓶內(nèi)溫度檢測線傳至信號(hào)采集及處理控制板，信號(hào)采集及處理控制板對(duì)其進(jìn)行處理后顯示并判斷是否存在超溫情況。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)包括220V電源、飛機(jī)電瓶充放電溫度監(jiān)控儀、飛機(jī)電瓶充放電機(jī)以及航空電瓶。220V電源為溫度監(jiān)控儀供電；溫度監(jiān)控儀一方面為充放電機(jī)供電，一方面控制充放電機(jī)的通斷；充放電機(jī)在為電瓶充電的同時(shí)與溫度監(jiān)控儀連接，可監(jiān)測電瓶外溫度信號(hào)及電瓶內(nèi)溫度信號(hào)，當(dāng)監(jiān)測到電瓶超溫時(shí)可發(fā)出報(bào)警聲，并立即切斷溫度監(jiān)控儀與充放電機(jī)之間的供電電路，提高了電瓶充電的安全性和可靠性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的航空電瓶充放電溫度監(jiān)控系統(tǒng)能夠精確測量電瓶內(nèi)外部的充放電溫度，兼容性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，且測溫連續(xù)、記錄實(shí)時(shí)。目前，按照上述方案生產(chǎn)的航空電瓶充放電監(jiān)控儀已經(jīng)投入使用，其突出優(yōu)點(diǎn)如下：

1）每套設(shè)備有兩種溫度測量方式，可直接進(jìn)行人工轉(zhuǎn)換。

2）電瓶發(fā)生超溫時(shí)，超溫警報(bào)組件輸出音頻和燈光形式的報(bào)警信號(hào)，警告效果好。

3）可通過溫度設(shè)置組件設(shè)置手冊要求的警告溫度。

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

圖1 航空電瓶充放電溫度監(jiān)控系統(tǒng)的原理圖

圖2 信號(hào)采集及處理控制板的原理圖

圖3 航空電瓶充放電系統(tǒng)連接示意圖

5）可顯示、存儲(chǔ)充放電數(shù)據(jù)及溫度變化曲線。

6）可提取存儲(chǔ)的工作記錄，提供查找模式及快速翻頁功能，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可下載以供存儲(chǔ)和分析。

7）設(shè)備兼容性、擴(kuò)展性好，適用于絕大多數(shù)航空電瓶的充放電工作。